DE102019104459A1

DE102019104459A1 - Aktuator eines hydraulischen Ventiltriebs

Info

Publication number: DE102019104459A1
Application number: DE102019104459.6A
Authority: DE
Inventors: Murat Yakan; Robert Seeger; Christian Hagen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: DE102019104459B4; WO2020169152A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Aktuator eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit hydraulischer Gaswechselventilbetätigung. Der Aktuator umfasst ein Aktuatorgehäuse (18) mit einer Kolbenführung (17) und eine hydraulische Ventilspielausgleichsvorrichtung mit einem hohlzylindrischen Kolben (6', 6") und einem Ausgleichsgehäuse (20), wobei:- das Ausgleichsgehäuse den gaswechselventilnahen Endabschnitt des Kolbens unter Bildung eines Ausgleichsraums (21) umschließt, der von einem im Hohlraum (22) des Kolbens gebildeten Hydraulikreservoir versorgt ist,- der gaswechselventilferne Endabschnitt des Kolbens einen Druckraum (8) zur hydraulischen Betätigung des Gaswechselventils (2) mittels der Ventilspielausgleichsvorrichtung begrenzt,- und die Außenmantelfläche des Kolbens mit der Innenmantelfläche der Kolbenführung einen Leckagespalt (23) bildet, der den Druckraum mit dem Hydraulikreservoir verbindet. Die Versorgung des Hydraulikreservoirs soll vollständig über den Leckagespalt verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit hydraulischer Gaswechselventilbetätigung. Der Aktuator umfasst ein Aktuatorgehäuse mit einer Kolbenführung und eine hydraulische Ventilspielausgleichsvorrichtung mit einem hohlzylindrischen Kolben und einem Ausgleichsgehäuse, wobei:

- das Ausgleichsgehäuse den gaswechselventilnahen Endabschnitt des Kolbens unter Bildung eines Ausgleichsraums umschließt, der von einem im Hohlraum des Kolbens gebildeten Hydraulikreservoir versorgt ist,
- der gaswechselventilferne Endabschnitt des Kolbens einen Druckraum zur hydraulischen Betätigung des Gaswechselventils mittels der Ventilspielausgleichsvorrichtung begrenzt,
- und die Außenmantelfläche des Kolbens mit der Innenmantelfläche der Kolbenführung einen Leckagespalt bildet, der den Druckraum mit dem Hydraulikreservoir verbindet.

Die an sich bekannte Funktionsweise eines variablen hydraulischen Ventiltriebs lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass der zwischen dem Nocken einer Nockenwelle und dem das Gaswechselventil betätigenden Kolben eingespannte Druckraum als sogenanntes hydraulisches Gestänge wirkt. Dabei wird das - bei Vernachlässigung von Leckagen - proportional zum Nockenhub verdrängte Hydraulikmittel in Abhängigkeit des Öffnungszeitpunkts und der Öffnungsdauer eines Hydraulikventils in ein erstes, den Kolben beaufschlagendes Teilvolumen und in ein zweites Teilvolumen aufgeteilt, das sich in einen Druckentlastungsraum entlastet. Hierdurch sind die Hubübertragung vom Nocken auf das Gaswechselventil sowohl im Hinblick auf die Steuerzeiten als auch auf die Hubhöhe des Gaswechselventils vollvariabel einstellbar.
Brennkraftmaschinen mit elektrohydraulischem Ventiltrieb, bei dem die wesentlichen, für die hydraulische Übertragung von den antriebseitigen Nockenerhebungen auf die abtriebseitigen Gaswechselventile erforderlichen Komponenten in einem vormontierten und am Zylinderkopf befestigten Aktuator angeordnet sind, sind seit mehreren Jahren beim Automobilhersteller FIAT unter der Bezeichnung ‚Multiair‘ in Großserie.
Der Ventilspielausgleich erfolgt zumeist durch automatische Ventilspielausgleichselemente, deren hydraulische Versorgung separat zum hydraulischen Gestänge durch direkten Anschluss an den Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine erfolgt. Ein gattungsgemäßer Aktuator ist beispielsweise aus der EP 1 344 900 B1 bekannt. Für die Hydraulikversorgung der Ventilspielausgleichsvorrichtung sind zahlreiche Kanäle, üblicherweise in Form von Bohrungen, Ringnuten und Sicken im Aktuatorgehäuse und in der Kolbenführung erforderlich, die typischerweise ein im Aktuatorgehäuse befestigtes Bauteil ist. Darüber hinaus sind regelmäßig Abdichtungen an den Bauteilübergängen erforderlich, um die Hydraulikversorgung des Ventilspielausgleichs vor leckagebedingten Druckverlusten zu schützen.
Aus der DE 10 2010 006 411 A1 und DE 10 2010 006 412 A1 ist jeweils ein hydraulischer Ventiltrieb mit hydraulischem Ventilspielausgleich bekannt, dessen Hydraulikreservoir im wesentlichen ungedrosselt mit dem Druckraum verbunden ist. Eine derartige Versorgung des Ventilspielausgleichs erscheint nicht funktionsfähig zu sein, da die vergleichsweise hohen Spitzendrücke im Druckraum zu einem unkontrollierten Ausgleichsverhalten (Aufpumpen) des Ventilspielausgleichs führen dürften.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aktuator der eingangs Art konstruktiv im Hinblick auf eine vereinfachte Herstellung und Montage des Aktuators bei verringerten Kosten zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass die Versorgung des Hydraulikreservoirs vollständig über den Leckagespalt verläuft. Mit anderen Worten wird die separate Hydraulikversorgung des Ventilspielausgleichs durch Leckage ersetzt, die aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und dem Hydraulikreservoir ohnehin existent ist und deren Menge für eine stets funktionierende Versorgung der Ventilspielausgleichsvorrichtung ausreicht. Der Entfall der separaten Hydraulikversorgung hat insbesondere folgende Vorteile:

- der Herstellaufwand für die separate Hydraulikmittelgalerie, die durch zahlreiche Bohrungen einschließlich Tieflochbohrungen im Aktuator gebildet ist, entfällt;
- mit der Galerie kann die Hydraulikmittel führende, innere Ringnut an der Innenmantelfläche der Kolbenführung entfallen, so dass einerseits eine gleichmäßige Schleifbearbeitung des Führungsdurchmessers begünstigt ist und andererseits verschleißfördernde Kanten der Ringnut entfallen;
- der Herstell- und Montageaufwand für erforderliche Dichtungen und Dichtflächen der Galerie im Bereich von Bauteilübergängen entfällt;
- das über den Leckagespalt verdrängte Hydraulikmittel ist frei von Luftblasen. Damit ist das sonst übliche Risiko der unzulässig hohen Verschäumung beseitigt, die bekanntlich infolge des Steifigkeitsverlusts zur Fehlfunktion der hydraulischen Ventilspielausgleichsvorrichtung führt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:

1 einen Aktuator eines bekannten elektrohydraulischen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine;
2 das erste Ausführungsbeispiel im Längsschnitt;
3 das zweite Ausführungsbeispiel im Längsschnitt.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines bekannten elektrohydraulischen Ventiltriebs zur hubvariablen Betätigung des von einer Ventilfeder 1 in Schließrichtung kraftbeaufschlagten Gaswechselventils 2 einer Brennkraftmaschine. Dargestellt sind folgende Komponenten:

- ein Zylinderkopf 3 mit einem zylinderkopffesten Aktuatorgehäuse 18,
- ein Geberkolben 5, der gehäuseaußenseitig vom Nocken 4 einer Nockenwelle angetrieben ist,
- ein Nehmerkolben 6, der gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil 2 betätigt,
- ein elektromagnetisches 2-2-Wege-Hydraulikventil 7,
- ein vom Geberkolben 5 und vom Nehmerkolben 6 jeweils gehäuseinnenseitig begrenzter Druckraum 8, aus dem bei geöffnetem Hydraulikventil 7 Hydraulikmittel in einen Druckentlastungsraum 9 entweichen kann,
- ein an den Druckentlastungsraum 9 angeschlossener Kolbendruckspeicher 10,
- ein in Richtung des Druckentlastungsraums 9 öffnendes Rückschlagventil 11, über das der Druckentlastungsraum 9 an den Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist,
- und ein im wesentlichen druckloses Hydraulikmittelreservoir 12, das über eine Drossel 13 mit dem Druckentlastungsraum 9 verbunden ist und dessen Inhalt beim Startvorgang der Brennkraftmaschine sofort verfügbar ist.

Die Variabilität des Ventilhubs wird dadurch erzeugt, dass der Druckraum 8 zwischen dem Geberkolben 5 und dem Nehmerkolben 6 als hydraulisches Gestänge wirkt, wobei das - bei Vernachlässigung von Leckagen - proportional zum Hub des Nockens 4 vom Geberkolben 5 verdrängte Hydraulikvolumen in Abhängigkeit des Öffnungszeitpunkts und der Öffnungsdauer des Hydraulikventils 7 in ein erstes, den Nehmerkolben 6 beaufschlagendes Teilvolumen im Druckraum 8 und in ein zweites, in den Druckentlastungsraum 9 einschließlich Kolbendruckspeicher 10 und in das Hydraulikmittelreservoir 12 abströmendes Teilvolumen aufgesplittet wird. Durch die so entkoppelte Bewegung des Gaswechselventils 2 von der Bewegung des Nockens 4 sind die Hubübertragung des Geberkolbens 5 auf den Nehmerkolben 6 und mithin nicht nur die Steuerzeiten, sondern auch die Hubhöhe des Gaswechselventils 2 innerhalb der Erhebung des Nockens 4 vollvariabel einstellbar. Die aufgrund der Entkopplung entfallende Schließrampe des Nockens 4 wird durch eine hydraulische Ventilbremse 14 ersetzt, die das Gaswechselventil 2 kurz vor dem Erreichen des Ventilsitzes 15 auf eine akustisch und mechanisch zulässige Schließgeschwindigkeit abbremst.
Die 2 und 3 zeigen jeweils die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten, die Teil eines (nicht dargestellten) erfindungsgemäßen Aktuators sind:

- ein in einer Aufnahmebohrung eines Aktuatorgehäuses zu befestigende und vorliegend mittels eines Gewindes 16 zu verschraubende Kolbenführung 17 (die Kolbenführung kann alternativ durch die Aufnahmebohrung selbst gebildet sein);
- einen einzigen Dichtring 19, der im Bereich des Gewindes 16 den Druckraum 8 gegenüber der Umgebung des Aktuatorgehäuses dichtet;
- ein durch die Kolbenführung 17 gegen den Grund der Aufnahmebohrung zu verspannendes Drosselrückschlagventil, das die hydraulische Ventilbremse 14 bildet;
- eine hydraulische Ventilspielausgleichsvorrichtung mit einem hohlzylindrischen Nehmerkolben, nachfolgend kurz als Kolben 6' bzw. 6" bezeichnet, und mit einem Ausgleichsgehäuse 20, das das Gaswechselventil 2 stirnseitig kontaktiert.

In bekannter Weise umschließt das Ausgleichsgehäuse 20 den gaswechselventilnahen Endabschnitt des Kolbens 6', 6" unter Bildung eines das Ventilspiel automatisch kompensierenden Ausgleichsraums 21, der von einem im Hohlraum 22 des Kolbens 6', 6" gebildeten Hydraulikreservoir versorgt ist. Der gaswechselventilferne Endabschnitt des Kolbens 6, 6" begrenzt den Druckraum 8, dessen Hydraulikmittelinhalt unter Druckbeaufschlagung das Gaswechselventil 2 mittels der Ventilspielausgleichsvorrichtung betätigt.
Die Außenmantelfläche des Kolbens 6', 6" bildet mit der Innenmantelfläche der Kolbenführung 17 einen Leckagespalt 23, der im Hinblick auf den Druckaufbau im Druckraum 8, die Funktion der hydraulischen Ventilbremse 14 und - bei stillstehender Brennkraftmaschine - die unerwünschte Drainage des Hydraulikmittels aus dem Aktuatorgehäuse nur wenige Mikrometer groß ist. Die Wand des Kolbens 6', 6" ist von einer Bohrung 24 durchsetzt, die den Hohlraum 22 mit einer umlaufenden Ringnut 25 an der Außenmantelfläche des Kolbens 6', 6" verbindet. Der sich zwischen dem Druckraum 8 und der Ringnut 25 erstreckende Leckagespalt 23 stellt folglich eine hydraulische Verbindung zwischen dem Druckraum 8 und dem Hohlraum 22 dar, wobei erfindungsgemäß die Versorgung des Hydraulikreservoirs nicht separat, sondern nur über die Leckage des aus dem Druckraum 8 verdrängten und über den Leckagespalt 23 ablaufenden Hydraulikmittels verläuft.
Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich durch die konstruktive Ausführung der Kolben 6' und 6". Der Kolben 6' umfasst - in an sich bekannter Weise - einen vollzylindrischen ersten Kolbenteil 26, der den Druckraum 8 begrenzt, und einen hohlzylindrischen zweiten Kolbenteil 27, der den Ausgleichsraum 21 begrenzt. Beide Kolbenteile 26, 27 liegen mit stirnseitigem Kontakt aneinander an, ohne im Kontakt Zugkräfte übertragen zu können.
Als (nicht dargestellte) Alternative zu der Ringnut 25 und der Bohrung 24 kann als Hydraulikmittelübertritt vom Leckagespalt 23 in den Hohlraum 22 ein stirnseitiger Kanal, wie beispielweise eine Sicke dienen, die den Kontakt zwischen dem ersten Kolbenteil 26 und dem zweiten Kolbenteil 27 unterbricht.
Der Kolben 6" ist zugunsten eines vergleichsweise hohen und damit großen Hydraulikreservoirs sowie zugunsten einer vergleichsweise geringen Kolbenmasse durchgehend hohlzylindrisch. Der Druckraum 8 und das Hydraulikreservoir sind durch einen Dichtstopfen 28 voneinander separiert, der im gaswechselventilfernen Endabschnitt des Kolbens 6" befestigt ist. Der Dichtstopfen 28 ist vorliegend eine dort eingepresste Kugel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1344900 B1 [0004]
DE 102010006411 A1 [0005]
DE 102010006412 A1 [0005]

Claims

Aktuator eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit hydraulischer Gaswechselventilbetätigung, umfassend ein Aktuatorgehäuse (18) mit einer Kolbenführung (17) und eine hydraulische Ventilspielausgleichsvorrichtung mit einem hohlzylindrischen Kolben (6', 6") und einem Ausgleichsgehäuse (20), wobei: - das Ausgleichsgehäuse (20) den gaswechselventilnahen Endabschnitt des Kolbens (6', 6") unter Bildung eines Ausgleichsraums (21) umschließt, der von einem im Hohlraum (22) des Kolbens (6', 6") gebildeten Hydraulikreservoir versorgt ist, - der gaswechselventilferne Endabschnitt des Kolbens (6', 6") einen Druckraum (8) zur hydraulischen Betätigung des Gaswechselventils (2) mittels der Ventilspielausgleichsvorrichtung begrenzt, - und die Außenmantelfläche des Kolbens (6', 6") mit der Innenmantelfläche der Kolbenführung (17) einen Leckagespalt (23) bildet, der den Druckraum (8) mit dem Hydraulikreservoir verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung des Hydraulikreservoirs vollständig über den Leckagespalt (23) verläuft.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6') einen vollzylindrischen ersten Kolbenteil (26), der den Druckraum (8) begrenzt, und einen hohlzylindrischen zweiten Kolbenteil (27), der den Ausgleichsraum (21) begrenzt, umfasst, wobei der erste Kolbenteil (26) und der zweite Kolbenteil (27) zugkraftfrei aneinander anliegen.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (8) und das Hydraulikreservoir durch einen Dichtstopfen (28) voneinander separiert sind, der im gaswechselventilfernen Endabschnitt des Kolbens (6") befestigt ist.
Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtstopfen (28) eine im gaswechselventilfernen Endabschnitt des Kolbens (6") eingepresste Kugel ist.