DE102010006412A1

DE102010006412A1 - Hydraulischer Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010006412A1
Application number: DE102010006412A
Authority: DE
Inventors: Reinhard 77815 Stehr; Volker 77815 Edelmann; Calin Petru 91315 Itoafa; Hermann 89407 Keller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04

Abstract

Vorgeschlagen ist eine konstruktive Ausgestaltung der hydraulischen Ventilbremse eines hydraulischen Ventiltriebs zur variablen Betätigung eines Gaswechselventils (1) einer Brennkraftmaschine. Die Ventilbremse umfasst ein Rückschlagventil (15) mit einem Ventilschließkörper (16), der in einem das Gaswechselventil betätigenden Kolben (4) axialbeweglich geführt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Ventiltrieb zur variablen Betätigung eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine. Der Ventiltrieb umfasst eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einem hohlzylindrischen Gehäuse als Zylinder und einem darin axial geführten und das Gaswechselventil betätigenden Kolben, wobei eine dem Gaswechselventil abgewandte Stirnfläche des Kolbens und ein dieser zugewandter Boden der Kolben-Zylinder-Einheit eine innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit verlaufende erste Druckkammer begrenzen, die über einen radial durch das Gehäuse verlaufenden Hauptstrompfad und einen axial durch den Boden verlaufenden Nebenstrompfad mit einer außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit verlaufenden zweiten Druckkammer hydraulisch kommuniziert, und wobei der Nebenstrompfad durch einen den Boden durchsetzenden Durchflussquerschnitt, der mittels eines in Richtung der ersten Druckkammer öffnenden Rückschlagventils gesteuert und von einem Dichtsitz für den Ventilschließkörper des Rückschlagventils begrenzt ist, und durch einen den Boden durchsetzenden, permanent geöffneten Drosselquerschnitt gebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßer Ventiltrieb geht aus der EP 1 344 900 B1 hervor. Wesentlicher Bestandteil dieses bekanntlich nach dem Lost-Motion-Prinzip arbeitenden Ventiltriebs, bei dem 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 hydraulische Ventilbremse ist Teil der eingangs genannten Kolben-Zylinder-Einheit, die auf der Abtriebseite eines in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingesetzten und die wesentlichen Elemente des hydraulischen Ventiltriebs umfassenden Hydraulikmoduls befestigt ist. Als Zylinder dient ein rohrförmiges Gehäuse, das im Bereich eines Bodens der Kolben-Zylinder-Einheit einen radialen Durchtritt als Hauptstrompfad aufweist. Der axial durch den Boden verlaufende Nebenstrompfad setzt sich aus einer querschnittsarmen Bohrung als permanent geöffneter Drosselquerschnitt und einer Zuflussbohrung als Durchflussquerschnitt zusammen. Zur Steuerung des Durchflussquerschnitts dient ein am Boden angeordnetes Kugelrückschlagventil.
Das kontrollierte Abbremsen des Gaswechselventils erfolgt mit Hilfe des radialen Durchtritts und des Drosselquerschnitts, der in der finalen Schließphase des Gaswechselventils eine starke Drosselung des aus der ersten Druckkammer (innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit) in die zweite Druckkammer (außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit) entweichenden Hydraulikmittels bewirkt. Das in der Ventilschließphase geschlossene Kugelrückschlagventil hat demgegenüber die Aufgabe, eine schnelle initiale Öffnungsgeschwindigkeit des Gaswechselventils zu ermöglichen, indem bei dann geöffneter Ventilkugel ein vergleichsweise großer Volumenstrom aus der zweiten Druckkammer über den Durchflussquerschnitt in die erste Druckkammer fließen kann.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv verbesserte Ausgestaltung der Kolben-Zylinder-Einheit anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll der Ventilschließkörper zylindrisch ausgebildet, in einer hohlzylindrischen Ausnehmung des Kolbens axialbeweglich geführt und von einem in der Ausnehmung angeordneten Federmittel in Richtung des Durchflussquerschnitts kraftbeaufschlagt sein. Anders als im zitierten Stand der Technik ist also ein Rückschlagventil vorgesehen, dessen Ventilschließkörper nicht am Boden der Kolben-Zylinder-Einheit gehaltert, sondern in einer Ausnehmung des Kolbens axial geführt ist. Gleichzeitig ist das den Ventilschließkörper beaufschlagende Federmittel in der Ausnehmung angeordnet. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die beweglichen Teile des Rückschlagventils, d. h. Ventilschließkörper und Federmittel, nicht innen am Boden der Kolben-Zylinder-Einheit, sondern im Hinblick auf vereinfachte Montierbarkeit innerhalb des Kolbens angeordnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine Kolben-Zylinder-Einheit eines erfindungsgemäßen hydraulischen Ventiltriebs im Längsschnitt und
2 den gaswechselventilfernen Abschnitt der Kolben-Zylinder-Einheit als vergrößerte Einzelheit.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Dargestellt ist die Abtriebseite eines hydraulischen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine, welcher zur hubvariablen Betätigung eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils 1 dient. Der zu einem Hydraulikmodul 2 vormontierte und in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnete Ventiltrieb umfasst eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einem hohlzylindrischen Gehäuse 3 als Zylinder, dem darin axial beweglich geführten Kolben 4 und einer hydraulischen Ventilspielausgleichsvorrichtung 5, mittels welcher der Kolben 4 das Gaswechselventil 1 betätigt. Das aus Stahlwerkstoff bestehende Gehäuse 3 ist über einer Verschraubung 6 in einer Ausnehmung des hier nur angedeuteten Hydraulikmoduls 2 aus druckdicht geschmiedetem Aluminiumwerkstoff befestigt und weist an dessen gaswechselventilfernem Ende einen an der Gehäusewand einteilig – hier mittels Fließpressen – angeformten Boden 7 auf. Der wesentliche Vorteil dieser konstruktiven Ausgestaltung betrifft die Montage der Kolben-Zylinder-Einheit in das Hydraulikmodul 2 dahingehend, dass der Boden 7 gemeinsam mit dem Gehäuse 3 in einem einzigen Montageschritt im Hydraulikmodul 2 befestigt wird.
Die dem Gaswechselventil 1 abgewandte Stirnfläche 8 des Kolbens 4 und der Boden 7 begrenzen eine innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit verlaufende erste Druckkammer 9, die über einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad mit einer außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit verlaufenden zweiten Druckkammer 10 hydraulisch kommuniziert. Der Hauptstrompfad ist durch sechs umfangsverteilte Bohrungen 11 und eine weitere Öffnung 12 mit vorbestimmtem Querschnittsprofil gebildet, die jeweils das Gehäuse 3 in der Nähe des Bodens 7 radial durchsetzen. Der Nebenstrompfad ist durch einen Durchflussquerschnitt 13 und einen Drosselquerschnitt 14 gebildet, die jeweils den Boden 7 axial durchsetzen. Der Durchflussquerschnitt 13 ist in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen erster und zweiter Druckkammer 9, 10 mittels eines in Richtung der ersten Druckkammer 9 öffnenden Rückschlagventils 15 gesteuert, während der Drosselquerschnitt 14 mit deutlich kleinerem Querschnitt permanent geöffnet ist.
Der den Durchflussquerschnitt 13 begrenzende Dichtsitz wirkt mit einem hohlzylindrischen Ventilschließkörper 16 zusammen, der in einer hohlzylindrischen Ausnehmung 17 des Kolbens 4 axialbeweglich geführt und von einem Federmittel in Form einer Schraubendruckfeder 18 in Richtung des Dichtsitzes kraftbeaufschlagt ist. Die mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Stirnfläche 19 des Ventilschließkörpers 16 ist konvex und vorliegend kegelförmig ausgebildet. In einer nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung kann die Stirnfläche 19 auch konvex sphärisch sein. Die den Ventilschließkörper 16 lagernde Ausnehmung 17 ist Teil einer Stufenbohrung 20 durch den Kolben 4, wobei sich die Schraubendruckfeder 18 seitens des Kolbens 4 an der Bohrungsstufe 21 abstützt und seitens des Ventilschließkörpers 16 an dessen Innenmantel geführt ist.
Die dem Gaswechselventil 1 zugewandte Stirnfläche des Kolbens 4 begrenzt die längenveränderliche Ausgleichskammer 22 der Ventilspielausgleichsvorrichtung 5. Da der Kolben 4 infolge der sich in Richtung der Ventilspielausgleichsvorrichtung 5 verkleinernden Stufenbohrung 20 durchgehend hohlzylindrisch ausgebildet und der Ventilschließkörper 16 in einem im Durchmesser erweiterten Abschnitt der Ausnehmung 17 mit Überströmkanälen 23 versehen ist, erstreckt sich die erste Druckkammer 9 bis zum Rückschlagventil der Ventilspielausgleichsvorrichtung 5. Eine separate Hydraulikmittelversorgung der Ventilspielausgleichsvorrichtung 5 ist somit nicht erforderlich.
Die Ventilspielausgleichsvorrichtung 5 weist ein relativ zum Kolben 4 axial bewegliches und in Ausfahrrichtung federkraftbeaufschlagtes Ausgleichsgehäuse 24 auf, das die Außenmantelfläche des Kolbens 4 zumindest nahezu leckagefrei dichtend umschließt. Als Dichtmittel ist ein zwischen dem Kolben 4 und dem Ausgleichsgehäuse 24 in einer Ringnut des Kolbens 4 angeordneter Dichtring 25 aus Elastomerwerkstoff vorgesehen. Somit wird das während des Gaswechselventilhubs aus der Ausgleichskammer 22 über den Leckagespalt zwischen Ausgleichsgehäuse 24 und Kolben 4 ausgepresste Hydraulikmittel über einen Rücklauf 29 vollständig in das Innere des Kolbens 4 zurückgeführt.
Die weitestgehende Leckagefreiheit der Ventilspielausgleichsvorrichtung 5 ermöglicht in Verbindung mit einem gehäuseseitigen Leckagerücklauf in Form einer Ringnut 26 und Rücklaufbohrungen 27 – anders als dargestellt ist es selbstverständlich vorgesehen, dass die Rücklaufbohrungen 27 im Inneren des Hydraulikmoduls 2 münden – dass der Ventiltrieb vom Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine entkoppelt ist. Im eigenen Hydraulikmittelkreislauf des Ventiltriebs zirkuliert ein Hydrauliköl mit vergleichsweise flachem Viskositäts-Temperaturverlauf, dessen Befüllmenge auf die Lebensdauer der Brennkraftmaschine ausgelegt ist und das sich von dem separat umlaufenden Schmiermittel der Brennkraftmaschine durch eine geringere und somit reibungsgünstigere Viskosität bei niedrigen Temperaturen vorteilhaft unterscheidet.
Während des Schließvorgangs des Gaswechselventils 1 liegt der Ventilschließkörper 16 am Dichtsitz an, und das Rückschlagventil 15 ist geschlossen. Nach vollständiger Überdeckung der Bohrungen 11 durch den einfahrenden Kolben 4 ist nur noch ein zunehmend gedrosseltes Entweichen von Hydraulikmittel aus der ersten Druckkammer 9 bei entsprechendem Abbremsen des Gaswechselventils 1 möglich (hydraulische Ventilbremse). Die Drosselung des Hydraulikmittels erfolgt sowohl über die Öffnung 12 als auch über den Drosselquerschnitt 14 und generiert eine definierte Schließgeschwindigkeit des bei hydraulisch variablen Ventiltrieben vom antriebseitigen Nockenhub kinematisch entkoppelten Gaswechselventils 1. Bei geschlossenem Gaswechselventil 1 und nach Abschluss des Ventilspielausgleichsvorgangs liegt der Kolben 4 mit dessen Stirnfläche 8 am Boden 7 an.
In der Anfangsphase des Öffnungsvorgangs des Gaswechselventils 1 hebt der Ventilschließkörper 16 aufgrund der nun negativen Druckdifferenz zwischen erster und zweiter Druckkammer 9, 10 vom Dichtsitz ab, so dass die erste Druckkammer 9 bei noch verschlossenen Bohrungen 11 schnell mit Hydraulikmittel befüllt und eine entsprechend hohe initiale Öffnungsgeschwindigkeit des Gaswechselventils 1 erzielt wird. Anschließend stellen sich die Druckverhältnisse in der ersten und zweiten Druckkammer 9, 10 so ein, dass der Ventilschließkörper 16 im weiteren Verlauf des Gaswechselventilhubs erneut seine Schließposition am Dichtsitz einnimmt.
Die Kraft der Ausgleichsfeder 28 der Ventilspielausgleichsvorrichtung 5 ist stets, d. h. in allen Ausgleichsstellungen des Ausgleichsgehäuses 24 größer als die Kraft der Schraubendruckfeder 18, um die Ausgleichsfunktion der Ventilspielausgleichsvorrichtung 5 nicht zu behindern und konkret, um ein Zusammendrücken von Kolben 4 und Ausgleichsgehäuse 24 zu verhindern.
Bezugszeichenliste

1: Gaswechselventil
2: Hydraulikmodul
3: Gehäuse
4: Kolben
5: Ventilspielausgleichsvorrichtung
6: Verschraubung
7: Boden
8: Stirnfläche des Kolbens
9: erste Druckkammer
10: zweite Druckkammer
11: Bohrung
12: Öffnung im Gehäuse
13: Durchflussquerschnitt
14: Drosselquerschnitt
15: Rückschlagventil
16: Ventilschließkörper
17: Ausnehmung im Kolben
18: Schraubendruckfeder/Federmittel
19: Stirnfläche des Ventilschließkörpers
20: Stufenbohrung im Kolben
21: Bohrungsstufe
22: Ausgleichskammer
23: Überströmkanal
24: Ausgleichsgehäuse
25: Dichtring
26: Ringnut
27: Rücklaufbohrung
28: Ausgleichsfeder
29: Rücklauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1344900 B1 [0002]

Claims

Hydraulischer Ventiltrieb zur variablen Betätigung eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einem hohlzylindrischen Gehäuse (3) als Zylinder und einem darin axial geführten und das Gaswechselventil (1) betätigenden Kolben (4), wobei eine dem Gaswechselventil (1) abgewandte Stirnfläche (8) des Kolbens (4) und ein dieser zugewandter Boden (7) der Kolben-Zylinder-Einheit eine innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit verlaufende erste Druckkammer (9) begrenzen, die über einen radial durch das Gehäuse (3) verlaufenden Hauptstrompfad und einen axial durch den Boden (7) verlaufenden Nebenstrompfad mit einer außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit verlaufenden zweiten Druckkammer (10) hydraulisch kommuniziert, und wobei der Nebenstrompfad durch einen den Boden (7) durchsetzenden Durchflussquerschnitt (13), der mittels eines in Richtung der ersten Druckkammer (9) öffnenden Rückschlagventils (15) gesteuert und von einem Dichtsitz für den Ventilschließkörper (16) des Rückschlagventils (15) begrenzt ist, und durch einen den Boden (7) durchsetzenden, permanent geöffneten Drosselquerschnitt (14) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (16) zylindrisch ausgebildet, in einer hohlzylindrischen Ausnehmung (17) des Kolbens (4) axialbeweglich geführt und von einem in der Ausnehmung (17) angeordneten Federmittel (18) in Richtung des Durchflussquerschnitts (13) kraftbeaufschlagt ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (7) und das Gehäuse (3) zu einem einzigen Bauteil mit dem am Gehäuse (3) einteilig angeformten Boden (7) zusammengefasst sind.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (16) zur radialen Führung des Federmittels (18) hohlzylindrisch ausgebildet ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Stirnfläche (19) des Ventilschließkörpers (16) kegelförmig oder sphärisch ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-Zylinder-Einheit ferner eine hydraulische Ventilspielausgleichsvorrichtung (5) umfasst, mittels welcher der Kolben (4) das Gaswechselventil (1) betätigt, wobei eine dem Gaswechselventil (1) zugewandte Stirnfläche des Kolbens (4) die längenveränderliche Ausgleichskammer (22) der Ventilspielausgleichsvorrichtung (5) begrenzt.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) durchgehend hohlzylindrisch ausgebildet ist und sich die erste Druckkammer (9) bis zu einem Rückschlagventil der Ventilspielausgleichsvorrichtung (5) erstreckt.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) mit einer sich in Richtung der Ventilspielausgleichsvorrichtung (5) verkleinernden Stufenbohrung (20) versehen ist, wobei das als Schraubendruckfeder ausgebildete Federmittel (18) auf dem als Bohrungsstufe (21) ausgebildeten Grund der Ausnehmung (17) abgestützt ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilspielausgleichsvorrichtung (5) ein deren längenveränderliche Ausgleichskammer (22) begrenzendes und relativ zum Kolben (4) axial bewegliches Ausgleichsgehäuse (24) aufweist, das die Außenmantelfläche des Kolbens (4) zumindest nahezu leckagefrei dichtend umschließt.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtmittel zwischen dem Kolben (4) und dem Ausgleichsgehäuse (24) ein elastomerer Dichtring (25) vorgesehen ist.
Hydraulischer Ventiltrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb einen vom Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine separierten Hydraulikmittelkreislauf aufweist.