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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Drosselventil für eine Brennkraftmaschine
mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung zur variablen Betätigung
eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils.
Die Ventilsteuerung weist eine gaswechselventilferne Antriebsseite
mit einer hydraulischen Geberkammer und eine gaswechselventilnahe
Abtriebsseite mit einer hydraulischen Nehmerkammer auf, die über
einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad hydraulisch mit der
Geberkammer kommuniziert. Das Drosselventil weist einen in Stromrichtung
hubbeweglichen Ventilkörper auf, der zwischen einer ortsfest
im Nebenstrompfad verlaufenden nehmerkammerseitigen Anschlagfläche
und einer ortsfest im Nebenstrompfad verlaufenden geberkammerseitigen
Anschlagfläche angeordnet ist und der bei Anlage an der
nehmerkammerseitigen Anschlagfläche einen von der geberkammerseitigen Anschlagfläche
begrenzten Zuflussquerschnitt freigibt und der bei Anlage an der
geberkammerseitigen Anschlagfläche den Zuflussquerschnitt
bis auf einen Drosselquerschnitt verschließt.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
elektrohydraulischen Ventilsteuerungen kommen zur Erzeugung akustisch
und mechanisch akzeptabler Aufsetzgeschwindigkeiten der Gaswechselventile
in der Regel sogenannte hydraulische Ventilbremsen zum Einsatz.
Diese basieren auf dem Prinzip, dass in der finalen Schließphase
des durch Federkraft beaufschlagten Gaswechselventils das aus der
Nehmerkammer zu verdrängende Hydraulikmittelvolumen nur
noch vergleichsweise langsam über einen definierten Drosselquerschnitt
in Richtung der Geberkammer entweichen kann. Dementsprechend wird
das Gaswechselventil kurz vor Erreichen des Ventilsitzes auf eine
vergleichsweise kleine Aufsetzgeschwindigkeit abgebremst.
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Während
hydraulische Ventilbremsen in diversen konstruktiven Ausgestaltungen
im Stand der Technik bekannt sind, geht ein als hydraulische Ventilbremse
dienendes Drosselventil der eingangs genannten Art aus der als gattungsbildend
betrachteten
US 5,577,468 hervor.
Das dort im Nebenstrompfad eingesetzte Drosselventil dient der gedrosselten
Entleerung der Nehmerkammer in der finalen Schließphase
des Gaswechselventils, indem dann sowohl der Hauptstromfahrt als
auch der Zuflussquerschnitt im Nebenstrompfad bis auf einen verbleibenden Drosselquerschnitt
verschlossen sind, über welchen das Hydraulikmittel aus
der Nehmerkammer entweichen kann. Demgegenüber lässt
das Drosselventil in der initialen Öffnungsphase des Gaswechselventils zugunsten
dessen hoher Öffnungsbeschleunigung eine drosselarme und
somit schnelle Befüllung der Nehmerkammer zu, indem dann
der Zuflussquerschnitt bereits vor dem Öffnen des Hauptstrompfades geöffnet
ist. Zentrales Bauteil des in der zitierten Druckschrift vorgeschlagenen
Drosselventils ist ein als Platte ausgebildeter Ventilkörper,
wobei der Drosselquerschnitt entweder durch eine zentrale Bohrung durch
die Platte oder durch eine lokale Sicke an deren Oberfläche
gebildet ist.
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Obwohl
die Drosselcharakteristik einer kleinen und insbesondere kurzen
Bohrung einer Blende mit idealerweise viskositätsunabhängiger
Drosselung recht nahe kommt, besteht aufgrund des kleinen Drosselquerschnitts
stets das erhöh te Risiko eines Zusetzens oder Verstopfens
der Bohrung mit Schmutzpartikeln im Hydraulikmittel und dementsprechend
eines Ausfalls der hydraulischen Ventilbremsfunktion.
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Die
zu der Bohrung alternativ vorgesehene Einformung auf der Plattenoberfläche
weist den Nachteil auf, dass die Platte stets mit der richtigen Orientierung,
d. h. mit der Einformung gegenüberliegend zur geberkammerseitigen
Anschlagfläche, montiert werden muss, da die gegenüberliegende Oberfläche
der Platte mit deutlich größeren Einformungen,
die den Durchflussquerschnitt zur Nehmerkammer bilden, versehen
ist. Folglich wäre die hydraulische Ventilbremsfunktion
bei einer Fehlmontage der Platte ebenfalls nicht gegeben.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drosselventil
der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die genannten Nachteile
mit einfachen Mitteln beseitigt sind. Demnach soll einerseits die
Funktion des Drosselventils als hydraulische Ventilbremse innerhalb
der für Brennkraftmaschinen üblichen Lebensdauererwartung
zuverlässig eingehalten werden können und andererseits
die Herstellung des Drosselventils unter Großserienbedingungen
kostengünstig und hinsichtlich einer Fehlmontage des Ventilkörpers
robust sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar
sind. Demnach soll der Drosselquerschnitt durch eine oder mehrere
sickenartige Einformungen in der geberkammerseitigen Anschlagfläche
gebildet sein. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Drosselquerschnitt
nicht im Ventilkörper selbst, sondern auf der geberkammerseitigen
Anschlagfläche in Form der sickenartigen, d. h. zurückspringenden
Einformungen anzuordnen.
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Ein
wesentlicher Vorteil gegenüber der aus dem zitierten Stand
der Technik bekannten Bohrung in der Platte besteht in der deutlich
geringeren Empfindlichkeit der Einformungen hinsichtlich eines Zusetzens
oder Verstopfens mit Schmutzpartikeln, da die Einformungen auch
bei Anlage des Ventilkörpers an der nehmerkammerseitigen
Anschlagfläche, d. h. bei freigegebenem Zuflussquerschnitt
durch das dann in die Nehmerkammer eintretende Hydraulikmittel strömungsbeaufschlagt
sind. Folglich können Schmutzpartikel, die sich eventuell
während der finalen Schließphase des Gaswechselventils
in den Einformungen ablagern, während der darauf folgenden Öffnungsphase
des Gaswechselventils wieder aus den Einformungen ausgespült
werden.
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Der
in der geberkammerseitigen Anschlagfläche gebildete Drosselquerschnitt
weist gegenüber der bekannten Platte mit Drosselquerschnitt
auf deren Oberfläche vor allem den Vorteil auf, dass der Ventilkörper
symmetrisch und im Falle einer Platte mit identischen Oberflächen
ausgebildet und folglich mit beliebiger Orientierung montiert werden
kann. Dabei ist die Geometrie des Ventilkörpers in weiten Grenzen
frei wählbar, so dass anstelle der bekannten Platte beispielsweise
auch eine Kugel oder ein kegelförmiger Ventilkörper
einsetzbar ist.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einformungen
einen im wesentlichen kreissegmentförmigen Querschnitt
mit einer Tiefe von 0,03 mm bis 0,09 mm und vorzugsweise von 0,05
mm bis 0,07 mm aufweisen. Im Hinblick auf hohe Werkzeugstandzeiten
ist diese Gestaltung der Einformungen insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die Einformungen spanlos durch Prägen hergestellt sind.
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Außerdem
soll das Drosselventil als den Ventilkörper und ein Ventilgehäuse
mit den darin verlaufenden Anschlagflächen umfassende Baueinheit ausgebildet
sein. Wie es auch an einem später erläuterten
Ausführungsbeispiel der Erfindung deutlich wird, kann es
erforderlich sein, das Drosselventil als Hochpräzisionsteil
separat zu einer gaswechselventilseitigen Nehmereinheit zu fertigen
und als Baueinheit in die Brennkraftmaschine zu montieren. In einer zweckmäßigen
Ausgestaltung ist das Ventilgehäuse zweiteilig mit einem
Ventilträger und einer Buchse ausgebildet, wobei die Buchse
in einer nehmerkammerseitigen hohlzylindrischen Ausnehmung des Ventilträgers
eingesetzt ist. Dabei sind die geberkammerseitige Anschlagfläche
durch einen Boden der Ausnehmung und die nehmerkammerseitige Anschlagfläche
durch eine dem Boden zugewandte Ringstirnfläche der Buchse
gebildet.
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Ferner
soll die Buchse zur axialen Lagefixierung im Ventilgehäuse
mit einem Bund, der an einer der Nehmerkammer zugewandten Stirnfläche
des Ventilträgers anliegt, versehen sein.
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Ein
ausreichender Durchflussquerschnitt für das in die Nehmerkammer
einströmende Hydraulikmittel kann fertigungstechnisch besonders
einfach dadurch erzeugt werden, wenn der Ventilkörper als ebene
Platte ausgebildet ist und bei Anlage an der Ringstirnfläche
der Buchse den von der Ringstirnfläche begrenzten Durchflussquerschnitt
nur teilweise verdeckt. Mit anderen Worten können einerseits
die Platte als einfaches Stanzteil und andererseits die Ringstirnfläche
der Buchse vollständig eben ausgeführt sein, so
dass trotz der Dichtwirkung im Kontaktbereich dieser beiden Teile
der für ein schnelles Befüllen der Nehmerkammer
erforderliche Durchflussquerschnitt verbleibt. Dabei entspricht
eine bevorzugte Form der Platte im wesentlichen einem Rechteck mit
sich gegenüberliegend daran anschließenden Kreissegmenten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
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1 einen
für die Erläuterung der Erfindung hilfreichen
Längsschnitt durch die Nehmerseite einer elektrohydraulischen
Ventilsteuerung;
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2 einen
Längsschnitt durch ein als Baueinheit ausgeführtes
Drosselventil, wobei der Ventilkörper an der nehmerkammerseitigen
Anschlagfläche anliegt;
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3 eine
Untersicht des Ventilgehäuses gemäß 2;
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4 das
Drosselventil gemäß 2, wobei der
Ventilkörper an der geberkammerseitigen Anschlagfläche
anliegt und
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5 eine
perspektivische Ansicht des Ventilkörpers und einer Buchse
als Teil der Baueinheit gemäß 2.
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Ausführliche Beschreibung
der Zeichnungen
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In 1 ist
ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher
Ausschnitt einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung 1 zur
variablen Betätigung eines in Schließrichtung
federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils 2 offenbart.
Dargestellt ist ein in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
montiertes Aktuatorgehäuse 3 mit einer Aufnahmebohrung 4,
in die ein Nehmergehäuse 5 eingeschraubt ist.
Das Nehmergehäuse 5 dient zur längsbeweglichen
Lagerung eines langgestreckten Arbeitskolbens 6 einer ansonsten
bekannten hydraulischen Ventilspielausgleichsvorrichtung 7,
die das Schaftende des Gaswechselventils 2 kontaktiert.
Die Hydraulikmittelversorgung der Ventilspielausgleichsvorrichtung 7 erfolgt über
eine an den Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossene
Versorgungsbohrung 8 und eine Stichbohrung 9 im
Aktuatorgehäuse 3, eine äußere
Ringnut 10 und eine mit dieser – hier nicht sichtbar – verbundene
innere Ringnut 11 im Nehmergehäuse 5 sowie
eine Querbohrung 12 im Arbeitskolben 6. Ein mit
dem Arbeitskolben 6 mitbewegter Nehmerkolben 13 begrenzt
mit seiner dem Gaswechselventil 2 abgewandten Stirnseite 14 eine hydraulische
Nehmerkammer 15, deren Volumen in der hier dargestellten
geschlossenen Position des Gaswechselventils 2 lediglich
dem Innenraum eines – hier nicht im Schnitt dargestellten – Drosselventils 16 entspricht.
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Die
bekanntermaßen auf der gaswechselventilnahen Abtriebsseite
der Ventilsteuerung 1 befindliche Nehmerkammer 15 ist über
einen Hauptstrompfad 17 in Form von Bohrungen 18 im
Nehmergehäuse 5 sowie über einen Nebenstrompfad 19 in Form
des Drosselventils 16 und einer zur Aufnahmebohrung 4 exzentrischen
Ausnehmung 20 im Aktuatorgehäuse 3 an
eine auf der gaswechselventilfernen Antriebsseite der Ventilsteuerung 1 verlaufende
Geberkammer 21 angeschlossen. Diese ist hier nur in Form
einer Zulaufbohrung 22 im Aktuatorgehäuse 3 und
einer Ringkammer 23 zwischen dem Aktuatorgehäuse 3 und
dem Nehmergehäuse 5 sichtbar.
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Das
im Nebenstrompfad ortsfest eingesetzte Drosselventil 16 dient
als hydraulische Ventilbremse, indem es das Gaswechselventil 2 in
dessen finaler Schließphase, d. h. kurz vor Erreichen seiner
geschlossenen Stellung auf eine nach akustischen und mechanischen
Kriterien vorgegebene Aufsetzgeschwindigkeit abbremst. Die finale
Schließphase beginnt zu dem Zeitpunkt, wenn die Bohrungen 18 im Nehmergehäuse 5 gerade
durch den zurückkehrenden Nehmerkolben 13 verschlossen
werden und folglich das Hydraulikmittel nur noch über das
Drosselventil 16 aus der Nehmerkammer 15 entweichen kann.
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Gemäß den 2, 3 und 5 ist
das Drosselventil 16 als Baueinheit ausgebildet und umfasst
ein zweiteiliges Ventilgehäuse 24 mit einem Ventilträger 25 und
einer Buchse 26, die in einer nehmerkammerseitigen hohlzylindrischen
Ausnehmung 27 des Ventilträgers 25 eingesetzt
ist, sowie einen hier als ebene Platte ausgebildeten Ventilkörper 28, der
in Stromrichtung des Hydraulikmittels zwischen einer nehmerkammerseitigen
Anschlagfläche 29 und einer geberkammerseitigen
Anschlagfläche 30 hubbeweglich angeordnet ist.
Dabei sind die geberkammerseitige Anschlagfläche 30 durch
einen Boden 31 der Ausnehmung 27 und die nehmerkammerseitige Anschlagfläche 29 durch
eine dem Boden 31 zugewandte Ringstirnfläche 32 der
Buchse 26 gebildet. Ferner ist die Buchse 26 mit
einem Bund 33 versehen, der an einer der Nehmerkammer 15 zugewandten
Stirnfläche 34 des Ventilträgers 25 anliegt.
Der Ventilträger 25 weist ebenfalls einen radial
auswärts gerichteten Bund 35 auf, so dass das Drosselventil 16,
wie in 1 erkennbar, zwischen der gaswechselventilfernen
Stirnseite 36 des Nehmergehäuses 5 und
einer Schulter 37 der Aufnahmebohrung 4 eingespannt
werden kann.
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In
der in 2 dargestellten Anschlagsposition der Platte 28,
bei welcher diese an der nehmerkammerseitigen Anschlagfläche 29 anliegt,
wird ein von der geberkammerseitigen Anschlagfläche 30 begrenzter
Zuflussquerschnitt 38 freigegeben. Wie es in Verbindung
mit der perspektivischen Darstellung der Platte 28 und
der Buchse 26 in 5 erkennbar ist,
kann das Hydraulikmittel in dieser Stellung der Platte 28 weitgehend
ungedrosselt in die Nehmerkammer 15 einströmen,
indem die Platte 28 einen von der Ringstirnfläche 32 der
Buchse 26 begrenzten Durchflussquerschnitt 39 nur
teilweise verdeckt. Hierzu weist die Platte 28 eine Formgebung
entsprechend einem Rechteck mit sich gegenüberliegend daran
anschließenden und mit der Ringstirnfläche 32 bündig
abschließenden Kreissegmenten auf.
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In
der in 3 dargestellten Untersicht auf den Ventilträger 25 ist
die durch den Boden 31 der Ausnehmung 27 gebildete
geberkammerseitige Anschlagfläche 30 mit zwei
diametral gegenüberliegenden sickenartigen Einformungen 40 zu
erkennen. Wie aus 4 hervorgeht, wird im Falle
der an der geberkammerseitigen Anschlagfläche 30 anliegenden
Platte 28 der Zuflussquerschnitt 38 im Ventilträger 25 bis
auf einen durch die Einformungen 40 gebildeten Drosselquerschnitt
verschlossen. Dieser Zustand tritt bei schließendem Gaswechselventil 2 auf, wobei
das in der Nehmerkammer 15 befindliche Hydraulikmittel
zunächst hauptsächlich über die Bohrungen 18 im
Nehmergehäuse 5 verdrängt wird und anschließend,
wenn die Bohrungen 18 durch den Nehmerkolben 13 verschlossen
sind, nur noch durch die Einformungen 40 in die Geberkammer 21 bei
entsprechender Verzögerung des Gaswechselventils 2 entweichen
kann.
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Die
spanlos durch Prägen des Ventilträgers 25 hergestellten
Einformungen 40 weisen im Hinblick auf eine hohe Standzeit
des Prägewerkzeugs einen im wesentlichen kreissegmentförmigen
Querschnitt mit einer Tiefe von lediglich 0,05 mm bis 0,07 mm auf. In
Abhängigkeit der erwünschten Verzögerungscha rakteristik
des Gaswechselventils 2 kann der den Einformungen 40 entsprechende
Drosselquerschnitt abweichend von dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
des Drosselventils 16 auch durch lediglich eine oder mehr
als zwei Einformungen 40 gebildet sein, die ggf. auch einen
nicht kreissegmentförmigen Querschnitt und/oder eine von
dem angegebenen Bereich deutlich abweichende Tiefe aufweisen.
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- 1
- Ventilsteuerung
- 2
- Gaswechselventil
- 3
- Aktuatorgehäuse
- 4
- Aufnahmebohrung
- 5
- Nehmergehäuse
- 6
- Arbeitskolben
- 7
- Ventilspielausgleichsvorrichtung
- 8
- Versorgungsbohrung
- 9
- Stichbohrung
- 10
- äußere
Ringnut
- 11
- innere
Ringnut
- 12
- Querbohrung
- 13
- Nehmerkolben
- 14
- Stirnseite
des Nehmerkolbens
- 15
- Nehmerkammer
- 16
- Drosselventil
- 17
- Hauptstrompfad
- 18
- Bohrung
- 19
- Nebenstrompfad
- 20
- exzentrische
Ausnehmung
- 21
- Geberkammer
- 22
- Zulaufbohrung
- 23
- Ringkammer
- 24
- Ventilgehäuse
- 25
- Ventilträger
- 26
- Buchse
- 27
- hohlzylindrische
Ausnehmung
- 28
- Ventilkörper/Platte
- 29
- nehmerkammerseitige
Anschlagfläche
- 30
- geberkammerseitige
Anschlagfläche
- 31
- Boden
der hohlzylindrischen Ausnehmung
- 32
- Ringstirnfläche
der Buchse
- 33
- Bund
der Buchse
- 34
- Stirnfläche
des Ventilträgers
- 35
- Bund
des Ventilträgers
- 36
- gaswechselventilferne
Stirnseite des Nehmergehäuses
- 37
- Schulter
der Aufnahmebohrung
- 38
- Zuflussquerschnitt
- 39
- Durchflussquerschnitt
- 40
- Einformung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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