DE102009036775A1

DE102009036775A1 - Steuertrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009036775A1
Application number: DE102009036775A
Authority: DE
Inventors: Norbert Geyer; Peter Sailer; Christopher Schmidt; Volker Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-08
Filing date: 2009-08-08
Publication date: 2011-02-10

Abstract

Ein Steuertrieb einer Brennkraftmaschine mit hydraulischen Ventilspielausgleichselementen, bei welchem ein Element jeweils in einem Aufnahmeraum der Maschine längsverschieblich geführt ist und einen Kolben enthält, über den es mit einem Gaswechselventil der Brennkraftmaschine kraftschlüssig verbunden ist, wobei in dem Gehäuse als Steuerventil ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches als Schließkörper eine Ventilkugel enthält, die an einem an dem Kolben ausgebildeten Ventilsitz anlegbar ist und sich in einem Kugelkäfig befindet, ist erfindungsgemäß die Ventilkugel aus einem Leichtbauwerkstoff hergestellt und hat einen Durchmesser aus dem Bereich von 2,00 mm bis 5,50 mm, wobei eine Rückschlagventilfeder, die mit einem Ende an der Ventilkugel und mit dem anderen Ende an dem Kugelkäfig abgestützt ist, für einen Hub der Ventilkugel aus dem Bereich von 0,15 mm bis 0,80 mm ausgelegt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Steuertrieb einer Brennkraftmaschine mit hydraulischen Ventilspielausgleichselementen, bei welchem ein Element jeweils ein kreiszylindrisches Gehäuse enthält, das in einem Aufnahmeraum der Maschine bewegt, und zwar längsverschieblich geführt, sowie an einem axialen Ende von einem Nocken einer Nockenwelle beaufschlagt ist, wobei das Ventilspielausgleichselement einen in dem Gehäuse axial verschiebbaren Kolben enthält und über diesen oder über das Gehäuse mit einem Gaswechselventil der Brennkraftmaschine unmittelbar oder über weitere mit Kontaktflächen versehene Ventiltriebsbauteile kraftschlüssig verbunden ist, wobei außerdem in dem Gehäuse als Steuerventil ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches als Schließkörper eine Ventilkugel enthält, die an einem an dem Kolben ausgebildeten Ventilsitz anlegbar und in einem in dem Gehäuse angeordneten Kugelkäfig eingesetzt ist.
Hintergrund der Erfindung
Hydraulische Ventilspielausgleichselemente dienen dem Ausgleich des Spiels, das sich bei der Übertragung des Nockenhubes von einer Nockenwelle auf ein Gaswechselventil des Verbrennungsmotors zwischen den Übertragungselementen infolge von Verschleiß oder Wärmedehnung bildet. Durch die Verwendung des Ausgleichselementes sollen eine geräusch- und verschleißarme Arbeitsweise des Ventiltriebes und eine größtmögliche Übereinstimmung der Nockenerhebung mit dem Hub des Gaswechselventils erreicht werden. Solche Ausgleichselemente besitzen jeweils ein als Rückschlagventil ausgebildetes Steuerventil, das einen Schließkörper, beispielsweise eine Kugel, und eine Steuerventilfeder aufweist, welche auf den Schließkörper einwirkt. Bei der Standardbauweise des Steuerventils ist der Schließkörper von der Steuerventilfeder in Schließrichtung beaufschlagt. Dadurch ist das Steuerventil überwiegend geschlossen.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 062 172 A1 ist ein Steuertrieb der eingangs genannten Art bekannt, dessen Ventilspielausgleichselement eine Ventilkugel enthält, über deren Werkstoff keine Angaben gemacht sind. Es kann daher angenommen werden, dass hier die Ventilkugel wie üblich aus Stahl besteht. Aufgrund der Masse der Ventilkugel kann bei diesem Ausgleichselement im Betrieb eine hohe dynamische Anregung und/oder ein kleines Zeitfenster für den Ausgleichsvorgang auftreten, was zu Fehlfunktionen des hydraulischen Ventilspielausgleichselementes führen kann.
Die Druckschrift DE 28 24 873 A1 beschreibt ein gasdichtes Kugelventil, bei dem die Ventilkugel aus einer Sinterkeramik Si₃N₄ oder Al₂O₃, oder aus einem Saphir oder Rubinwerkstoff besteht, wobei der Kugeldurchmesser 1,5 mm beträgt. Über das genaue Anwendungsgebiet eines solchen Ventils sind dieser Druckschrift Angaben nicht zu entnehmen. Es ist dort lediglich gesagt, dass mit dem Kugelventil eine Gasdichtheit für Drücke bis zu 600 bar erzielt werden könnten.
Aus der Druckschrift EP 1 967 704 A1 ist ein Steuertrieb bekannt, der sich von dem eingangs genannten Steuertrieb dadurch unterscheidet, dass das kreiszylindrische Gehäuse seines Ventilspielausgleichselementes in dem Aufnahmeraum der Brennkraftmaschine nicht bewegt wird, sondern feststeht, wie 1 zeigt. Daher wird hier die Ventilkugel im Betrieb dynamisch weniger beansprucht, als bei dem anmeldungsgemäßen Steuertrieb. In der Druckschrift ist erwähnt, dass der Ventilkörper aus einem keramischen Material hergestellt ist, welches Silikonnitrid enthält, damit er eine große Härte aufweist, um beim Auftreffen auf dem Ventilsitz nicht zerstört zu werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Steuertrieb einer Brennkraftmaschine mit bewegten Ventiltriebskomponenten die Funktionalität des für den Ventilspielausgleich jeweils verwendeten Hydraulikelementes zu gewährleisten bzw. zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ventilkugel aus einem Leichtbauwerkstoff hergestellt ist und einen Durchmesser aus dem Bereich von 2,00 mm bis 5,50 mm aufweist, wobei eine Rückschlagventilfeder, die als Druckfeder mit einem Ende an der Ventilkugel, an deren von dem Ventilsitz abgewandter Seite, und mit dem anderen Ende an dem Kugelkäfig abgestützt ist, für einen Hub der Ventilkugel aus dem Bereich von 0,15 mm bis 0,80 mm ausgelegt ist.
Der Leichtbauwerkstoff der Ventilkugel kann beispielsweise ein keramischer Werkstoff, wie Si3N4 oder Al2O3, ein Glaswerkstoff oder ein Kunststoff sein. Es kann auch eine Hohlkugel verwendet werden. Die Rückschlagventilfeder kann eine Federkraft aus dem Bereich von 0,1 N bis 1,0 N aufweisen.
Bevorzugt kann das Ventilspielausgleichselement in der Form eines Tassenstößels ausgeführt sein, mit einem äußeren Gehäuse und einem darin konzentrisch angeordneten Hydraulikelement, welches aus einem inneren Gehäuse und dem darin passend und längsverschieblich eingesetzten Kolben mit dem Rückschlagventil besteht, wobei der Ventilsitz für die Ventilkugel an einem Kolbenboden ausgebildet ist, an welchem der Kugelkäfig von einer Rückstellfeder gehalten ist. Dabei kann die Rückstellfeder eine Federkraft aus dem Bereich von 6 N bis 30 N aufweisen.
Die bei dem Steuertrieb zu verwendenden bewegten Ventilspielausgleichselemente können außer Tassenstößel z. B. auch Einsteckelemente, Rollenstößel oder Flachstößel sein. Sie können sowohl als schaltbare als auch als nicht-schaltbare Ventilspielausgleichselemente ausgeführt sein.
Die Auswirkungen der Verwendung der Ventilkugel aus einem Leichtbauwerkstoff in Verbindung mit einer erfindungsgemäß ausgelegten Rückschlagventilfeder bestehen in geringeren Vorhubverlusten des Ventiltriebes, einer kürzeren Reaktionszeit des Gaswechselventils, einem dynamisch stabileren Öffnungs- und Schließverhalten des Gaswechselventils beim Ausgleichsvorgang, einem stabileren Schließverhalten bei hoher Anregung des Rückschlagventils während der Hubphase und einer geringeren Anfälligkeit gegen Querkräfte bei Schwenkbewegungen des hydraulischen Ventilspielausgleichselementes im Vergleich mit herkömmlichen Steuertrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Vergleich mit einem Steuertrieb einer Brennkraftmaschine nach dem vorbekannten Stand der Technik im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes hydraulisches Ventilspielausgleichselement in der Form eines Tassenstößels, teilweise in der Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt;
2 eine gegenüber 1 vergrößerte Darstellung des Hydraulikelementes des Ventilspielausgleichselementes;
3 eine perspektivische Ansicht des Ventilspielausgleichselementes nach 1 im aufgeschnittenen Zustand;
4 eine perspektivische Ansicht des Hydraulikelementes nach 2 im aufgeschnittenen Zustand;
5 einen in einer Brennkraftmaschine eingebauten Steuertrieb mit einem vorbekannten Ventilspielausgleichselement, im Längsschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das in 5 dargestellte hydraulische Ventilspielausgleichselement 1 nach dem vorbekannten Stand der Technik ist in den Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine 2 eingebaut. Es ist als Nockenfolger in der Form eines Tassenstößels ausgeführt, mit einem kreiszylindrischen äußeren Gehäuse 3, welches in einer Bohrung der Brennkraftmaschine 2 passend und längsverschieblich angeordnet ist. Das äußere Gehäuse 3 ist am oberen Ende mit einem Boden 4 verschlossen, auf dessen Außenseite ein Nocken 5 einer Nockenwelle 6 einwirkt. In dem äußeren Gehäuse 3 ist ein kreiszylindrisches Hydraulikelement 7 konzentrisch angeordnet. Dieses stützt sich in axialer Richtung mit seinem oberen Ende an dem Boden 4 des äußeren Gehäuses 3 und mit seinem unteren Ende an einem Ventilstößel 8 des Gaswechselventils ab. Der Ventilstößel 8 ist von einer auf ihn in Richtung des Hydraulikelementes 7 einwirkenden Druckfeder 9 umgeben.
Das in den 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße hydraulische Ventilspielausgleichselement 10 weist als Tassenstößel ein kreiszylindrisches äußeres Gehäuse 11 mit einem am oberen Ende angeordneten Boden 12 auf. In dem äußeren Gehäuse 11 ist ein Hydraulikelement 13 konzentrisch angeordnet, welches ein inneres Gehäuse 14 und einen Kolben 15 enthält. Das innere Gehäuse 14 des Ventilspielausgleichselementes 10 und der Kolben 15 sind ebenfalls kreiszylindrische Bauteile. Der Kolben 15 ist in das innere Gehäuse 14 teilweise eingesteckt und dort mit Dichtspiel längsverschieblich geführt. Mit seinem oberen Ende ist der Kolben 15 an der Innenseite des Bodens 12 abgestützt. Im Bereich seines unteren Endes weist der Kolben 15 einen Kolbenboden 16 auf, durch den in dem Hydraulikelement 13 ein Niederdruckraum 17 von einem Hochdruckraum 18 getrennt ist. Der Niederdruckraum 17 ist von dem Innenraum des Kolbens 15 gebildet und oberhalb des Kolbenbodens 16 angeordnet. Er dient als Ölvorratsraum.
Der Hochdruckraum 18 ist mit dem Niederdruckraum 17 durch eine zentrale Axialbohrung verbunden, die im Kolbenboden 16 angeordnet ist. Sie ist Teil eines als Rückschlagventil 19 ausgebildeten Steuerventils mit einer Rückschlagventilfeder 20. Das Rückschlagventil 19 weist als Schließkörper eine Ventilkugel 21 auf, welche die Axialbohrung des Kolbenbodens 16 infolge der Wirkung der Rückschlagventilfeder 20 verschließt, die an der Ventilkugel 21 anliegt. Die untere Kante des Kolbens 15 im Bereich der Axialbohrung ist gebrochen, wodurch ein abgerundeter Ventilsitz 22 als Anlagefläche für die Ventilkugel 21 gebildet ist. Die Rückschlagventilfeder 20 ist mit ihrem von der Ventilkugel 21 abgewandten Ende an einem Kugelkäfig 23 abgestützt. Dieser wird in dem Hochdruckraum 18 von einer Rückstellfeder 24 an dem Kolbenboden 16 angedrückt gehalten. Die Rückstellfeder 24 ist als Druckfeder mit ihrem von dem Kolbenboden 16 abgewandten Ende an einem Boden 25 des inneren Gehäuses 14 abgestützt und beaufschlagt mit ihrer Druckkraft den Kolben 15 in axialer Richtung des Hydraulikelementes 13. Über eine Öffnung 26 des äußeren Gehäuses 11 und eine Ausnehmung 27 in dessen Boden 12 ist die Verbindung des Niederdruckraumes 17 mit der Schmierölversorgung des Ventiltriebes der Brennkraftmaschine hergestellt.
Erfindungsgemäß ist die Ventilkugel 21 des Rückschlagventils 19 aus einem Leichtbauwerkstoff hergestellt und weist einen Durchmesser im Bereich von 2,00 mm bis 5,50 mm auf, wobei die Rückschlagventilfeder 20 für einen Hub der Ventilkugel 21 im Bereich von 0,15 mm bis 0,80 mm ausgelegt ist.
Bezugszeichenliste

1: Ventilspielausgleichselement
2: Brennkraftmaschine
3: äußeres Gehäuse
4: Boden des äußeren Gehäuses
5: Nocken
6: Nockenwelle
7: Hydraulikelement
8: Ventilstößel
9: Druckfeder
10: Ventilspielausgleichselement
11: äußeres Gehäuse
12: Boden des äußeren Gehäuses
13: Hydraulikelement
14: inneres Gehäuse
15: Kolben
16: Kolbenboden
17: Niederdruckraum
18: Hochdruckraum
19: Rückschlagventil
20: Rückschlagventilfeder
21: Ventilkugel
22: Ventilsitz
23: Kugelkäfig
24: Rückstellfeder
25: Boden des inneren Gehäuses
26: Öffnung
27: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005062172 A1 [0003]
- DE 2824873 A1 [0004]
- EP 1967704 A1 [0005]

Claims

Steuertrieb einer Brennkraftmaschine mit hydraulischen Ventilspielausgleichselementen, bei welchem ein Element jeweils ein kreiszylindrisches Gehäuse enthält, das in einem Aufnahmeraum der Maschine bewegt, und zwar längsverschieblich geführt, sowie an einem axialen Ende von einem Nocken einer Nockenwelle beaufschlagt ist, wobei das Ventilspielausgleichselement einen in dem Gehäuse axial verschiebbaren Kolben (15) enthält und über diesen oder über das Gehäuse mit einem Gaswechselventil der Brennkraftmaschine unmittelbar oder über weitere mit Kontaktflächen versehene Ventiltriebsbauteile kraftschlüssig verbunden ist, wobei außerdem in dem Gehäuse als Steuerventil ein Rückschlagventil (19) angeordnet ist, welches als Schließkörper eine Ventilkugel (21) enthält, die an einem an dem Kolben (15) ausgebildeten Ventilsitz (22) anlegbar und in einem in dem Gehäuse angeordneten Kugelkäfig (23) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel (21) aus einem Leichtbauwerkstoff hergestellt ist und einen Durchmesser aus dem Bereich von 2,00 mm bis 5,50 mm aufweist, wobei eine Rückschlagventilfeder (20), die als Druckfeder mit einem Ende an der Ventilkugel (21), an deren von dem Ventilsitz (22) abgewandter Seite, und mit dem anderen Ende an dem Kugelkäfig (23) abgestützt ist, für einen Hub der Ventilkugel (21) aus dem Bereich von 0,15 mm bis 0,80 mm ausgelegt ist.
Steuertrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbauwerkstoff der Ventilkugel (21) ein keramischer Werkstoff, wie Si₃N₄ oder Al₂O₃ ist.
Steuertrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbauwerkstoff der Ventilkugel (21) ein Glaswerkstoff ist.
Steuertrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbauwerkstoff der Ventilkugel (21) ein Kunststoff ist.
Steuertrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventilfeder (20) eine Federkraft aus dem Bereich von 0,1 N bis 1,0 N aufweist.
Steuertrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilspielausgleichselement (10) in der Form eines Tassenstößels ausgeführt ist, mit einem äußeren Gehäuse (11) und einem darin konzentrisch angeordneten Hydraulikelement (13), welches aus einem inneren Gehäuse (14) und dem darin passend und längsverschieblich eingesetzten Kolben (15) mit dem Rückschlagventil (19) besteht, wobei der Ventilsitz (22) für die Ventilkugel (21) an einem Kolbenboden (16) ausgebildet ist, an welchem der Kugelkäfig (23) von einer Rückstellfeder (24) gehalten ist.
Steuertrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (24) eine Federkraft aus dem Bereich von 6 N bis 30 N aufweist.
Steuertrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel (21) eine Hohlkugel ist.