DE102016219297B4

DE102016219297B4 - Hydraulikeinheit für eine Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb

Info

Publication number: DE102016219297B4
Application number: DE102016219297.3A
Authority: DE
Inventors: Lothar von Schimonsky; Steffen Pfeiffer; Nicola Morelli
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: EP3523512A1; DE102016219297A1; CN109790766A; US20210293162A1; CN109790766B; US11187117B2; WO2018065010A1; EP3523512B1

Abstract

Hydraulikeinheit für eine Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb, umfassend:- ein Hydraulikgehäuse (4) mit einem Druckraum (5), einem Druckentlastungsraum (6) und einem Entlüftungskanal (11, 11'), wobei der Druckraum (5), der Druckentlastungsraum (6) und der Entlüftungskanal (11, 11') hydraulisch miteinander verbunden sind,- einen im Hydraulikgehäuse (4) geführten Geberkolben (7), der gehäuseaußenseitig von einem Nocken (3) angetrieben ist und gehäuseinnenseitig den Druckraum (5) begrenzt,- einen im Hydraulikgehäuse (4) geführten Nehmerkolben (8), der gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil (2) antreibt und gehäuseinnenseitig den Druckraum (5) begrenzt,- und ein Hydraulikventil (9), das in geschlossenem Zustand die Verbindung zwischen dem Druckentlastungsraum (6) und dem Druckraum (5) unterbricht, wobei der Entlüftungskanal (11, 11') gehäuseinnenseitig über eine Drosselstelle (12) mit dem Druckentlastungsraum (6) verbunden ist, gehäuseaußenseitig mündet und einen Siphon mit einem jeweils bezüglich der Schwerkraft- und der Entlüftungsrichtung herunter führenden ersten Kanalabschnitt (14) und einem herauf führenden zweiten Kanalabschnitt (15) hat, wobei der unterste Abschnitt (17) des Siphons bei geschlossenem Gaswechselventil (2) unterhalb der Begrenzung (13) des Druckraums (5) vom Nehmerkolben (8) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsrichtung vom Druckentlastungsraum (6) weg führt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hydraulikeinheit für eine Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb. Die Hydraulikeinheit umfasst:

- ein Hydraulikgehäuse mit einem Druckraum, einem Druckentlastungsraum und einem Entlüftungskanal, wobei der Druckraum, der Druckentlastungsraum und der Entlüftungskanal hydraulisch miteinander verbunden sind,
- einen im Hydraulikgehäuse geführten Geberkolben, der gehäuseaußenseitig von einem Nocken angetrieben ist und gehäuseinnenseitig den Druckraum begrenzt,
- einen im Hydraulikgehäuse geführten Nehmerkolben, der gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil antreibt und gehäuseinnenseitig den Druckraum begrenzt,
- und ein Hydraulikventil, das in geschlossenem Zustand die Verbindung zwischen dem Druckentlastungsraum und dem Druckraum unterbricht.

Der Entlüftungskanal ist gehäuseinnenseitig über eine Drosselstelle mit dem Druckentlastungsraum verbunden, mündet gehäuseaußenseitig und hat einen Siphon mit einem jeweils bezüglich der Schwerkraft- und der Entlüftungsrichtung herunter führenden ersten Kanalabschnitt und einem herauf führenden zweiten Kanalabschnitt, wobei der unterste Abschnitt des Siphons bei geschlossenem Gaswechselventil unterhalb der Begrenzung des Druckraums vom Nehmerkolben verläuft.
Die DE 10 2013 213 695 A1 offenbart eine Hydraulikeinheit einer vollvariablen hydraulischen Ventilsteuerung. Die Hydraulikeinheit ist auf dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine montiert, und deren Hydraulikräume entlüften sich - in Schwerkraftrichtung - nach unten in den Zylinderkopf.
Die betriebliche Entlüftung des Hydrauliksystems bewirkt das Abscheiden der vom Hydraulikmittel mitgeführten Luftblasen vom Inneren in die Umgebung des Hydraulikgehäuses und verhindert damit, dass Luft in übermäßiger Menge in den Druckraum gelangt und dort verbleibt, wobei die für die hydraulische Gaswechselventilbetätigung erforderliche Steifigkeit des Hydraulikmittels in unzulässiger Höhe beeinträchtigt wäre. Andererseits begünstigt die Entlüftung aber auch die Leckage des Hydraulikmittels aus dem Hydraulikgehäuse, wenn die Brennkraftmaschine abgestellt ist. Denn das abkühlende und dabei im Volumen schrumpfende Hydraulikmittel erzeugt Unterdruck in den Hydraulikräumen, der über Nachsaugen von Luft via Entlüftungskanal ausgeglichen wird. Während dieses Druckausgleichs sorgt die Schwerkraft dafür, dass sich die Hydraulikräume über die Leckage durch den Führungsspalt zwischen Nehmerkolben und Hydraulikgehäuse in dessen Umgebung entleeren. Somit besteht bei längerer Stillstandszeit der Brennkraftmaschine das erhöhte Risiko, dass sich die Hydraulikräume vollständig entleeren und die im Druckraum befindliche Luft infolge der hohen Kompressibilität den Druckaufbau im Druckraum so beeinträchtigt, dass das für den Startvorgang der Brennkraftmaschine erforderliche Öffnen des Gaswechselventils verhindert wird.
In der EP 2 060 754 A2 ist eine Hydraulikeinheit mit einem zusätzlichen Niederdruckraum vorgeschlagen, der zwecks Entlüftung über eine bezüglich der Schwerkraftrichtung, d.h. geodätisch hoch positionierte Gehäuseöffnung mit dem Inneren des Zylinderkopfs und über eine geodätisch tief positionierte Drosselstelle mit dem Druckentlastungsraum kommuniziert. Der Niederdruckraum stellt ein erweitertes Hydraulikreservoir dar, das den Druckraum während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine mit hinreichend luftfreiem Hydraulikmittel versorgt. Die zuvor erläuterte Problematik wird hierdurch jedoch nicht beseitigt, sondern nur entschärft, da die Zeitdauer der Druckraumentleerung lediglich etwas verlängert wird.
Eine gattungsgemäße Hydraulikeinheit ist aus der US 2010 / 0 294 220 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hydraulikeinheit der eingangs genannten Art dahingehend fortzubilden, dass die Hydraulikleckage aus dem Hydraulikgehäuse auf ein solches Maß reduziert wird, dass das im Druckraum befindliche Hydraulikmittel auch nach längerer Stillstandzeit der Brennkraftmaschine einen für deren Startvorgang kritischen Füllstand nicht unterschreitet.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach führt die Entlüftungsrichtung vom Druckentlastungsraum weg.
Der Siphon hat zwei Funktionen: Zum einen bildet er mit dem herauf führenden zweiten Kanalabschnitt ein Hydraulikreservoir, das zum Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraftmaschine mit Hydraulikmittel befüllt ist und das anschließend die abkühlbedingte Schrumpfung des Hydraulikmittels in den Hydraulikräumen - je nach Volumen des Reservoirs - teilweise oder vollständig kompensiert. Zum anderen bewirkt der dabei fallende Pegel im zweiten Kanalabschnitt eine (über die kommunizierenden Röhren) entsprechende Verkürzung der auf dem Nehmerkolben lastenden Hydraulik- oder Ölsäule, so dass der niedrige Druck im Druckraum dessen Leckage idealerweise vollständig verhindert.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Demnach soll der Entlüftungskanal einen sich an den zweiten Kanalabschnitt anschließenden dritten Kanalabschnitt haben, der (ebenfalls) bezüglich der Schwerkraft- und der Entlüftungsrichtung bis zur gehäuseaußenseitigen Kanalmündung herunter führt. Diese konstruktive Ausgestaltung mit einem nach unten in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine führenden und fertigungstechnisch bevorzugt an der Unterseite des Hydraulikgehäuses mündenden, gebohrten Entlüftungskanal ermöglicht es, die Oberseite des Zylinderkopfs vollständig durch die Hydraulikeinheit gegenüber der Umgebung abzuschließen. Im Falle einer auf der Oberseite der Hydraulikeinheit mündenden Entlüftung ist demgegenüber ein abschließender Zylinderkopfdeckel und damit ein weiteres Bauteil erforderlich.
Die das Volumen des Hydraulikreservoirs bestimmende Dimensionierung des Entlüftungskanals kann auch für den Zustand relevant sein, in dem der Pegel im untersten Abschnitt des Siphons so weit absinkt, dass ein Rücksaugen von Luft über den ersten Kanalabschnitt nicht vermeidbar ist. Erst ab einer Mindestgröße des Kanalquerschnitts können darin Luftblasen aufsteigen, ohne die darüber liegende Ölsäule vor sich her zu schieben und in den Druckentlastungsraum zu verdrängen. Da die rückgesaugten Luftblasen durch die im ersten Kanalabschnitt stehende Ölsäule hindurch aufsteigen und sich diese quasi wieder verschließt, wird der Leckage hemmende Unterdruck im Hydraulikgehäuse aufrecht erhalten. Im Falle eines Öls mit dem Viskositätsindex 0W20 und im Falle des ersten Kanalabschnitts mit fertigungstechnisch günstigem, kreisförmigem Querschnitt soll dessen Innendurchmesser mindestens 6 mm betragen. Besonders gute und robuste Ergebnisse wurden mit einem Innendurchmesser von ca. 8 mm erzielt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Soweit nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:

1 das erste Ausführungsbeispiel mit einem oben mündenden Entlüftungskanal;
2 das zweite Ausführungsbeispiel mit einem unten mündenden Entlüftungskanal.

1 zeigt schematisch den für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb. Dargestellt ist ein Zylinderkopf 1 mit zwei gleichartigen und in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventilen 2 pro Zylinder und zugehörigen Nocken 3 einer Nockenwelle. Die Variabilität des Gaswechselventiltriebs wird auf bekannte Weise mittels einer zwischen den Nocken 3 und den Gaswechselventilen 2 angeordneten Hydraulikeinheit erzeugt. Diese umfasst ein im Zylinderkopf 1 befestigtes Hydraulikgehäuse 4, in dem je Zylinder ein Druckraum 5 und ein Druckentlastungsraum 6 ausgebildet sowie ein Geberkolben 7 geführt sind, der gehäuseaußenseitig vom Nocken 3 angetrieben ist und gehäuseinnenseitig den Druckraum 5 begrenzt. Weiterhin sind im Hydraulikgehäuse 4 zwei Nehmerkolben 8 je Zylinder geführt, die gehäuseaußenseitig die Gaswechselventile 2 antreiben und gehäuseinnenseitig den gemeinsamen Druckraum 5 begrenzen. Jeweils ein elektromagnetisches Hydraulikventil 9, vorliegend ein stromlos geöffnetes 2-2-Wegeventil unterbricht in geschlossenem Zustand die Verbindung zwischen dem Druckentlastungsraum 6 und dem Druckraum 5. Im geöffneten Zustand des Hydraulikventils 9 kann ein Teil des vom Geberkolben 7 verdrängten Hydraulikmittels in den Druckentlastungsraum 6 abströmen, ohne an der Betätigung des Nehmerkolbens 8 und des zugehörigen Gaswechselventils 2 teilzunehmen. An jedem Druckentlastungsraum 6 ist ein Kolbendruckspeicher 10 zur Aufnahme des verdrängten Hydraulikmittels angeschlossen. Die Druckentlastungsräume 6 sind über einen nicht dargestellten Hydraulikanschluss am Hydraulikgehäuse 4 mit dem Hydraulikkreislauf, d.h. dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden.
Die an sich bekannte Funktionsweise des hydraulischen Gaswechselventiltriebs lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass der Druckraum 5 zwischen dem Geberkolben 7 und den Nehmerkolben 8 als hydraulisches Gestänge wirkt. Dabei wird das - bei Vernachlässigung von Leckagen - proportional zum Hub des Nockens 3 vom Geberkolben 7 verdrängte Hydraulikmittel in Abhängigkeit des Öffnungszeitpunkts und der Öffnungsdauer des Hydraulikventils 9 in ein erstes, die Nehmerkolben 8 beaufschlagendes Teilvolumen und in ein zweites, in den Druckentlastungsraum 6 einschließlich Kolbendruckspeicher 10 abströmendes Teilvolumen aufgeteilt. Hierdurch sind die Hubübertragung des Geberkolbens 7 auf die Nehmerkolben 8 und mithin nicht nur die Steuerzeiten, sondern auch die Hubhöhe der Gaswechselventile 2 vollvariabel einstellbar.
Die Druckentlastungsräume 6 sind an einem gemeinsamen Entlüftungskanal 11 im Hydraulikgehäuse 4 angeschlossen, der die betrieblich aus dem Hydraulikkreislauf in das Hydraulikgehäuse 4 geförderten Luftblasen aus den Hydraulikräumen in den Zylinderkopf abscheidet. Der Entlüftungskanal 11 ist gehäuseinnenseitig über Drosselstellen 12 mit dem jeweiligen Druckentlastungsraum 6 hydraulisch verbunden und mündet gehäuseaußenseitig in das Innere des Zylinderkopfs 1. Der Entlüftungskanal 11 verläuft geodätisch, d.h. bezüglich der durch den Pfeil symbolisierten Richtung der Schwerkraft g oberhalb der Drosselstellen 12, der Druckentlastungsräume 6 und der Druckräume 5, die von den Nehmerkolben 8 in Höhe der Begrenzung 13 begrenzt werden, wenn diese bei geschlossenen Gaswechselventilen 2 vollständig im Hydraulikgehäuse 4 eingefahren sind.
Der Entlüftungskanal 11 hat einen Siphon mit einem stromabwärts in Entlüftungsrichtung jeweils geodätisch herunter führenden ersten Kanalabschnitt 14 und einem herauf führenden zweiten Kanalabschnitt 15, der an der gehäuseaußenseitigen Kanalmündung 16 mit der Oberseite des Hydraulikgehäuses 4 abschließt.
Das Hydraulikgehäuse 4 befindet sich kurz nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine in entlüftetem Zustand, in dem der Entlüftungskanal 11 bis zur Kanalmündung 16 vollständig mit Hydraulikmittel befüllt ist. 1 zeigt den Füllzustand zu einem deutlich späteren Zeitpunkt, an dem das Hydraulikmittel vollständig auf Umgebungstemperatur abgekühlt und dessen Volumen dementsprechend geschrumpft ist. Der Volumenausgleich erfolgt durch Absinken des Hydraulikmittels im zweiten Kanalabschnitt 15 bis zu dem dargestellten Pegel am untersten Abschnitt 17 des Siphons. Dieser unterste Abschnitt 17 verläuft geodätisch unterhalb der Begrenzung 13, so dass die im ersten Kanalabschnitt 14 stehende Ölsäule einen die Leckage hemmenden Unterdruck in den Druckräumen 5 erzeugt.
In einer nicht dargestellten Alternativausführung können der erste und der zweite Kanalabschnitt schräg zueinander gebohrt sein, wobei dann der unterste Abschnitt des Siphons durch die Verschneidung der beiden Kanalabschnitte gebildet wäre.
Für den Fall, dass der Volumenausgleich zu einem weiteren Absinken des dargestellten Pegels führt und der unterste Abschnitt 17 des Siphons belüftet wird, kann es infolge des Unterdrucks zum Nachsaugen von Luftblasen 18 in die Hydraulikräume kommen. Der zwischen 8 mm und 9 mm im Verhältnis zur Größe der Luftblasen 18 deutlich größere Innendurchmesser des ersten Kanalabschnitts 14 ermöglicht es, dass die Luftblasen 18 durch die darin stehende Ölsäule hindurch nach oben wandern können und sich die Ölsäule nach dem Passieren der Luftblasen 18 wieder schließt. Hierdurch wird der Unterdruck aufrechterhalten, der die hydraulische Leckage durch den Führungsspalt zwischen den Nehmerkolben 8 und dem Hydraulikgehäuse 4 in den Zylinderkopf 1 hemmt und damit - zusätzlich zum Volumenausgleich aus dem zweiten Kanalabschnitt 15 - das kritische Entleeren der Druckräume 5 verzögert.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der zuvor erläuterten Ausführung lediglich durch die geodätisch tiefe Positionierung der Kanalmündung 16' am Hydraulikgehäuses 4. Dabei hat der Entlüftungskanal 11' einen sich an den zweiten Kanalabschnitt 15 anschließenden dritten Kanalabschnitt 19, der - ebenfalls bezüglich der Schwerkraft- und der Entlüftungsrichtung - wie der erste Kanalabschnitt 14 geodätisch herunter führt und dessen gehäuseaußenseitige Kanalmündung 16' an der Unterseite des Hydraulikgehäuses 4 liegt und vorliegend mit dessen Unterseite abschließt.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung kann die gehäuseaußenseitige Kanalmündung des Entlüftungskanals unterhalb des Pegels eines Hydraulikreservoirs münden, das beispielsweise im Zylinderkopf außerhalb des Hydraulikgehäuses gebildet ist. Hierdurch wird - ohne die Entlüftung der Hydraulikräume im Hydraulikgehäuse zu beeinträchtigen - verhindert, dass bei stilstehender Brennkraftmaschine Luft über den Entlüftungskanal in die Hydraulikräume rückgesaugt wird.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2: Gaswechselventil
3: Nocken
4: Hydraulikgehäuse
5: Druckraum
6: Druckentlastungsraum
7: Geberkolben
8: Nehmerkolben
9: Hydraulikventil
10: Kolbendruckspeicher
11: Entlüftungskanal
12: Drosselstelle
13: Begrenzung
14: erster Kanalabschnitt
15: zweiter Kanalabschnitt
16: Kanalmündung
17: unterster Abschnitt des Siphons
18: Luftblase
19: dritter Kanalabschnitt

Claims

Hydraulikeinheit für eine Brennkraftmaschine mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb, umfassend: - ein Hydraulikgehäuse (4) mit einem Druckraum (5), einem Druckentlastungsraum (6) und einem Entlüftungskanal (11, 11'), wobei der Druckraum (5), der Druckentlastungsraum (6) und der Entlüftungskanal (11, 11') hydraulisch miteinander verbunden sind, - einen im Hydraulikgehäuse (4) geführten Geberkolben (7), der gehäuseaußenseitig von einem Nocken (3) angetrieben ist und gehäuseinnenseitig den Druckraum (5) begrenzt, - einen im Hydraulikgehäuse (4) geführten Nehmerkolben (8), der gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil (2) antreibt und gehäuseinnenseitig den Druckraum (5) begrenzt, - und ein Hydraulikventil (9), das in geschlossenem Zustand die Verbindung zwischen dem Druckentlastungsraum (6) und dem Druckraum (5) unterbricht, wobei der Entlüftungskanal (11, 11') gehäuseinnenseitig über eine Drosselstelle (12) mit dem Druckentlastungsraum (6) verbunden ist, gehäuseaußenseitig mündet und einen Siphon mit einem jeweils bezüglich der Schwerkraft- und der Entlüftungsrichtung herunter führenden ersten Kanalabschnitt (14) und einem herauf führenden zweiten Kanalabschnitt (15) hat, wobei der unterste Abschnitt (17) des Siphons bei geschlossenem Gaswechselventil (2) unterhalb der Begrenzung (13) des Druckraums (5) vom Nehmerkolben (8) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsrichtung vom Druckentlastungsraum (6) weg führt.
Hydraulikeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (11') einen sich an den zweiten Kanalabschnitt (15) anschließenden dritten Kanalabschnitt (19) hat, der bezüglich der Schwerkraft- und der Entlüftungsrichtung bis zur gehäuseaußenseitigen Kanalmündung (16') herunter führt.
Hydraulikeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalmündung (16') bezüglich der Schwerkraftrichtung an der Unterseite des Hydraulikgehäuses (4) liegt.
Hydraulikeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalabschnitt (14) einen kreisförmigen Querschnitt hat, dessen Innendurchmesser mindestens 6 mm beträgt.