DE102009043659A1

DE102009043659A1 - Hydraulischer Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009043659A1
Application number: DE102009043659A
Authority: DE
Inventors: Michael Berger; Martin Rauch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Vorgeschlagen ist ein hydraulischer Ventiltrieb zur variablen Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, aufweisend eine gaswechselventilferne Antriebsseite mit einer hydraulischen ersten Kammer (8) und eine gaswechselventilnahe Abtriebsseite mit einer hydraulischen zweiten Kammer (7), die über einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad hydraulisch mit der ersten Kammer kommuniziert, und aufweisend ein ortsfest im Nebenstrompfad eingesetztes Ventilelement (10a, 10b), das als hydraulische Ventilbremse für das schließende Gaswechselventil dient.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Ventiltrieb zur variablen Betätigung eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, aufweisend eine gaswechselventilferne Antriebsseite mit einer hydraulischen ersten Kammer und eine gaswechselventilnahe Abtriebseite mit einer hydraulischen zweiten Kammer, die über einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad hydraulisch mit der ersten Kammer kommuniziert, und aufweisend ein ortsfest im Nebenstrompfad eingesetztes Ventilelement mit einem permanent offenen Drosselquerschnitt, einem gesteuerten Durchflussquerschnitt und einem in Richtung der zweiten Kammer öffnenden Rückschlagventil zur Steuerung des Durchflussquerschnitts, wobei das Ventilelement als Montageeinheit ausgebildet ist, die ein Außengehäuse und das verliersicher darin eingesetzte Rückschlagventil umfasst, das aus einer Ventilkugel, einem den Durchflussquerschnitt begrenzenden gehäuseseitigen Dichtsitz für die Ventilkugel und einer die Ventilkugel radial führenden Ventilkappe gebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße, ein elektrisch betätigtes Hydraulikventil aufweisende elektrohydraulische Ventiltriebe gehen aus der DE 10 2007 053 981 A1 und DE 10 2006 008 676 A1 hervor. Wesentlicher Bestandteil dieser bekanntlich nach dem Lost-Motion-Prinzip arbeitenden Ventiltriebe, bei welchem zwischen der Antriebseite, d. h. dem Nocken einer Nockenwelle, und der Abtriebseite, d. h. dem Gaswechselventil, ein sogenanntes hydraulisches Gestänge mit variabel absteuerbarem Hydraulikvolumen verläuft, ist eine hydraulische Ventilbremse, die die Aufsetzgeschwindigkeit des schließenden Gaswechselventils unabhängig von der Nockenstellung kontrolliert und auf vorgegebene Werte beschränkt, die akustisch und mechanisch akzeptabel sind.
Die genannten Druckschriften zeigen konstruktive Ausführungen einer derartigen hydraulischen Ventilbremse jeweils in Form eines eingangs genannten Ventilelements, das ortsfest im Nebenstrompfad zwischen der antriebseitigen ersten Kammer oder Geberkammer und der abtriebseitigen zweiten Kammer oder Nehmerkammer eingesetzt ist. Das kontrollierte Abbremsen des Gaswechselventils erfolgt durch den Drosselquerschnitt, der in der finalen Schließphase des Gaswechselventils die einzige Verbindung zwischen der Nehmerkammer und der Geberkammer ist und einen definiert (kleinen) Volumenstrom aus der Nehmerkammer in die Geberkammer entweichen lässt. Das in der Ventilschließphase geschlossene Rückschlagventil hat demgegenüber die Aufgabe, eine schnelle initiale Öffnungsgeschwindigkeit des Gaswechselventils zu ermöglichen, indem dann ein vergleichsweise großer Volumenstrom aus der Geberkammer über das geöffnete Rückschlagventil in die Nehmerkammer fließen kann.
Aus der EP 1 344 900 A1 geht ein elektrohydraulischer Ventiltrieb mit einem ebenfalls ortsfesten Ventilelement hervor, bei dem jedoch keine radiale Führung der Ventilkugel durch die Ventilkappe vorgesehen ist. Die radiale Führung der Ventilkugel – hierunter sind wenige Zehntel Millimeter Radialspiel zwischen der Kugel und der Ventilkappe zu verstehen – ist von hoher Bedeutung für die hochdynamische und notwendigerweise exakte Öffnungs- und Schließbewegung der Ventilkugel.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, konstruktiv zweckmäßige Ausgestaltungen für die eingangs genannten Ventilelemente anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Ventilelement ferner ein im Außengehäuse befestigtes Innengehäuse umfasst, an dem der Dichtsitz ausgebildet und die Ventilkappe gehaltert sind. Anders als im zitierten gattungsgemäßen Stand der Technik ist also der im Hinblick auf die gleichmäßige Funktion der hydraulischen Ventilbremse präzise herzustellende Dichtsitz nicht im Außengehäuse, sondern in dem zusätzlichen Innengehäuse ausgebildet, und ein solches Innengehäuse kann zweckmäßigerweise aus dem Baukasten hydraulischer Ventilspielausgleichselemente in Form der dort bekannten Ausgleichskolben entstammen.
Dies gilt insbesondere dann, wenn das Außengehäuse und das Innengehäuse hohlzylindrisch ausgebildet sind, wobei die der zweiten Kammer abgewandte erste Stirnseite des Innengehäuses an einer sich radial einwärts erstreckenden Ringschulter des Außengehäuses axial abgestützt ist und wobei die Ventilkappe in einer der zweiten Kammer zugewandten Ausnehmung des Innengehäuses gehaltert ist. Das Innengehäuse soll im wesentlichen entweder ein H-förmiges Längsschnittprofil oder ein U-förmiges und zur zweiten Kammer hin geöffnetes Längsschnittprofil aufweisen. Ein dem Baukasten von Ventilspielausgleichselementen entnommener Ausgleichskolben kann so in mehr oder weniger modifizierter Form das Innengehäuse bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Ventilelemente und ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher Ausschnitt eines elektrohydraulischen Ventiltrieb dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 ein erstes Ventilelement in perspektivischer Längsschnittdarstellung;
2 die Einzelheit X aus 1;
3 ein zweites Ventilelement in perspektivischer Längsschnittdarstellung;
4 die Einzelheit X aus 3 und
5 die konstruktive Ausführung der gaswechselventilnahen Abtriebseite eines im Stand der Technik bekannten elektrohydraulischen Ventiltriebs im Längsschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sei ausgehend von 5 erläutert, in der eine aus der eingangs zitierten DE 10 2006 008 676 A1 bekannte konstruktive Ausführung der gaswechselventilnahen Abtriebseite eines elektrohydraulischen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine dargestellt ist, welcher zur hubvariablen Betätigung eines Gaswechselventils dient. Der vormontierte und in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnete Ventiltrieb umfasst ein Hydraulikgehäuse 1 aus druckdicht geschmiedetem Aluminiumwerkstoff, ein in einer Stufenbohrung 2 des Hydraulikgehäuses 1 abgedichtet eingeschraubtes Nehmergehäuse 3 aus Stahlwerkstoff und einen in einer Führung 4 des Nehmergehäuses 3 axial beweglich gelagerten Nehmerkolben. Der hier mit einem Druckstück 5 und einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement 6 mehrteilig ausgebildete Nehmerkolben wirkt einerseits, d. h. an der freien Stirnseite des Ventilspielausgleichselements 6, mit dem in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventil (nicht gezeigt) zusammen und begrenzt andererseits eine mit Hydraulikmittel gefüllte zweite Kammer oder Nehmerkammer 7, die über einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad mit einer hydraulischen ersten Kammer oder Geberkammer 8 an der gaswechselventilfernen Antriebseite des Ventiltriebs (nicht näher dargestellt) kommuniziert. Der Hauptstrompfad ist durch drosselarme Kanäle 9 im Nehmergehäuse 3 gebildet, während der Nebenstrompfad über ein Ventilelement 10' in Form einer Bundbuchse führt, welches als Montageeinheit im durchmesserreduzierten Abschnitt am Grund der Stufenbohrung 2 mit Radialspiel eingesetzt und über die Ringstirnfläche des Nehmergehäuses 3 gegen die Durchmesserstufe 11 hydraulisch dichtend verspannt ist. Der Nebenstrompfad ist ferner durch eine Längsnut 12 und einen an der Durchmesserstufe 11 verlaufenden Überströmquerschnitt (hier nicht sichtbar) zum Ringraum 13 als Teil der Geberkammer 8 gebildet.
Das als hydraulische Ventilbremse dienende bekannte Ventilelement 10' besteht aus einem Außengehäuse 14' und einem verliersicher darin eingesetzten Rückschlagventil 15' mit einer in Richtung der Nehmerkammer 7 öffnenden Ventilkugel 16, die mittels einer das Außengehäuse 14' auskleidenden und hydraulikmitteldurchlässigen Ventilkappe 17' radial geführt und axial hubbegrenzt ist. Wie das Außengehäuse 14' weist die Ventilkappe 17' einen durch das Nehmergehäuse 3 eingespannten Bund auf. Der vom Dichtsitz 18' für die Ventilkugel 16 begrenzte Durchflussquerschnitt 19' befindet sich am Boden des Außengehäuses 14'. Ebenfalls am Boden verläuft neben dem gesteuerten, d. h. druckabhängig offenen oder geschlossenen Durchflussquerschnitt 19' eine kleine Präzisionsbohrung zur Bildung eines Drosselquerschnitts 20', der die beiden Kammern 7 und 8 permanent miteinander verbindet.
In der momentanen Stellung des Nehmerkolbens 5, 6, die etwa dem maximalen Hub des Gaswechselventils entspricht, hat die Nehmerkammer 7 ihr größtes Volumen und kommuniziert über die Kanäle 9 drosselarm mit der Geberkammer 8. Hingegen nähert sich der Nehmerkolben in der finalen Schließphase des Gaswechselventils dem Ventilelement 10' so an, dass nicht nur das Rückschlagventil 15' sondern auch die Kanäle 9 und ein Drosselkanal 21 in Form eines an der Ringstirnfläche des Nehmergehäuses 3 angebrachten Schlitzes mit definiertem axialen Querschnittsverlauf vollständig bzw. zunehmend durch die Außenmantelfläche des Druckstücks 5 verschlossen sind und ein größer werdender Anteil des aus der Nehmerkammer 7 verdrängten Hydraulikmittels den Drosselquerschnitt 20' passieren muss. Auf diese Weise wird das vom geberseitigen Nockenhub kinematisch entkoppelte Gaswechselventil hydraulisch auf eine vorgegebene Ventilaufsetzgeschwindigkeit abgebremst.
Ein erstes erfindungsgemäßes Ventilelement ist in den 1 und 2 offenbart. Das ebenfalls als verliersichere Baueinheit ausgebildete Ventilelement 10a weist zusätzlich zu dem zuvor erläuterten bekannten Ventilelement 10' ein im Außengehäuse 14a befestigtes Innengehäuse 22a auf, an dem der den Durchflussquerschnitt 19 begrenzende Dichtsitz 18 für die hier federbelastete und optional aus einem hochbelastbaren Leichtbauwerkstoff wie Keramik bestehende Ventilkugel 16 ausgebildet und die Ventilkappe 17 gehaltert sind. Wie bei der bekannten Ausgestaltung gemäß 5 besteht die Funktion der Ventilkappe 17 in der radialen Führung und axialen Hubbegrenzung der Ventilkugel 16 und zusätzlich in der Federabstützung. Das wie das Außengehäuse 14a hohlzylindrische Innengehäuse 22a weist in diesem Ausführungsbeispiel – ähnlich dem Ausgleichskolben 23 des Ventilspielausgleichselements 6 in 5 – ein im wesentlichen H-förmiges Längsschnittprofil auf. Die der Nehmerkammer 7 abgewandte erste Stirnseite 24 des Innengehäuses 22a ist an einer sich radial einwärts erstreckenden Ringschulter 25 des Außengehäuses 14a axial abgestützt, während die Ventilkappe 17 in einer der Nehmerkammer 7 zugewandten Ausnehmung 26 des Innengehäuses 22a gehaltert ist. Der Drosselquerschnitt 20 ist durch eine das Außengehäuse 14a radial durchsetzende Bohrung gebildet. Diese ist im Durchmesser gestuft, so dass die so verkürzte Länge des kleinen Drosselquerschnitts 20 nicht nur die Herstellung der Bohrung vereinfacht, sondern auch die Drosselcharakteristik derjenigen einer idealen Blende annähert, welche von der Viskosität des Hydraulikmittels unabhängig ist.
Zur Halterung der Ventilkappe 17 ist ein ausreichend elastischer Haltering 27 vorgesehen, der ein im wesentlichen L-förmiges Halbschnittprofil mit einem Axialschenkel 28 und einem Radialschenkel 29 aufweist. Der Axialschenkel 28 hintergreift die sich zur Nehmerkammer 7 hin radial verjüngende Wand der Ausnehmung 26 axial formschlüssig und verspannt stirnseitig die Ventilkappe 17 gegen den Boden der Ausnehmung 26. Dabei ist der Radialschenkel 29 gegen die der Nehmerkammer 7 zugewandte zweite Stirnseite 30 des Innengehäuses 22a axial abgestützt.
Die Funktion des Halterings 27 besteht nicht nur in der Halterung der Ventilkappe 17, sondern auch in der axial formschlüssigen Halterung des hier mit Spielpassung im Außengehäuse 14a eingesetzten Innengehäuses 22a. Wie es vergrößert aus 2 hervorgeht, ist zu diesem Zweck ein an der Innenmantelfläche des Außengehäuses 14a radial umlaufender Vorsprung 31 vorgesehen, der durch Außenrollieren des Außengehäuses 14a angeformt ist und an dem die der Nehmerkammer 7 zugewandte zweite Stirnseite 30 des Innengehäuses 22a mittels des auf dem Vorsprung 31 aufliegenden Radialschenkels 29 axial abgestützt ist.
Ein zweites erfindungsgemäßes Ventilelement 10b ist in den 3 und 4 offenbart. Dies unterscheidet sich von dem Ventilelement 10a gemäß 1 zum einen dadurch, dass das Innengehäuse 22b mit einem im wesentlichen U-förmigen und zur Nehmerkammer 7 hin geöffneten Längsschnittprofil axial kürzer baut. Zum anderen erfolgt die Befestigung des Innengehäuses 22b im Außengehäuse 14b kraftschlüssig mittels eines Pressverbands zwischen der Außenmantelfläche des Innengehäuses 22b und der Innenmantelfläche des Außengehäuses 14b. Wie es vergrößert aus 4 hervorgeht, weist das Außengehäuse 14b zur Herstellung des Presssitzes einen Durchmessereinzug im Bereich des Innengehäuses 22b auf.
Optional vorgesehen, jedoch nicht dargestellt, ist jeweils eine lokale Erhebung an den Außengehäusen 14a und 14b, die in die in 5 dargestellte Längsnut 12 am Grund der Stufenbohrung 2 eingreift und so das Ventilelement 10a, 10b gegen Verdrehen in der Stufenbohrung 2 sichert. Folglich ist dann auch der Drosselquerschnitt 20 relativ zur Längsnut 12 starr positioniert, und die ansonsten vom Einbauwinkel des Ventilelements 10a, 10b abhängigen Schwankungen der Drosselcharakteristik des Nebenstrompfads können auf diese Weise sicher ausgeschlossen werden. Bevorzugt soll sich die Erhebung in axialer Flucht mit dem Drosselquerschnitt 20 befinden, so dass dieser der Längsnut 12 gegenübersteht.
Bezugszeichenliste

1: Hydraulikgehäuse
2: Stufenbohrung
3: Nehmergehäuse
4: Führung
5: Druckstück
6: hydraulisches Ventilspielausgleichselement
7: Nehmerkammer/zweite Kammer
8: Geberkammer/erste Kammer
9: Kanal
10: Ventilelement
11: Durchmesserstufe
12: Längsnut
13: Ringraum
14: Außengehäuse
15: Rückschlagventil
16: Ventilkugel
17: Ventilkappe
18: Dichtsitz
19: Durchflussquerschnitt
20: Drosselquerschnitt
21: Drosselkanal
22: Innengehäuse
23: Ausgleichskolben
24: erste Stirnseite des Innengehäuses
25: Ringschulter des Außengehäuses
26: Ausnehmung im Innengehäuse
27: Haltering
28: Axialschenkel
29: Radialschenkel
30: zweite Stirnseite des Innengehäuses
31: Vorsprung

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 102007053981 A1 [0002]
DE 102006008676 A1 [0002, 0014]
EP 1344900 A1 [0004]

Claims

Hydraulischer Ventiltrieb zur variablen Betätigung eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, aufweisend eine gaswechselventilferne Antriebsseite mit einer hydraulischen ersten Kammer (8) und eine gaswechselventilnahe Abtriebsseite mit einer hydraulischen zweiten Kammer (7), die über einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad hydraulisch mit der ersten Kammer (8) kommuniziert, und aufweisend ein ortsfest im Nebenstrompfad eingesetztes Ventilelement (10a, 10b) mit einem permanent offenen Drosselquerschnitt (20), einem gesteuerten Durchflussquerschnitt (19) und einem in Richtung der zweiten Kammer (7) öffnenden Rückschlagventil (15) zur Steuerung des Durchflussquerschnitts (19), wobei das Ventilelement (10a, 10b) als Montageeinheit ausgebildet ist, die ein Außengehäuse (14a, 14b) und das verliersicher darin eingesetzte Rückschlagventil (15) umfasst, das aus einer Ventilkugel (16), einem den Durchflussquerschnitt (19) begrenzenden gehäuseseitigen Dichtsitz (18) für die Ventilkugel (16) und einer die Ventilkugel (16) radial führenden Ventilkappe (17) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (10a, 10b) ferner ein im Außengehäuse (14a, 14b) befestigtes Innengehäuse (22a, 22b) umfasst, an dem der Dichtsitz (18) ausgebildet und die Ventilkappe (17) gehaltert sind.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (14a, 14b) und das Innengehäuse (22a, 22b) hohlzylindrisch ausgebildet sind, wobei die der zweiten Kammer (7) abgewandte erste Stirnseite (24) des Innengehäuses (22a, 22b) an einer sich radial einwärts erstreckenden Ringschulter (25) des Außengehäuses (14a, 14b) axial abgestützt ist und wobei die Ventilkappe (17) in einer der zweiten Kammer (7) zugewandten Ausnehmung (26) des Innengehäuses (22a, 22b) gehaltert ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (10a, 10b) zur Halterung der Ventilkappe (17) ferner einen Haltering (27) umfasst, der ein im wesentlichen L-förmiges Halbschnittprofil mit einem Axialschenkel (28) und einem Radialschenkel (29) aufweist, wobei der Axialschenkel (28) die sich zur zweiten Kammer (7) hin radial verjüngende Wand der Ausnehmung (26) axial formschlüssig hintergreift und stirnseitig die Ventilkappe (17) gegen den Boden der Ausnehmung (26) verspannt, und wobei der Radialschenkel (29) gegen die der zweiten Kammer (7) zugewandte zweite Stirnseite (30) des Innengehäuses (22a, 22b) abgestützt ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (22a) ein im wesentlichen H-förmiges Längsschnittprofil aufweist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (22b) ein im wesentlichen U-förmiges und zur zweiten Kammer (7) hin geöffnetes Längsschnittprofil aufweist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Innengehäuses (22b) im Außengehäuse (14b) kraftschlüssig mittels eines Pressverbands zwischen der Außenmantelfläche des Innengehäuses (22b) und der Innenmantelfläche des Außengehäuses (14b) erfolgt.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Innengehäuses (22a) im Außengehäuse (14a) formschlüssig mittels eines oder mehrerer an der Innenmantelfläche des Außengehäuses (14a) angeformter Vorsprünge (31) erfolgt, an denen die der zweiten Kammer (7) zugewandte zweite Stirnseite (30) des Innengehäuses (22a) axial abgestützt ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen einzigen radial umlaufenden Vorsprung (31) handelt.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Drosselquerschnitts (20) eine das Außengehäuse (14a, 14b) radial durchsetzende und im Durchmesser gestufte Bohrung vorgesehen ist.