DE102010018208A1

DE102010018208A1 - Hydraulisches Ventilspiel-Ausgleichselement für Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102010018208A1
Application number: DE102010018208A
Authority: DE
Inventors: Peter Sailer; Oliver Schnell; Oliver Witter; Dr. Tietzel Klaus
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-10-27
Also published as: WO2011134790A2; US20130000573A1; EP2564038A2; WO2011134790A3; EP2564038B1

Abstract

Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einem darin angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben von einer Kurbelwelle geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem mit einer Ventilfeder belasteten Ein- und Auslassventil beherrscht sind, die durch von einer Nockenwelle angetriebene Übertragungselemente betätigbar sind, und mit einem hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement (5), das in zumindest eines der Übertragungselemente oder in ein im Übertragungselement eingebautes Bauteil zwischen Nockenwelle und zumindest einem Ein- und/oder Auslassventil eingebaut ist und einen Arbeitskolben (8), ein mit dem Arbeitskolben (8) zusammenwirkendes Zylindergehäuse (7), eine dazwischen eingebaute Rückstellfeder (18) und ein einen Hochdruckraum (19) begrenzendes Rückschlagventil aufweist, dessen Ventilschließkörper (12) mit einem Ventilsitz (11) am Arbeitskolben (8) korrespondiert, wobei der Ventilschließkörper (12) eine partielle Kugeloberfläche (13) im Bereich des Ventilsitzes (11) aufweist und wobei das Verhältnis des Durchmessers des Arbeitskolbens (8) zum doppelten Radius der partiellen Kugeloberfläche (13) ≤ 2 ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einem darin angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben von einer Kurbelwelle geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem mit einer Ventilfeder belasteten Ein- und Auslassventil beherrscht sind, die durch von einer Nockenwelle angetriebene Übertragungselemente betätigbar sind, und mit einem hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement, das in zumindest eines der Übertragungselemente oder in ein im Übertragungselement eingebautes Bauteil zwischen Nockenwelle und zumindest einem Ein- und/oder Auslassventil eingebaut ist und einen Arbeitskolben, ein mit dem Arbeitskolben zusammenwirkendes Zylindergehäuse, eine dazwischen eingebaute Rückstellfeder und ein einen Hochdruckraum begrenzendes Rückschlagventil aufweist, dessen Ventilschließkörper mit einem Ventilsitz am Arbeitskolben korrespondiert.
Hintergrund der Erfindung
Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselementen nach dem Gattungsbegriff sind allgemein bekannt.
Sie haben das Problem, dass je nach Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine und Hubhöhe der Nocken der Hochdruckraum der Ventilspiel-Ausgleichselemente sich nicht ausreichend füllen kann, so dass ein Absinken des hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselements auftreten kann, was zu erhöhtem oder unzulässig hohem Spiel in dem Ventiltrieb führt. Andererseits ist es auch möglich, dass sich das hydraulische Ventilspiel-Ausgleichselement zu sehr aufpumpt, so dass das zulässige Ventilspiel unterschritten wird.
Es ist bekannt, DE- 10 2007 014 248 A1 , am hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement Anschlag- oder Klemmvorrichtungen vorzusehen, die extern betätigt werden und sowohl ein Aufpumpen als auch ein Absinken des hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselements verhindern. Derartige Anschlag- oder Klemmvorrichtungen sind baulich sehr aufwendig und kostenintensiv.
Die Probleme sind besonders bedeutsam, wenn zu den hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselementen Bremssteuereinrichtungen oder Abgasrückführeinrichtungen an der Hubkolbenbrennkraftmaschine eingesetzt werden, wobei im Bereich des Grundkreises der Nocken Zusatzerhebungen vorgesehen sind.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile der beschriebenen Maßnahmen an hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselementen zu beheben, insbesondere dahingehend, dass sowohl beim Normalbetrieb, insbesondere bei größeren Motoren für Nutzfahrzeuge, als auch beim Betrieb mit zusätzlichem Öffnen der Gaswechselventile zu Dekompressions- oder Abgasrückführzwecken kein Absinken der hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselemente auftritt. Dies soll mit einfachen Mitteln dargestellt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Ventilschließkörper eine partielle Kugeloberfläche im Bereich des Ventilsitzes aufweist und dass das Verhältnis des Durchmessers des Arbeitskolbens (8) zum doppelten Radius der partiellen Kugeloberfläche (13) ≤ 2 ist.
Dadurch wird erreicht, dass der Ventilsitz bzw. der Ventilschließkörper im Bereich des Ventilsitzes eine große Öffnung aufweist, ohne dass die Gesamtabmessungen des Ventilschließkörpers unverhältnismäßig groß sind. Dadurch erfolgt ein hinreichendes und schnelles Befüllen des Hochdruckraumes, wodurch ein Absinken des hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement verhindert wird, dies auch dann, wenn Zusatzerhebungen am Nocken die Füllzeit wesentlich verkürzen.
Der Ventilschließkörper weist im Anschluss an die partielle Kugeloberfläche eine zylindrische Mantelfläche auf, die vom Rand der Kugeloberfläche ausgeht. Dadurch wird ein leichter Ventilschließkörper zur Verfügung gestellt, der im Gegensatz zu üblichen als Kugel ausgebildeten Ventilschließkörpern eine wesentlich geringere Masse aufweist, obwohl der Ventilsitzdurchmesser groß ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ventilschließkörper im Anschluss an die zylindrische Mantelfläche einen Zapfen aufweist, wobei der Zapfen von einer Ventilschließfeder umschlossen ist, die sich weiterhin in einer Öffnung einer Ventilkappe abstützt. Dadurch wird eine zusätzliche Führung des Ventilschließkörpers erreicht.
Im Anschluss an die Öffnung in der Ventilkappe ist eine Bohrung, vorzugsweise eine Stufenbohrung, vorgesehen, so dass sich der Hochdruckraum auch entlang der Ventilschließfeder, des Zapfens und der Stufenbohrung füllen kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass an dem dem Zapfen abgewandten Ende des Ventilschließkörpers im Bereich der partiellen Kugeloberfläche ein Sackloch vorgesehen ist. Durch das Sackloch wird die Masse des Ventilschließkörpers weiter reduziert und der Ölvorratsraum vergrößert. Das Sackloch dient auch als Auffangtasche für Kontaminationen im Öl.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Radius der schließenden Kugeloberfläche größer oder gleich 2,5 mm ist.
Der Ventilsitzdurchmesser ist dabei größer oder gleich 5,0 mm, wobei der Durchmesser des Ventilschließkörpers größer oder gleich 7,5 mm ist. Dadurch wird sichergestellt, dass eine vollständige Füllung des Hochdruckraumes erfolgt, auch bei Zwischenerhebungen im Bereich des Grundkreises der Nocken.
Dies beruht darauf, dass der Durchmesser des Arbeitskolbens und der Öffnungsquerschnitt der Rückschlagventils für die Funktionsweise des hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselements von besonderer Bedeutung sind.
Die Ventilkappe ist in vorteilhafter Weise mit gestuftem Innendurchmesser ausgeführt, wobei der große Durchmesser die Mantelfläche des Ventilschließkörpers und der kleinere Durchmesser die Ventilschließfeder umschließen.
Dabei sind an der Ventilkappe im Bereich des großen Durchmessers Sicken und Öffnungen vorgesehen, die vom Hochdruckraum bis zum Ventilsitz reichen, um ein ausreichendes und schnelles Füllen des Hochdruckraumes zu bewirken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist.
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch einen als Übertragungselement ausgebildeten Kipphebel mit hydraulischem Ventilspiel-Ausgleichselement, der über eine Rolle mit einem Nocken einer Nockenwelle in Verbindung steht und
2: einen Schnitt durch das hydraulische Ventilspiel-Ausgleichselement in vergrößertem Maßstab.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den 1 und 2 ist, soweit im Einzelnen dargestellt, mit 1 ein Kipphebel bezeichnet, der auf einer Kipphebelachse 2 schwenkbar gelagert ist. Der Kipphebel 1 steht über eine Rolle 3 mit einem Nocken 4 einer Hubkolbenbrennkraftmaschine in Wirkverbindung. Der Nocken ist Bestandteil einer Nockenwelle, die zu einer Hubkolbenbrennkraftmaschine für den Nutzfahrzeug- und/oder PKW-einsatz ausgelegt ist.
An dem freien Ende des Kipphebels 1 ist ein allgemein mit 5 bezeichnetes hydraulisches Ventilspiel-Ausgleichselement eingebaut, das über einen Kanal mit Öl von der Hubkolbenbrennkraftmaschine und/oder einer anderen Ölversorgungseinheit versorgt wird.
Das hydraulische Ventilspiel-Ausgleichselement 5 weist ein Zylindergehäuse 7 auf, das verschiebbar im Kipphebel 1 geführt ist. Im Zylindergehäuse 7 ist ein Arbeitskolben 8 eingebaut, dessen Auswärtsbewegung im Zylindergehäuse 7 durch einen Federring begrenzt ist. Der Arbeitskolben 8 stützt sich, wie in 1 dargestellt, an einer im Kipphebel 1 befestigten Abschlussplatte 9 ab. An einen Hohlraum im Arbeitskolben 8, der als Vorratsraum 10 für Öl ausgebildet ist, schließt sich ein Ventilsitz 11 an, dem ein Ventilschließkörper 12 zugeordnet ist. Der Ventilschließkörper 12 weist eine partielle Kugeloberfläche 13 auf, die in eine zylindrische Mantelfläche 14 übergeht. Im Anschluss an die zylindrische Mantelfläche 14 ist am Ventilschließkörper 12 ein Zapfen 15 angeformt, der von einer Ventilschließfeder 16 umschlossen ist. Die Ventilschließfeder 16 stützt sich weiterhin an einer Ventilkappe 17 ab, die fest im Arbeitskolben eingesetzt, beispielsweise eingepresst, ist. Zwischen der Ventilkappe 17 und dem Zylindergehäuse 7 ist eine Rückstellfeder 18 eingebaut, die den Arbeitskolben vom Zylindergehäuse 7 weg beaufschlagt. Der Raum um die Rückstellfeder 18 ist als Hochdruckraum 19 ausgebildet, der von dem Ventilschließkörper 12 beherrscht ist, der ein Zusammendrücken des Hochdruckraumes verhindert. In der den Ventilschließkörper 12 umgebenden Wandung der Ventilkappe 17 sind Sicken 20 und Öffnungen 21 vorgesehen, die eine schnelle Füllung des Hochdruckraumes 19 aus dem Vorratsraum 10 sicherstellen.
An dem dem Zapfen 15 abgewandten Ende des Ventilschließkörpers 12 ist ein Sackloch 22 eingearbeitet, wodurch die Masse des Ventilschließkörpers verringert wird, gleichzeitig der Vorratsraum 10 vergrößert wird und eine Auffangtasche ausgebildet ist, in der Kontaminationen des Öls sich ablagern können.
Abschließend sei noch einmal darauf hingewiesen, dass üblicherweise das Verhältnis des Durchmessers des Arbeitskolbens zum Durchmesser des Ventilschließkörpers, der üblicherweise als Kugel ausgebildet ist, über 3 liegt. Im vorliegenden Fall ist das Verhältnis bei gleichbleibendem Durchmesser des Arbeitskolbens und einem Radius der partiellen Kugeloberfläche von r = 4 mm ≤ 2.
Bezugszeichenliste

1: Kipphebel
2: Kipphebelachse
3: Rolle
4: Nocken
5: hydraulisches Ventilspiel-Ausgleichselement
6: Kanal
7: Zylindergehäuse
8: Arbeitskolben
9: Abschlussplatte
10: Vorratsraum
11: Ventilsitz
12: Ventilschließkörper
13: partielle Kugeloberfläche
14: zylindrische Mantelfläche
15: Zapfen
16: Ventilschließfeder
17: Ventilkappe
18: Rückstellfeder
19: Hochdruckraum
20: Sicken
21: Öffnung
22: Sackloch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007014248 A1 [0004]

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einem darin angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben von einer Kurbelwelle geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem mit einer Ventilfeder belasteten Ein- und Auslassventil beherrscht sind, die durch von einer Nockenwelle angetriebene Übertragungselemente betätigbar sind, und mit einem hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement (5), das in zumindest eines der Übertragungselemente oder in ein im Übertragungselement eingebautes Bauteil zwischen Nockenwelle und zumindest einem Ein- und/oder Auslassventil eingebaut ist und einen Arbeitskolben (8), ein mit dem Arbeitskolben (8) zusammenwirkendes Zylindergehäuse (7), eine dazwischen eingebaute Rückstellfeder (18) und ein einen Hochdruckraum (19) begrenzendes Rückschlagventil aufweist, dessen Ventilschließkörper (12) mit einem Ventilsitz (11) am Arbeitskolben (8) korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (12) eine partielle Kugeloberfläche (13) im Bereich des Ventilsitzes (11) aufweist und dass das Verhältnis des Durchmessers des Arbeitskolbens (8) zum doppelten Radius der partiellen Kugeloberfläche (13) ≤ 2 ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einem darin angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben von einer Kurbelwelle geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem mit einer Ventilfeder belasteten Ein- und Auslassventil beherrscht sind, die durch von einer Nockenwelle angetriebene Übertragungselemente betätigbar sind, und mit einem hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement (5), das in zumindest eines der Übertragungselemente- oder in ein im Übertragungselement eingebautes Bauteil zwischen Nockenwelle und zumindest einem Ein- und/oder Auslassventil eingebaut ist und einen Arbeitskolben (8), ein mit dem Arbeitskolben (8) zusammenwirkendes Zylindergehäuse (7), eine dazwischen eingebaute Rückstellfeder (18) und ein einen Hochdruckraum (19) begrenzendes Rückschlagventil aufweist, dessen Ventilschließkörper (12) mit einem Ventilsitz (11) am Arbeitskolben (8) korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (12) eine partielle Kugeloberfläche (13) im Bereich des Ventilsitzes (11) aufweist, an die sich eine zylindrische Mantelfläche (14) anschließt.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einem darin angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben von einer Kurbelwelle geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem mit einer Ventilfeder belasteten Ein- und Auslassventil beherrscht sind, die durch von einer Nockenwelle angetriebene Übertragungselemente betätigbar sind, und mit einem hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement (5), das in zumindest eines der Übertragungselemente oder in ein im Übertragungselement eingebautes Bauteil zwischen Nockenwelle und zumindest einem Ein- und/oder Auslassventil eingebaut ist und einen Arbeitskolben (8), ein mit dem Arbeitskolben (8) zusammenwirkendes Zylindergehäuse (7), eine dazwischen eingebaute Rückstellfeder (18) und ein einen Hochdruckraum (19) begrenzendes Rückschlagventil aufweist, dessen Ventilschließkörper (12) mit einem Ventilsitz (11) am Arbeitskolben (8) korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzdurchmesser ≥ 5,0 mm ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einem darin angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben von einer Kurbelwelle geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem mit einer Ventilfeder belasteten Ein- und Auslassventil beherrscht sind, die durch von einer Nockenwelle angetriebene Übertragungselemente betätigbar sind, und mit einem hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement (5), das in zumindest eines der Übertragungselemente oder in ein im Übertragungselement eingebautes Bauteil zwischen Nockenwelle und zumindest einem Ein- und/oder Auslassventil eingebaut ist und einen Arbeitskolben (8), ein mit dem Arbeitskolben (8) zusammenwirkendes Zylindergehäuse (7), eine dazwischen eingebaute Rückstellfeder (18) und ein einen Hochdruckraum (19) begrenzendes Rückschlagventil aufweist, dessen Ventilschließkörper (12) mit einem Ventilsitz (11) am Arbeitskolben (8) korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Ventilschließkörpers (12) ≥ 7,5 mm ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse und zumindest einem darin angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben von einer Kurbelwelle geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem mit einer Ventilfeder belasteten Ein- und Auslassventil beherrscht sind, die durch von einer Nockenwelle angetriebene Übertragungselemente betätigbar sind, und mit einem hydraulischen Ventilspiel-Ausgleichselement (5), das in zumindest eines der Übertragungselemente oder in ein im Übertragungselement eingebautes Bauteil zwischen Nockenwelle und zumindest einem Ein- und/oder Auslassventil eingebaut ist und einen Arbeitskolben (8), ein mit dem Arbeitskolben (8) zusammenwirkendes Zylindergehäuse (7), eine dazwischen eingebaute Rückstellfeder (18) und ein einen Hochdruckraum (19) begrenzendes Rückschlagventil aufweist, dessen Ventilschließkörper (12) mit einem Ventilsitz (11) am Arbeitskolben (8) korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der partiellen Kugeloberfläche (13), vorzugsweise in deren Zentrum, ein dem Hochdruckraum (19) abgewandtes Sackloch (22) vorgesehen ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der partiellen Kugeloberfläche (13) ≥ 2,5 mm ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (12) im Anschluss an die zylindrische Mantelfläche (14) einen Zapfen (15) aufweist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (15) von einer Ventilschließfeder (16) umschlossen ist, die sich weiterhin in einer Öffnung einer Ventilkappe (17) abstützt.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Öffnung in der Ventilkappe (17) eine Bohrung, vorzugsweise eine Stufenbohrung, vorgesehen ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkappe (17) mit gestufftem Inndurchmesser ausgeführt ist, wobei der große Innendurchmesser die zylindrische Mantelfläche (14) des Ventilschließkörpers (12) und der kleinere Durchmesser die Ventilschließfeder (16) umschließen.
Hubkolbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ventilkappe (17) im Bereich des großen Durchmessers Sicken (20) oder Öffnungen (21) vorgesehen sind, die vom Hochdruckraum (19) bis zum Ventilsitz (11) reichen.