DE102006048549A1

DE102006048549A1 - Hydraulisches Ventilspielausgleichselement mit Leerhubfunktion für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102006048549A1
Application number: DE102006048549A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hempfling; Peter Sailer; Oliver Dipl.-Ing. Schnell; Christian Dipl.-Ing. Schäfer (FH)
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US20080087244A1; CN101187318A; CN101187318B; US7640906B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement mit Leerhubfunktion für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kolben (2, 2', 2''), der in einem Kolbengehäuse (4) beweglich geführt und gegen dieses elastisch abgestützt ist, bei dem der Kolben (2, 2', 2'') einen Niederdruckraum (3) aufweist, der über eine Axialöffnung (7) in einem Kolbenboden (8) mit einem von dem Kolbengehäuse (4) und dem Kolben (2, 2', 2'') begrenzten Hochdruckraum (5) verbunden ist, und mit einem zwischen den Druckräumen (3, 5) wirksamen Steuerventil (9, 9', 9'', 9'''), umfassend einen Ventilschließkörper (10, 10', 10''), der an einen die Axialöffnung (7) auf einer Kolbenbodenunterseite (18) umgebenden Ventilsitz (15, 15') dichtend anlegbar ist und der in einem einen Schließkörperhub (17) begrenzenden Element (12, 12') aufgenommen ist, sowie mit einer den Ventilschließkörper (10, 10', 10'') in Öffnungsrichtung mit einer Federkraft beaufschlagenden Steuerventilfeder (11), wobei bei einer Kollabierbewegung zwischen dem Kolben (2, 2', 2'') und dem Kolbengehäuse (4), bei welcher der Ventilschließkörper (10, 10', 10'') gegen die Wirkung der Steuerventilfeder (11) über einen Druckaufbau im Hochdruckraum (5) in Schließrichtung hydraulisch beaufschlagt wird, ein Leerhub erzeugt wird. Zur Erzeugung eines einstellbaren Leerhubs ist über eine hochdruckraumseitig angeordnete Strömungsleiteinrichtung (23, 23'), umfassend ein ...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement mit Leerhubfunktion für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, der in einem Kolbengehäuse beweglich geführt und gegen dieses elastisch abgestützt ist, bei dem der Kolben einen Niederdruckraum aufweist, der über eine Axialöffnung in einem Kolbenboden mit einem von dem Kolbengehäuse und dem Kolben begrenzten Hochdruckraum verbunden ist, und mit einem zwischen den Druckräumen wirksamen Steuerventil, umfassend einen Ventilschließkörper, der an einen die Axialöffnung auf einer Kolbenbodenunterseite umgebenden Ventilsitz dichtend anlegbar ist und der in einem einen Schließkörperhub begrenzenden Element aufgenommen ist sowie mit einer den Ventilschließkörper in Öffnungsrichtung beaufschlagende Steuerventilfeder, wobei bei einer Kollabierbewegung zwischen dem Kolben und dem Kolbengehäuse, bei welcher der Ventilschließkörper gegen die Wirkung der Steuerventilfeder über einen Druckaufbau im Hochdruckraum in Schließrichtung hydraulisch beaufschlagt wird, ein Leerhub erzeugt wird.
Hintergrund der Erfindung
Hydraulische Ventilspielausgleichselemente werden in Ventiltrieben von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen zum Ausgleich eines Ventilspiels, welches sich durch Wärmeausdehnung, Fertigungstoleranzen und Verschleiß der Übertragungselemente bei einer Nockenbeaufschlagung auf ein Gaswechselventil ergibt, eingesetzt. Übliche Ausgleichselemente verwenden dazu in einem jeweiligen mechanischen Übertragungsglied, dass eine Nockenerhebung des Nockens auf das Gaswechselventil überträgt, einen Kolben, der in einem Gehäuse mit einem Dichtspiel beweglich geführt ist und sich gegen dieses mittels einer Kolbenfeder elastisch abstützt, so dass durch eine Spannung der Kolbenfeder kein Spiel am Gaswechselventil entsteht.
Die Kraftübertragung über das Ausgleichselement auf das Gaswechselventil wird bei der Nockenbeaufschlagung durch ein Steuerventil geregelt, das einen Fluss eines Hydraulikmediums über eine axiale Öffnung zwischen einem als Ölreservoir dienenden Niederdruckraum des Kolbens und einem Hochdruckraum, der von dem Koben und dem Gehäuse umschlossen ist, steuert. Das Steuerventil umfasst einen Schließkörper, meist eine Steuerventilkugel, die an einer Kolbenunterseite im Hochdruckraum angeordnet ist, sowie eine Steuerventilfeder, die die Steuerventilkugel mit einer Federkraft beaufschlagt. Dabei werden grundsätzlich zwei Bauarten unterschieden.
In einer Standardbauweise ist die Steuerventilfeder als ein schließendes Beaufschlagungselement angeordnet, welches die Steuerventilkugel mit einer Vorspannkraft gegen einen Ventilsitz der als Kolbenbohrung ausgebildeten Axialöffnung an der Kolbenbodenunterseite drückt. Entsprechend ist das Steuerventil des Ausgleichelementes beim Überfahren des zugehörigen Ventiltriebsgliedes durch den Nocken einer rotierenden Nockenwelle in einem Nockengrundkreis geschlossen. Bei einer folgenden Auslenkung durch eine Nockenerhebung wird ein entsprechender Stellweg mit einer Stellkraft direkt über das Aus gleichselement auf das Gaswechselventil übertragen und dieses unmittelbar öffnend betätigt. Da das Öl im Hochdruckraum inkompressibel ist, wirkt das Ausgleichselement dabei wie ein „starres" Stellglied. Erst bei der anschließenden aufeinander bezogenen Expansion von Kolben und Gehäuse durch die Kolbenfeder, wenn der Nocken wieder den Grundkreis erreicht und der Druck im Hochdruckraum sinkt, öffnet das Steuerventil gegen die Steuerventilfeder und es erfolgt ein Druckausgleich zwischen den Druckräumen, bis die Steuerventilfeder das Steuerventil erneut schließt.
Da es bei dieser Bauweise, insbesondere während einer einsetzenden Aufwärmehase bei noch kaltem Motor, zu einem so genannten Aufpumpen des Ausgleichselementes über das Steuerventil bis hin zu einem negativen Ventilspiel kommen kann, welches zu hohen Motorbelastungen mit erhöhtem Verschleiß führt, ist bereits eine alternative Bauweise mit öffnender Steuerventilfeder vorgeschlagen worden.
Derartige hydraulische Ventilspielausgleichselemente mit öffnender Steuerventilfeder sind als Reverse Spring Hydraulische Ventilspielausgleichselemente (RSHVA) oder Normally Open Lash Adjuster (NOLA), beispielsweise aus der EP 1 298 287 A2 und der WO 2006 010 413 A1 , bekannt. Dabei wird die Steuerventilfeder umgekehrt, meist innerhalb der Kolbenbohrung zwischen Reservoir und Hochdruckraum, angeordnet, so dass die Steuerventilkugel bzw. der Schließkörper in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird und folglich das Steuerventil im Nockengrundkreis geöffnet ist. Die Steuerventilkugel ist in dieser Anordnung üblicherweise in einer an der Kolbenbodenunterseite gehaltenen Schließkörperkappe aufgenommen, die Öffnungen als Öldurchlass und einen Boden zur Hubbegrenzung der Steuerventilkugel aufweist.
Bei einem RSHVA setzt mit der Nockenauslenkung zunächst ein Steuerölstrom vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum, also in Schließrichtung ein, wobei das Ausgleichselement axial kollabiert, so dass Kolben und Gehäuse zusam mengeschoben werden. Dabei wird die Steuerventilkugel von dem Steueröl umströmt, wodurch diese sowohl hydrostatisch als auch hydrodynamisch gegen die Wirkung der Steuerventilfeder beaufschlagt wird, bis eine resultierende Axialkraft die Steuerventilkugel gegen den Ventilsitz drückt und das Steuerventil schließt. Die Kollabierbewegung eines solchen RSHVA äußert sich in einem charakteristischen Leerhub, bevor die eigentliche Betätigung des Gaswechselventils erfolgt. RSHVAs wirken daher als „weiche" Stellelemente, die ein negatives Ventilspiel ausschließen.
Der Leerhub der RSHVAs beeinflusst den Ventilhub der Gaswechselventile sowie die Ventilsteuerzeiten im Verbrennungsmotor. Eine entsprechende, aufgrund des sich mit der Nockengeschwindigkeit ändernden Volumenstroms zwischen den Druckräumen, drehzahlabhängige Leerhub-Charakteristik kann gezielt bei einer Ventil- bzw. Nockenwellensteuerung zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades, zur Reduzierung des Schadstoffemissionen und zur Verbesserung der Leerlaufqualität des Verbrennungsmotors genutzt werden, wie beispielsweise in den nicht vorveröffentlichten DE 10 2005 043 947.0 und DE 10 2005 054 115.1 der Anmelderin beschrieben.
Die Schließzeit des Steuerventils und damit der Leerhub der RSHVAs können jedoch relativ großen Schwankungen unterliegen. Untersuchungen haben gezeigt, dass praktisch über den gesamten Motoröltemperaturbereich (–25°C bis +160°C) eine relativ große Ölviskositätsabhängigkeit des Schließverhaltens des Steuerventils auftritt. Weitere wichtige Faktoren welche die Funktion eines RSHVAs beeinflussen sind unter anderem die durch die Ausgestaltung der einzelnen Steuerventilkomponenten bestimmte Strömungsgeometrie, der Schließweg des Steuerventilschließkörpers sowie Fertigungs- und Materialtoleranzen. Ein wichtiges Ziel der Weiterentwicklung der RSHVAs ist dementsprechend die Minimierung dieser störenden Funktionsschwankungen und Parameterabhängigkeiten. Dazu sind bereits verschiedene Verbesserungsvorschläge gemacht worden.
Bei dem aus der WO 2006 010 413 A1 bekannten RSHVA sind im Niederdruckraum oder in der Axialöffnung temperaturempfindliche Mittel, beispielsweise Bimetall-Elemente oder Memorymetall-Elemente, angeordnet, die den vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum fließenden Ölstrom mit sinkender Temperatur zunehmend verändert. Dadurch kann eine gegenüber der Steueröltemperatur bzw. Motoröltemperatur unempfindlichere Schließzeit des Steuerventils und damit eine weitgehende Angleichung des Leerhubes bei verschiedenen Betriebstemperaturen erreicht werden. Funktionsschwankungen von temperaturempfindlichen Element zu temperaturempfindlichen Element durch Fertigungstoleranzen und die relativ komplexe Strömungsgeometrie, die eine genau Vorherbestimmung der Hydrodynamik und Hydrostatik des Steuerventils erschweren, werden dabei eher nicht berücksichtigt.
Die DE 10 2004 018 457 A1 zeigt ein RSHVA mit verschiedenen Schließkörpergeometrien und Führungshilfen zur Führung des jeweiligen Schließkörpers in einer entsprechend ausgebildeten Schließkörperkappe. Insbesondere kann der Ventilschließkörper nadelförmig ausgebildet sein, wobei die Nadel durch eine mit einem kreiszylindrischen Zwischenstück verlängerte Kugel gebildet ist. Die, beispielsweise als Führungsflächen, ausgebildeten Führungshilfen umschließen den Schließkörper mit einem Führungsspiel, so dass dieser beim Schließvorgang quasi wie ein Kolben linear bewegt wird.
Der Schwerpunkt dieser Druckschrift liegt darin, ein RSHVA vorzustellen, bei dem durch eine geführte überwiegend hydrostatische axiale Beaufschlagung des Ventilschließkörpers unerwünschte exzentrische Verlagerungen und rotatorische Bewegungen, insbesondere hervorgerufen durch ungeführte hydrodynamische Beaufschlagungen, verhindert werden. Diese aktive Schließkörperführung beseitigt Betriebsschwankungen durch unerwünschte Schließkörperbewegungen. Das bekannte RSHVA zeigt dementsprechend ein in dieser Hinsicht verbessertes, weniger schwankungsanfälliges Betriebverhalten.
Insgesamt befassen sich die bekannten Druckschriften zur Verbesserung und Weiterentwicklung von RSHVAs im Wesentlichen mit der Strömungsgeometrieabhängigkeit, der Temperaturabhängigkeit, der Drehzahlabhängigkeit und der Fertigungstoleranzabhängigkeit des Schließverhaltens des Steuerventils bzw. des daraus folgenden Leerhubes. Dadurch sind Sie bereits einige Verbesserungen dieses RSHVA – Typs ermöglicht worden.
Weiterhin wünschenswert wäre darüber hinaus die Möglichkeit, dem Anwender ein RSHVA mit einem auf die jeweilige Anwendung und/oder die Bauteilmaße des RSHVAs abgestimmten Leerhub zur Verfügung stellen zu können. Ein anwendungsspezifischer und/oder konstruktionsangepasster Leerhub könnte, insbesondere in Kombination mit der Nutzung der Drehzahlabhängigkeit und bei gleichzeitiger Verringerung von Funktionsschwankungen die Effektivität und die Vorteile der RSHVAs weiter verbessern sowie deren Verwendungsmöglichkeiten erweitern. In dem bekannten Stand der Technik finden sich darauf jedoch keine expliziten Hinweise.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein RSHVA mit einer einstellbaren Leerhubgröße zu schaffen, das gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit und große Betriebssicherheit gewährleistet.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein RSHVA durch den Einbau strömungsempfindlicher Mittel im Hochdruckraum, die den Druckaufbau bei der Schließbewegung des Steuerventils gezielt beeinflussen, vorab so eingestellt werden kann, dass es bei einer Nockenbeaufschlagung zu einen bestimmten gewünschten Leerhub kommt.
Die Erfindung geht daher aus von einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement mit Leerhubfunktion für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, der in einem Kolbengehäuse beweglich geführt und gegen dieses elastisch abgestützt ist, bei dem der Kolben einen Niederdruckraum aufweist, der über eine Axialöffnung in einem Kolbenboden mit einem von dem Kolbengehäuse und dem Kolben begrenzten Hochdruckraum verbunden ist, und mit einem zwischen den Druckräumen wirksamen Steuerventil, umfassend einen Ventilschließkörper, der an einen die Axialöffnung auf einer Kolbenbodenunterseite umgebenden Ventilsitz dichtend anlegbar ist und der in einem einen Schließkörperhub begrenzenden Element aufgenommen ist sowie eine den Ventilschließkörper in Öffnungsrichtung beaufschlagende Steuerventilfeder, wobei bei einer axialen Kollabierbewegung zwischen dem Kolben und dem Kolbengehäuse, bei welcher der Ventilschließkörper gegen die Wirkung der Steuerventilfeder über einen Druckaufbau im Hochdruckraum in Schließrichtung hydraulisch beaufschlagt wird, ein Leerhub erzeugt wird.
Zudem ist vorgesehen, dass über eine hochdruckraumseitig angeordnete Strömungsleiteinrichtung, umfassend ein Strömungsleitelement und einen Mitteldruckraum, der sich im Wesentlichen zwischen dem Strömungsleitelement und der Axialöffnung erstreckt, ein verzögerter Druckaufbau einstellbar ist.
Durch diese Anordnung wird eine Mitteldruck-Ventilschaltung des RSHVA – Steuerventils realisiert. Wesentliches Element ist dabei ein Strömungsleitelement, das den Hochdruckaufbau verzögert, indem sich oberhalb des Strömungsleitelementes zunächst ein Mitteldruckbereich etabliert. Dies bedeutet, dass in dem sich bei der axialen Kollabierbewegung des Ausgleichselementes an dem Schließkörper aufbauenden Druckgefälle zwischen dem Hochdruckraum und dem Niederdruckraum gezielt ein Mitteldruckraum angeordnet wird, der die Schließzeit des Steuerventils beeinflusst.
Die Schließzeit des Steuerventils hängt im Wesentlichen von einem Volumenstrom ab, der bei einer Kollabierbewegung des Ausgleichelementes vom Hochdruckraum in den Niederdruckraum fließt und dabei den Schließkörper hydrodynamisch und hydrostatisch beaufschlagt. Bei einer gegebenen Kollabiergeschwindigkeit v, die durch die Auslenkgeschwindigkeit eines beaufschlagenden Nockens v_N hervorgerufen wird, ist für den Volumenstrom dV/dt ein von der Strömungsgeometrie, insbesondere vom Querschnitt des Ausgleichselementes abhängender effektiver Strömungsquerschnitt A maßgebend. Das erfindungsgemäße Strömungsleitelement stellt in Wirkverbindung mit dem Mitteldruckraum ein wichtiges Element dar, diesen Strömungsquerschnitt A so einzustellen, dass sich daraus in der Folge ein bestimmter Leerhub ergibt. Dadurch besteht vorteilhaft die Möglichkeit, verschiedene Leerhübe für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung stellen zu können oder auch umgekehrt bei Ausgleichselementen mit verschiedenen Kolbendurchmessern bzw. verschiedenen Strömungsgeometrien deren Leerhub anzugleichen.
Eine besonders einfache Strömungsleiteinrichtung kann durch die Anordnung des Mitteldruckraums in einer gestuften Ausnehmung an der Kolbenbodenunterseite des Kolbenbodens und ein Strömungsleitelement, das als eine an der Kolbenbodenunterseite fixierte Scheibe mit Durchbrüchen ausgebildet ist, realisiert sein, wobei diese Strömungsleitscheibe über einen Kappenflansch einer herkömmlichen Schließkörperkappe, in welcher der Schließkörper aufgenommen ist, an der Kolbenbodenunterseite befestigt sein kann.
Die Strömungsleitscheibe kann grundsätzlich aus einem beliebigen festen Material, beispielsweise aus Stahlblech, hergestellt sein. Vorteilhaft sind auch andere Materialien, beispielsweise Kunststoffe oder Keramiken, die Gewichtsvorteile und/oder eine geringere Wärmeausdehnung aufweisen können. Die Strömungsleitscheibe trennt den Hochdruckraum von dem darüber liegenden Mitteldruckraum, mit der Folge, dass sich bei einem Druckaufbau bei der Kollabierbewegung des Ausgleichelementes zunächst der Druck unterhalb des Strömungsleitbleches aufbaut, wobei das Leitblech den Druckaufbau im Mitteldruckraum, der über die Axialöffnung mit dem Niederdruckraum verbunden ist, verzögert.
Der Grad der Verzögerung kann besonders effektiv mit Hilfe von Durchbrüchen gesteuert werden, die in der Strömungsleitscheibe angeordnet sind. Diese Durchbrüche können als einfache Bohrungen ausgeführt sein, die je nach Anzahl und Durchmesser sowie Durchtrittsgeometrie den Ölstrom mehr oder weniger reduzieren. Es sind aber auch andere Durchbruchgeometrien oder Durchbrüche mit klinkenartigen oder tellerfederartigen Klappen oder anderen aktiven Durchlasselementen möglich, die in Abhängigkeit eines momentanen Staudruckes und/oder ihrer Temperatur mehr oder weniger öffnen, wodurch eine weiter verfeinerte Mitteldruckschaltung eingestellt werden kann.
Weitere Leerhub-Einstellmöglichkeiten können durch eine bestimmte relative Positionierung der Durchbrüche des Strömungsleitelements zu den üblichen Öldurchlässen der Schließkörperkappe sowie durch eine gegenseitige Abstimmung der erläuterten Ausgestaltungen der Durchbrüche, der Federkraft der Steuerventilfeder und des Hubes des Schließkörpers vorgesehen sein. Alle diese Variationsmöglichkeiten können einzeln oder in Kombination angewandt werden, um eine möglichst der Vorgabe entsprechende exakte Leerhubeinstel lung zu erreichen und gleichzeitig unerwünschte Funktionsschwankungen möglichst weitgehend zu reduzieren.
Bei der Funktion der Strömungsleiteinrichtung ist das Zusammenwirken mit dem Ventilschließkörper zu berücksichtigen. Der Schließkörper muss sich bei seiner hydraulischen Beaufschlagung leicht von dem Kappenboden bzw. seiner Hubbegrenzung abheben und sich sicher an seinen Ventilsitz anlegen können. Andererseits muss zumindest zu Begin des Druckaufbaus eine ausreichende Trennung zwischen dem Mitteldruckraum und dem Hochdruckraum gewährleistet sein, um die angestrebte Druckaufbauverzögerung zur Axialöffnung hin zu bewirken.
Eine besonders effektive Trennung von Mitteldruckraum und Hochdruckraum, welche die Hubbewegung des Schließkörpers nicht behindert, kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass die Strömungsleitscheibe eine Mittenbohrung aufweist, in welcher der Ventilschließkörper mit einem Führungsspiel geführt ist. Die Führung verhindert zudem seitliche Verlagerungen des Schließkörpers, welche die Schließzeit unerwünscht beeinflussen könnten.
Der Ventilschließkörper kann als ein nadelförmiger, mit einer plattenförmigen Dichtfläche wirksamer Dichtkolben ausgebildet sein. Ein derartiger, lang gestreckter Ventilschließkörper wird über seinen gesamten Hub mit dem Führungsspiels von der Strömungsleitscheibe geführt, so dass zwischen dem Schließkörpermantel und dem Rand der Mittenbohrung kaum Öl in den Mitteldruckbereich strömt. Die hydraulische Beaufschlagung einer derartigen Ventilnadel wirkt eher hydrostatisch als hydrodynamisch und ist daher vergleichsweise leichter bestimmbar.
Durch Versenken der Steuerventilfeder in einer zentralen Ausnehmung des Dichtkolbens, wobei sich die Feder zwischen einem Rand der Axialöffnung des RSHVA – Kolbens und einem Boden der Ausnehmung abstützt, kann eine be sonders bauraumsparende Unterbringung der Feder und eine bessere Fixierung der Feder erreicht werden. Weiterhin kann der Einfluss der Steuerventilfeder auf die Strömungsgeometrie gegenüber einer Abstützung der Feder direkt im Mitteldruckraum zwischen der Plattenoberfläche des Ventilkörpers und dem Rand der Axialöffnung dadurch verringert werden, dass die Steuerventilfeder der Länge nach annähernd hälftig in der zentralen Ausnehmung des Dichtkolbens und in der Axialöffnung versenkt ist, wobei sich die Feder zwischen einer Stufe der Axialöffnung und dem Boden der Ausnehmung des Schließkörpers abstützt.
Die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung kann auch mit herkömmlichen Steuerventilkugeln als Schließkörper vorteilhaft eingesetzt werden. Dabei öffnet sich, im Gegensatz zur Ventilnadel, in dem Moment, in dem sich die Kugel bei der entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit des Öls in Richtung Ventilsitz bewegt, die Mittenbohrung im Strömungsleitelement, so dass nach einer vergleichsweise kürzeren Zeit im Mitteldruckbereich, der Hochdruckbereich geschaltet wird.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Strömungsleitelement als ein mit Durchbrüchen versehener Topf ausgebildet ist, in dem der Ventilschließkörper aufgenommen ist und der gleichzeitig als Hubbegrenzung analog einer Schließkörperkappe dient. Eine herkömmliche Schließkörperkappe kann dann entfallen ist, so dass zur Realisierung der Strömungsleiteinrichtung kein zusätzliches Bauteil erforderlich ist, welches sich kostengünstig, gewichtsgarend und montagefreundlich auswirkt. Dabei können die Durchbrüche zur Leerhubeinstellung im Bereich eines Flansches des Topfes angeordnet sein. Der Topfboden dient hierbei in bekannter Weise als Hubbegrenzung für den Stellweg des Ventilschließkörpers.
Der Strömungsleittopf kann in analoger Weise zur Schließkörperkappe mit dem Topfflansch an der Kolbenunterbodenseite befestigt sein, beispielsweise durch Fügen, Pressen, Kleben, Klemmen oder mit zusätzlichen Sicherungselementen. Der Mitteldruckbereich bildet sich im Wesentlichen oberhalb des Topfflansches aus.
Der Topfboden kann eine Mittenbohrung aufweisen, wobei deren Durchmesser zur Erfüllung der Funktion als Hubbegrenzung kleiner als der Durchmesser des Ventilschließkörpers ist. Im Falle einer Kugel als Ventilschließkörper ergibt sich analog zur Mittenbohrung einer Strömungsleitscheibe, dass sich die Mittenbohrung des Topfes zumindest teilweise öffnet, sobald sich die Kugel vom Topfboden abhebt, so dass eine vergleichsweise schnellere Umschaltung der Mitteldruck-Ventilschaltung zum Hochdruckbereich erreicht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt:
1 einen Abschnitt eines RSHVA mit einer Strömungsleiteinrichtung in einem Längsschnitt in geöffneter Steuerventilstellung,
1a einen Kolben des RSHVA gemäß 1 als Detail,
1b ein scheibenförmiges Strömungsleitelement des RSHVA gemäß 1 als vergrößertes Detail,
1c eine Schließkörperkappe des RSHVA gemäß 1 als vergrößertes Detail,
1d einen nadelförmigen Ventilschließkörper des RSHVA gemäß 1 als vergrößertes Detail,
2 eine zweite Ausführungsform des RSHVA in einem Längsschnitt in geöffneter Steuerventilstellung mit einer veränderten Ventilfeder-Lagerung,
2a einen Kolben des RSHVA gemäß 2 als Detail,
2b einen nadelförmigen Ventilschließkörper des RSHVA gemäß 2 als vergrößertes Detail,
3 eine dritte Ausführungsform des RSHVA in einem Längsschnitt in geöffneter Steuerventilstellung mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper,
3a die Ausführungsform des RSHVA gemäß 3 in geschlossener Steuerventilstellung,
3b einen Kolben des RSHVA gemäß 3 als Detail,
3c eine Schließkörperkappe des RSHVA gemäß 3, und
4 eine vierte Ausführungsform des RSHVA in einem Längsschnitt in geöffneter Steuerventilstellung mit einem topfartigen Strömungsleitelement.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Das in 1 gezeigte RSHVA ist vorteilhaft als ein hydraulischer Stößel 1, (Rollenstößel, Tassenstößel etc.) eines Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Aufbau und Funktionsweise derartiger hydraulischer Ventilspielausgleichselemente mit öffnender Steuerventilfeder sind an sich, insbesondere auch aus den eingangs erwähnten Druckschriften bekannt. Beispielhaft sei dazu auf die WO 2006 010 413 A1 verwiesen. Erfindungsgemäß weist der Stößel 1 zudem eine Strömungsleiteinrichtung 23 auf.
Bei dem Stößel 1 ist ein zylindrischer Kolben 2 in einem Kolbengehäuse 4 mit einem Dichtspiel axial beweglich geführt. Im Innern des Kolbens 2 ist ein als Ölreservoir dienender Niederdruckraum 3 ausgebildet, der über eine nicht dargestellte Ölzuführung mit Steueröl bzw. Motoröl versorgbar ist. Der Kolben 2 und das Gehäuse 4 begrenzen einen Hochdruckraum 5, dessen axiale Länge zum Ausgleich eines Ventilspiels durch eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Kolbenfeder 6, über die sich der Kolben 2 und das Gehäuse 4 elastisch aufeinander abstützen, variabel ist. Die genannten Druckräume 3 und 5 sind über eine als Kolbenbohrung ausgebildete Axialöffnung 7 in einem Kolbenboden 8 verbunden.
Die Kolbenbohrung 7 ist von einem Steuerventil 9 beaufschlagbar, das koaxial unterhalb der Kolbenbohrung 7 an einer Kolbenbodenunterseite 18 des Kolbenbodens 8 angeordnet ist. Das Steuerventil 9 ist über einen abwechselnden Hochdruckaufbau bzw. Druckausgleich zwischen den Druckräumen 3 und 5 abhängig von einer zyklischen Nockenbeaufschlagung des Stößels 1 im laufenden Betrieb des Ventiltriebes betätigbar.
Es umfasst einen Ventilschließkörper 10, in 1 d gesondert dargestellt, eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Steuerventilfeder 11 sowie eine an der Kolbenbodenunterseite 18 befestigte Schließkörperkappe 12, in 1c dargestellt, in welcher der Schließkörper 10 aufgenommen ist und deren Boden 16 als Hubbegrenzung des Schließkörpers 10 dient. Die Konstruktion und die Befestigung an einem Kolbenboden einer derartigen Schließkörperkappe ist insbesondere in der DE 10 2004 018 386 A1 der Anmelderin beschrieben.
Der Ventilschließkörper 10 ist vorteilhaft als ein lang gestreckter zylindrischer Körper, eine so genannte Ventilnadel, mit einer plattenförmigen Dichtfläche 13 ausgebildet, die mit einer planen Dichtfläche 14 eines die Kolbenbohrung 7 umgebenden Ventilsitzes 15 korrespondiert.
Die Steuerventilfeder 11 ist in einer zentrischen Ausnehmung 29 des Schließkörpers 10 zum Teil versenkt angeordnet und stützt sich zwischen deren Boden 33 und einem Rand 32 der Axialöffnung 7 ab, so dass in dem in 1 gezeigten geöffneten Ventilzustand der Schließkörper 10 mit einer Federvorspannkraft der Steuerventilfeder 11 gegen den als Hubbegrenzung wirksamen Boden 16 der Schließkörperkappe 12 gedrückt wird. Dadurch wird ein einem Schließkörperhub 17 entsprechender Öffnungsspalt zwischen dem Schließkörper 10 und dem Ventilsitz 15 freigegeben, der einen Ölfluss zwischen den Druckräumen 3 und 5 ermöglicht. Für einen effektiveren Transfer des Steueröls über die Windungen der Steuerventilfeder 11 durch die Kolbenbohrung 7 bei offenem Steuerventil 9 kann die Ausnehmung 29 im Schließkörper 10 eine zusätzliche nicht näher beschriebene seitliche Ausbuchtung 31 aufweisen.
Die 1a zeigt den Kolben 2 des RSHVA in gesonderter Darstellung. Darin sind zwei an der Kolbenbodenunterseite 18 ausgebildete zylindrische Ausnehmungen 19 und 20 erkennbar, die als gestufte Fortsetzungen der Kolbenbohrung 7 ausgebildet sind, wobei die obere Ausnehmung 19 einen geringeren Durchmesser aufweist als die untere Ausnehmung 20, jedoch im Durchmesser größer ist als die Kolbenbohrung 7. In die untere, nach innen etwas eingezogene Ausnehmung 20, kann die vorteilhaft federnd ausgebildete Schließkörperkappe 12 mit einem an der Schließkörperkappe 12 ausgebildeten kragenförmigen Kappenflansch 21 eingeclipst werden. Zwischen dem Kappenflansch 21 und einem Boden 22 des Kolbengehäuses 4 stützt sich die Kolbenfeder 6 ab, wodurch die Schließkörperkappe 12 zusätzlich an der Kolbenbodenunterseite 18 fixiert ist.
Die obere, ventilsitznahe Ausnehmung 19 fungiert als ein Mitteldruckraum und bildet erfindungsgemäß in Wirkverbindung mit einem Strömungsleitelement 24 die Strömungsleiteinrichtung 23. Das in der 1b gezeigte Strömungsleitelement 24 ist als eine vorteilhaft aus Stahlblech hergestellte Scheibe ausgebildet. Das Strömungsleitblech 24 weist als Bohrungen ausgebildete Durchbrüche 25 auf. Weiterhin ist eine Mittenbohrung 26 zur Aufnahme des Schließkörpers 10 mit einem radialen Führungsspiel vorgesehen.
Das Strömungsleitblech 24 ist mit dem Kappenflansch 21 an der Stufe der Ausnehmung 19 fixiert. Es kann auch separat fest mit dieser Stufe verbunden sein. Durch das Strömungsleitblech 24 fungiert die Ausnehmung 19 als ein Mitteldruckraum, in dem sich der hydraulische Druckaufbau über die Durchbrüche 25 vergleichsweise verzögert einstellt. Der Grad der Verzögerung ist durch die Größe, Geometrie und Anzahl der Bohrungen 25 sowie durch ihre Positionierung relativ zu einer oder mehreren Ausnehmungen 27 der Schließkörperkappe 12 schon bei der konstruktiven Auslegung bestimmbar.
Bei einem in der 2 gezeigten Stößel 1' mit einem Steuerventil 9' ist in dem Kolbenboden 8 eines Kolbens 2' (2a) eine gestufte zylindrische Erweiterung 28 der Axialöffnung 7 ausgebildet. Die Erweiterung 28 korrespondiert mit einer Ausnehmung 29' eines Schließkörpers 10' (2b), wobei die Steuerventilfeder 11 beidseitig in diesen Ausnehmungen 28 und 29' versenkt ist, und sich zwischen einem axialen Rand 34 der Erweiterung 28 und einem Boden 33' der Schließkörperausnehmung 29' abstützt.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem Stößel 1'' mit einem Steuerventil 9'' und einem Kolben 2'' (3b), bei dem anstelle der Ventilnadel 10, 10' eine Steuerventilkugel 10'' als Ventilschließkörper vorgesehen ist. In der 3 ist das Steuerventil in geöffnetem Zustand, in der 3a in geschlossenem Zustand gezeigt. Die Steuerventilkugel 10'' korrespondiert mit einem Kugelventilsitz 15' und ist in einer axial vergleichsweise flach bauenden Schließ körperkappe 12' (3c) aufgenommen. Ein Kappenboden 16' der Schließkörperkappe 12' ist nach innen gewölbt ausgebildet. Durch ein Nachdrücken der vorteilhaft plastisch verformbaren Wölbung kann ein Schließkörperhub der Steuerventilkugel 10'' nachgestellt werden.
Die Steuerventilfeder 11 stützt sich in Öffnungsrichtung zwischen der Steuerventilkugel 10'' und einer gestuften Erweiterung 30 der Kolbenbohrung 7 ab. Zusätzlich kann innerhalb der Kolbenbohrung 7 in Höhe der Steuerventilfeder 11 eine seitliche Ausbuchtung 31' ausgebildet sein. Der Mitteldruckraum 19 der Strömungsleiteinrichtung 23 weist ein entsprechend der unterschiedlichen Schließkörpergeometrie abweichenden freibleibenden Rauminhalt auf (3, 3a).
Schließlich zeigt die 4 eine vierte Ausführungsform mit einem Stößel 1'' mit einem Steuerventil 9'' und einer Strömungsleiteinrichtung 23'. Darin ist ein Strömungsleitelement 24' topfartig ausgebildet. In dem Topf 24' ist die Steuerventilkugel 10'' aufgenommen, so dass dieser die Hubbegrenzungsfunktion der herkömmlichen Schließkörperkappe übernimmt. Der Kolben 2' entspricht der Ausführungsform gemäß 3.
In einem Boden 35 weist der Topf 24' eine Mittenbohrung 26' auf, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Steuerventilkugel 10'' ist. Der Öltransfer erfolgt bei einer an der Mittenbohrung 26' anliegenden Kugel 10'' über die Durchbrüche 25 im Radialabschnitt des Strömungsleitelements 24'. Beim Abheben der Kugel 10'' von der Mittenbohrung 26' bei einer hydraulischen Beaufschlagung wird diese Mittenbohrung 26' freigegeben und steht für den Druckaufbau im Mitteldruckraum 19 zusätzlich zu den Durchbrüchen 25 zur Verfügung.
Zu der an sich bekannten Funktionsweise eines RSHVA ist als ein zusätzlicher Steuerungsmechanismus die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung 23, 23' wirksam:
Die geöffnete Ventilstellung, bei welcher der Schließkörper 10, 10', 10'' an seiner Hubbegrenzung anliegt, entspricht einer Nockenwellenstellung im Nockengrundkreis einer im Ventiltrieb rotierenden Nockenwelle. Bei einer folgenden Auslenkung einer Nockenerhebung wird der Stößel 1, 1', 1'', 1'' komprimiert, wodurch ein Druckaufbau im Hochdruckraum 5 einsetzt. Dabei wird der Schließkörper 10, 10', 10'' hydraulisch beaufschlagt, wobei das Steueröl vom Hochdruckraum 5 in Richtung Niederdruckraum 3 strömt. Bis die resultierende hydraulische Kraft auf den Schließkörper ausreicht, um die Vorspannkraft der Steuerventilfeder 11 zu überwinden, so dass der Schließkörper 10, 10', 10'' von seiner Hubbegrenzung, also dem Kappenboden 16, 16' bzw. dem Topfboden 35 abhebt und an den Ventilsitz 15, 15' dichtend anlegt, erzeugt der Stößel 1, 1', 1'' durch seine axiale Kollabierbewegung einen Leerhub, d.h. er kompensiert seine axiale Beaufschlagung.
Ein dabei auftretendes Druckgefälle in Schließrichtung wird über die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung 23, 23' bzw. gesteuert. Oberhalb des Strömungsleitelementes 24, 24' baut sich im Mitteldruckraum 19 zunächst ein vergleichsweise mittlerer Druck auf, da das Strömungsleitelement 24, 24' einen Hochdruckaufbau wie im restlichen Hochdruckraum 5 blockiert bzw. abschwächt. Wegen der Durchbrüche 25 wird der Hochdruck verzögert aufgebaut, da sich der Volumenstrom bzw. der Strömungsquerschnitt gegenüber einem ungehinderten Ölfluss verringert. Entsprechend verschiebt sich im Ergebnis der Schließzeitpunkt des Steuerventils 9, 9', 9'', 9'' und damit die Größe des Leerhubes. Die Einstellung bzw. Ausbildung der Durchbrüche 25, gegebenenfalls abgestimmt mit weiteren Parametern wie Schließkörperhub 17, Vorspannkraft der Steuerventilfeder 11 und Ausgestaltung der Ausnehmungen 27 in der Schließkörperkappe 12, 12', ermöglicht somit eine entsprechende Einstellung eines gewünschten Leerhubes.

1, 1', 1'', 1'': hydraulischer Stößel
2, 2', 2'': Kolben
3: Niederdruckraum
4: Kolbengehäuse
5: Hochdruckraum
6: Kolbenfeder
7: Axialöffnung
8: Kolbenboden
9, 9', 9'', 9'': Steuerventil
10, 10', 10'': Ventilschließkörper
11: Steuerventilfeder
12, 12': Schließkörperkappe
13: Dichtfläche des Schließkörpers 10, 10'
14: Dichtfläche des Ventilsitzes 15
15, 15': Ventilsitz
16, 16': Kappenboden
17: Schließkörperhub
18: Kolbenbodenunterseite
19: Mitteldruckraum
20: Ausnehmung des Kolbenbodens 8
21: Kappenflansch
22: Gehäuseboden
23, 23': Strömungsleiteinrichtung
24, 24': Strömungsleitelement
25: Durchbruch
26, 26': Mittenbohrung
27: Ausnehmung der Schließkörperkappe 12, 12'
28: Erweiterung der Axialöffnung 7
29, 29': Ausnehmung des Schließkörpers 10, 10'
30: Erweiterung der Axialöffnung 7
31, 31': Ausbuchtung
32: Rand der Axialöffnung 7
33, 33': Boden der Schließkörperausnehmung 29, 29'
34: Rand der Axialöffnungserweiterung 28
35: Topfboden

Claims

Hydraulisches Ventilspielausgleichselement mit Leerhubfunktion für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kolben (2, 2', 2''), der in einem Kolbengehäuse (4) beweglich geführt und gegen dieses elastisch abgestützt ist, bei dem der Kolben (2, 2', 2'') einen Niederdruckraum (3) aufweist, der über eine Axialöffnung (7) in einem Kolbenboden (8) mit einem von dem Kolbengehäuse (4) und dem Kolben (2, 2', 2'') begrenzten Hochdruckraum (5) verbunden ist, und mit einem zwischen den Druckräumen (3, 5) wirksamen Steuerventil (9, 9', 9'', 9''), umfassend einen Ventilschließkörper (10, 10', 10''), der an einen die Axialöffnung (7) auf einer Kolbenbodenunterseite (18) umgebenden Ventilsitz (15, 15') dichtend anlegbar ist und der in einem einen Schließkörperhub (17) begrenzenden Element (12, 12') aufgenommen ist sowie mit einer den Ventilschließkörper (10, 10', 10'') in Öffnungsrichtung beaufschlagende Steuerventilfeder (11), wobei bei einer axialen Kollabierbewegung zwischen dem Kolben (2, 2', 2'') und dem Kolbengehäuse (4), bei der der Ventilschließkörper (10, 10', 10'') gegen die Wirkung der Steuerventilfeder (11) über einen Druckaufbau im Hochdruckraum (5) in Schließrichtung hydraulisch beaufschlagt wird, ein Leerhub erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine hochdruckraumseitig angeordnete Strömungsleiteinrichtung (23, 23'), umfassend ein Strömungsleitelement (24, 24') und einen Mitteldruckraum (19), der sich im Wesentlichen zwischen dem Strömungsleitelement (24, 24') und der Axialöffnung (7) erstreckt, ein verzögerter Druckaufbau einstellbar ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteldruckraum (19) in einer gestuften Ausnehmung an der Kolbenbodenunterseite (18) des Kolbenbodens (8) angeordnet ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (24) an der Kolbenbodenunterseite (18) fixiert ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (24) als eine Scheibe ausgebildet ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitscheibe (24) über einen Kappenflansch (21) einer Schließkörperkappe (12, 12'), in welcher der Ventilschließkörper (10, 10', 10'') aufgenommen ist, an der Kolbenbodenunterseite (18) befestigt ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (24, 24') zur Einstellung des verzögerten Druckaufbaus wenigstens einen Durchbruch (25) aufweist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Durchbrüche (25) als Bohrungen ausgebildet sind.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Durchbrüche tellerfederartig wirksame Klappen aufweisen.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Durchbrüche klinkenartig wirksame Klappen aufweisen.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufbau über eine relative Positionierung des wenigstens einen Durchbruchs (25) des Strömungsleitelements (24, 24') zu einer oder mehreren Ausnehmungen (27) der Schließkörperkappe (12, 12') einstellbar ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitscheibe (24) eine Mittenbohrung (26) aufweist, in welcher der Ventilschließkörper (10, 10', 10'') mit einem Führungsspiel geführt ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (10, 10') als ein nadelförmiger, mit einer plattenförmigen Dichtfläche (13) wirksamer Dichtkolben ausgebildet ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilfeder (11) in einer zentralen Ausnehmung (29) des Dichtkolbens (10) koaxial zu der Axialöffnung (7) teilweise versenkt angeordnet ist, und sich zwischen einem Rand (32) der Axialöffnung (7) und einem Boden (33) der Ausnehmung (29) abstützt.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilfeder (11) der Länge nach annähernd hälftig in einer zentralen Ausnehmung (29') des Dichtkolbens (10') und in einer Erweiterung (28) der Axialöffnung (7) versenkt ist, und sich zwischen einem Rand (34) der Erweiterung (28) der Axialöffnung (7) und einem Boden (33') der Ausnehmung (29') abstützt.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (10'') als eine Kugel ausgebildet ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (24') als ein mit Durchbrüchen (25) versehener Topf ausgebildet ist, in dem der Ventilschließkörper (10'') aufgenommen ist, und der gleichzeitig als eine Hubbegrenzung des Ventilschließkörpers (10'') wirksam ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleittopf (24') eine Mittenbohrung (26') aufweist, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Ventilschließkörpers (10'') ist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgestaltung des oder der Durchbrüche (25) des Strömungsleitelementes (24, 24') und/oder die Federkraft der Steuerventilfeder (11) und/oder der Schließkörperhub (17) des Ventilschließkörpers (10, 10', 10'') aufeinander abgestimmt sind.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (24, 24') aus einem beliebigen festen Material hergestellt ist.