DE102012221354A1

DE102012221354A1 - Hydraulikeinheit für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb

Info

Publication number: DE102012221354A1
Application number: DE102012221354A
Authority: DE
Inventors: Takao Ichimura
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Hydraulikeinheit 1 für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb. Ziel ist es den Hub des Nehmerkolbens 11 zu erhöhen und gleichzeitig das hydraulische Ansprechverhalten der Hydraulikeinheit 1 zu verbessern. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen dem Hochdruckraum 10 und dem Mitteldruckraum 17 eine erste hydraulische Verbindung 22 vorgesehen wird, wobei die erste Verbindung in einer ersten Position des Geberkolbens 6 geöffnet und einer zweiten Position des Geberkolbens 6 geschlossen ist. Damit läuft der Geberkolben 6 in seiner frühen Betätigungsphase ohne Gegenkraftbeaufschlagung durch das hydraulische System, wobei das typische, exponentielle Anlaufverhalten abgekürzt wird und unmittelbar mit einem steil parabolischen Verlauf einsetzt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Hydraulikeinheit für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb, umfassend

– eine antriebseitige Gebereinheit mit einem Geberkolben,
– eine abtriebseitige Nehmereinheit,
– ein ansteuerbares Hydraulikventil,
– einen mit einem Druckspeicher hydraulisch verbundenen Mitteldruckraum, einen Hochdruckraum, der im Übertragungssinn zwischen der zugehörigen Gebereinheit und der zugehörigen Nehmereinheit angeordnet ist.

Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Hydraulikeinheit geht aus der DE 10 2007 054 376 A1 hervor. Bei der dort vorgeschlagenen Hydraulikeinheit sind alle wesentlichen, für die hydraulisch variable Übertragung von Nockenerhebungen auf die Gaswechselventile erforderlichen Bauteile und die Druckräume in einem gemeinsamen Hydraulikgehäuse in Sandwichbauweise zusammengefasst. Weitere ähnliche Systeme finden sich unter US 2011/0277712 A1 , US 2011/0290204 A1 und US 8020526 B2 .
Wie es beispielsweise in der zuerst zitierten Druckschrift erläutert ist, wird der Mitteldruckraum mit einem Druckspeicher versehen, der hydraulische Energie des Geberkolbens, bei Nichtbetätigung des Gasventils zwischenspeichert. Die Betätigung findet nur bei vom Mitteldruckraum getrenntem Hochdruckraum satt, dessen hydraulisches Medium die Betätigungskraft des Geberkolbens auf das Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine überträgt.
Nachteiligerweise und bedingt durch das Actio-Reactio Prinzip ist der anfängliche und abschließende Verlauf der Hubkurve des Nehmer- und Geberkolbens im gekoppeltem Zustand sehr flach, sodass die Hubkurve insgesamt wenig Fläche aufweist. Dies wird in 4 verdeutlicht, die eine Hubkurve K1 des in der DE 10 2007 054 376 A1 genannten Systems, zeigt. Im Bereich S1 ist der Verlauf relativ flach im Gegensatz zum Bereich S2. Dies rührt daher, dass in diesen Zeiträumen die Beschleunigung bzw. Abbremsung der gesamten beweglichen Einheiten, inklusive des hydraulischen Mediums, bewerkstelligt werden muss.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hydraulikeinheit der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Hubcharakteristik verbessert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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 ist bei einer Hydraulikeinheit der eingangs genannten Art zwischen dem Hochdruckraum und dem Mitteldruckraum eine erste hydraulische Verbindung vorgesehen, wobei die erste Verbindung in einer ersten Position des Geberkolbens geöffnet und einer zweiten Position des Geberkolbens geschlossen ist. Dabei ist es durchaus möglich, dass es mehrere zweite Positionen geben kann, die der Geberkolben im Laufe seines Zyklus einnimmt, in denen der Hochdruckraum vom Mitteldruckraum getrennt ist. Zwischen der ersten und den zweiten Positionen durchwandert (in einem Zyklus zweimal) der Geberkolben die Übergangsphase, während deren Verlauf eine kontinuierliche Drosselung oder Öffnung des Flusses des hydraulischen Mediums zwischen dem Mitteldruckraum und dem Hochdruckraum stattfindet.
In besagter Übergangsphase aus der ersten in die zweite Position oder umgekehrt, schließt der Geberkolben einen den Mitteldruckraum mit dem Hochdruckraum verbindenden Ablauf immer weiter ab, um ihn schließlich ganz abzuschließen, beziehungsweise öffnet ihn immer weiter bis der Ablauf völlig geöffnet ist.
Vorteilhafterweise ist der Hochdruckraum zusätzlich über ein Hydraulikventil als eine zweite hydraulische Verbindung mit dem Mitteldruckraum in Abhängigkeit eines Schaltzustandes des Hydraulikventils verbindbar. Dadurch ergeben sich zusätzlich Möglichkeiten, wie sie von sogenannten „UniAir“-Systemen bekannt sind. Die hubverbesserte Hubkurve lässt sich dann auch noch flexibel ab uns zu schalten. Somit lohnen sich insbesondere auch kurze Schaltzeiten („Multilift“), weil das hydraulische System schneller auf die Betätigung durch die Nockenwelle reagiert. Folglich stellt sich nicht nur eine Leistungsverbesserung des Ventiltriebes durch die größere Hubfläche ein, sondern auch seine Einsetzbarkeit wird vielfältiger.
Die erste Position des Geberkolbens kann eine unbetätigte Ausgangsposition und die zweite Position des Geberkolbens eine Position einer Betätigungsbewegung des Geberkolbens sein. Die Ausgangsposition wird dem der Nockenwelle zuordenbaren Wendepunkt zugeordnet, wobei die zweiten Positionen im mittleren Bewegungsbereich des Geberkolbens liegen.
Bei abgeschlossenem Ablauf wird Betätigungskraft vom Geberkolben über den Hochruckraum hydraulisch auf einen Nehmerkolben übertragen und bei offenem Ablauf wird Betätigungskraft in den Druckspeicher hydraulisch übertragen. Daher ist es vorteilhaft die jeweiligen Rückstellelemente dahingehend auszulegen, dass bei gleichzeitiger Beanspruchung voranging der Druckspeicher gespeist wird. Daher sollte dessen Rückstellelement eine weniger starke Rückstellkraft aufweisen als das des Nehmerkolbens.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Soweit nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Hydraulikeineinheit eines hydraulisch variablen Gaswechselventiltriebs mit Schaltventil;
2 eine erfindungsgemäße Gebereinheit mit einem Geberkolben in einer ersten Ausgangsposition (2a), am Ende der Übergangsphase (2b) und in einer zweiten Position (2c) der Betätigungsbewegung;
3 zeigt die Hubkurven eines Nehmerkolbens der erfindungsgemäßen Hydraulikeinheit und einer weiteren gemäß dem Stand der Technik;
4 zeigt die Hubkurve des Nehmerkolbens der Hydraulikeinheit gemäß dem Stand der Technik;
5 eine schematische Darstellung einer Hydraulikeineinheit eines hydraulisch variablen Gaswechselventiltriebs ohne Schaltventil.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Abbildung einer erfindungsgemäßen Hydraulikeinheit 1 mit Schnellschaltventil 9 als zweiter Verbindung zwischen dem Mitteldruckraum 17 und dem Hochdruckraum 10.
Die Nockenwelle 2 betätigt bei ihrer Umdrehung mit der Nocke 3 den Geberkolben 6 über den Hebel 4 in die Kolbenführung 8 hinein, wobei die Rückstellfeder 5 gespannt und der Ablauf 7 in einer Übergangsphase kontinuierlich geschlossen wird. Dabei füllt sich der Druckspeicher 16 über den Mitteldruckraum 17, während der Nehmerkolben 11 still steht.
Sofern das elektromagnetische Schnellschaltventil 9 geschlossen ist, wird nach dem Verschließen des Ablaufs 7 der Hub des Nehmerkolbens 11 in dessen Führung 12 in Gang gesetzt, womit das Gasventil 15 einer Einlass- oder Auslassseite entgegen der Kraft der Rückstellfeder 13 geöffnet wird.
Bei offenem Schaltventil 9 sind Hochdruckraum 10 und Mitteldruckraum 17, 22 stets miteinander verbunden und das Gasventil ist abgeschaltet. Die erste Verbindung 22 durch den Ablauf 7 verliert hierbei sämtliche Wirkung.
Das Rückschlagventil 18 erlaubt die Versorgung des Systems mit hydraulischen Medium, insbesondere Öl oder einem anderen Schmierstoff.
2a zeigt das Hydrauliksystem 1 in der Ausgangsposition.
2b zeigt das Hydrauliksystem 1 am Ende der Übergangsphase, bzw. kurz vor einer zweiten Position des Geberkolbens 6.
2c zeigt das Hydrauliksystem 1 in einer weiteren zweiten Position.
3 demonstriert den Hubkurvenvorteil der Erfindung. Zunächst ist zu beachten, dass die Hubkurven in allen Figuren über dem Drehwinkel α der Nockenwelle 2 abgetragen und in mit einem Längenmass S der Translationsbewegung des Nehmerkolbens 11 bemessen sind.
Die Hubkurve K2 ist die des Systems aus 1, wobei die Hubkurve K1 diejenige eines bekannten Systems aus dem Stand der Technik darstellt (vergleiche 4). Dabei ist nicht verkennbar, dass ein flächenmäßiger Überlapp zugunsten der erfindungsgemäßen Hydraulikeinheit festzustellen ist, die dem rapiden Ansteigen/Abfallen in den Randbereichen zu verdanken ist.
5 stellt eine Low-Cost Variante einer Hydraulikeinheit dar, die keine flexible Kopplung von Geber- 6 und Nehmerkolben 11 zulässt, sondern nur dann eintritt, wenn Ablauf 7 vom Geberkolben 6 überdeckt wird.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Hydraulikeinheit 1 für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb. Ziel ist es den Hub des Nehmerkolbens 11 zu erhöhen und gleichzeitig das hydraulische Ansprechverhalten der Hydraulikeinheit 1 zu verbessern. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen dem Hochdruckraum 10 und dem Mitteldruckraum 17 eine erste hydraulische Verbindung 22 vorgesehen wird, wobei die erste Verbindung in einer ersten Position des Geberkolbens 6 geöffnet und einer zweiten Position des Geberkolbens 6 geschlossen ist. Damit läuft der Geberkolben 6 in seiner frühen Betätigungsphase ohne Gegenkraftbeaufschlagung durch das hydraulische System, wobei das typische, exponentielle Anlaufverhalten abgekürzt wird und unmittelbar mit einem steil parabolischen Verlauf einsetzt.
Bezugszeichenliste

α: Drehwinkel der Nockenwelle
K1: Hubkurve
K2: erfindungsgemäße Hubkurve
S: Längeneinheit
S1: flacher Bereich
S2: steiler Bereich
1: Hydraulikeinheit
2: Nockenwelle
3: Nocken
4: Hebel
5: Rückstellfeder
6: Geberkolben
7: Ablauf
8: Kolbenführung
9: Hydraulikventil
10: Hochdruckraum
11: Nehmerkolben
12: Nehmerkolbenführung
13: Rückstellfeder
14: Zylinderkopf
15: Gaswechselventil
16: Druckspeicher
17: Mitteldruckraum
18: Rückschlagventil
19: Einflussrichtung des hydraulischen Mediums
20: Gebereinheit
21: Nehmereinheit
22: erste Verbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007054376 A1 [0002, 0004]
US 2011/0277712 A1 [0002]
US 2011/0290204 A1 [0002]
US 8020526 B2 [0002]

Claims

Hydraulikeinheit (1) für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb, umfassend – eine antriebseitige Gebereinheit (20) mit einem Geberkolben (6), – eine abtriebseitige Nehmereinheit (21), – ein ansteuerbares Hydraulikventil (9), – einen mit einem Druckspeicher (16) hydraulisch verbundenen Mitteldruckraum (17), – einen Hochdruckraum (10), der im Übertragungssinn zwischen der zugehörigen Gebereinheit (20) und der zugehörigen Nehmereinheit (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckraum (10) und dem Mitteldruckraum (17) eine erste hydraulische Verbindung (22) vorgesehen ist, wobei die erste Verbindung (22) in einer ersten Position des Geberkolbens (6) geöffnet und einer zweiten Position des Geberkolbens (6) geschlossen ist.
Hydraulikeinheit (5) nach Anspruch 1, wobei der Hochdruckraum (10) zusätzlich über ein Hydraulikventil (9) als eine zweite hydraulische Verbindung mit dem Mitteldruckraum (17) in Abhängigkeit eines Schaltzustandes des Hydraulikventils (9) verbindbar ist.
Hydraulikeinheit (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Position des Geberkolbens (6) eine unbetätigte Ausgangsposition und die zweite Position des Geberkolbens (6) eine Position einer Betätigungsbewegung des Geberkolbens (6) ist.
Hydraulikeinheit (5) nach Anspruch 3, wobei der Geberkolben (6) in einer Übergangsphase aus der ersten in die zweite Position über einen den Mitteldruckraum (17) mit dem Hochdruckraum verbindenden Ablauf (7) immer weiter abdeckt und schließlich ganz abschließt.
Hydraulikeinheit (5) nach Anspruch 4, wobei bei abgeschlossenem Ablauf (7) Betätigungskraft vom Geberkolben (6) über den Hochruckraum (10) hydraulisch auf einen Nehmerkolben (11) übertragen wird und bei offenem Ablauf (7) Betätigungskraft in den Druckspeicher (16) hydraulisch übertragen wird.