DE19629313B4

DE19629313B4 - Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19629313B4
Application number: DE1996129313
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Speil; Dieter Schmidt
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1996-07-20
Filing date: 1996-07-20
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2016-07-21
Also published as: CN1172895A; DE19629313A1; US5860399A; KR100293753B1; KR980009766A; JPH1077811A; CN1095925C

Abstract

Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Nocken (12), einer Nockenwelle und einem vom Nocken (12) beaufschlagten hydraulischen Spielausgleichselement (1) mit folgenden Merkmalen:
– der Nocken (12) besitzt, in Drehrichtung gesehen nach seiner Nockenspitze (17), eine Ablaufflanke (B₁), einen Schließrampenbereich (B₂ – B₄) mit einer Höhe (h_R) und einen Grundkreis (B₅),
– das Spielausgleichselement (1) besteht aus einem hohlzylindrischen Gehäuse (3), in dessen Bohrung (4) ein relativ zum Gehäuse (3) axial beweglicher und gegenüber einem Boden (8) des Gehäuses (3) mit seiner einen Stirnseite (14) abgestützter Druckkolben (5) verläuft, welcher Druckkolben (5) ein sich in Bodenrichtung öffnendes Rückschlagventil (10) hat,
zwischen der Stirnseite (14) und dem Boden (8) ist ein Hochdruckraum (11) für Hydraulikmittel positioniert, der über das Rückschlagventil (10) mit dem Hydraulikmittel versorgbar ist und zwischen der Bohrung (4) und einem Außenmantel (18) des Druckkolbens (5) ist ein Leckspalt (15) für das Hydraulikmittel des Hochdruckraums (11) gebildet,...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Nocken, einer Nockenwelle und einem vom Nocken beaufschlagten hydraulischen Spielausgleichselement nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiger Ventiltrieb ist aus der DE 44 42 376 A1 vorbekannt. Hier ist offenbart, die Absinkwerte der hydraulischen Spielausgleichselemente durch Vergrößerung des Leckspaltes drastisch zu erhöhen, so dass thermisch bedingte Längenänderungen der Gaswechselventile ausreichend kompensiert werden können. Diese Dilatationen treten beispielsweise während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine aus sehr niedrigen Temperaturen auf. Die Gaswechselventile, speziell die Auslaßventile, längen sich schneller, als das Spielausgleichselement in der Lage ist, zusammenzusinken. Die daraus folgenden offenstehenden Ventile führen aufgrund schlechter Zylinderfüllung und Verbrennung im Extremfall zum Ausfall der Verbrennung. Die Brennkraftmaschine kann unter ungünstigsten Bedingungen "absterben". Abgesehen davon kommt es durch unverbrannte Gasmengen auch zu einem vorzeitigen Funktionsverlust des abgasseitigen Katalysators. Gegebenenfalls kann die Brennkraftmaschine nach ihrem vorangegangenen Ausfall aufgrund nach wie vor offenstehender Ventile und somit fehlender Kompression zeitweise nicht mehr problemlos gestartet werden. Verstärkt werden diese Probleme der negativen Spieländerung auch durch zu hohen Öldruck bzw. dessen Pulsation und anderes.
Nun führt der gemäß der Lehre des hier zitierten Dokuments größer gewählte Leckspalt zu dem Erfolg, daß das Spielausgleichselement schneller einsinkt. Um jedoch den jetzt auftretenden Hubverlust am Gaswechselventil auszugleichen, wird in dem Dokument vorgeschlagen (Spalte 4, Zeilen 15–20), die Anlauf- und Ablauframpen der Nocken entsprechend zu erhöhen. Mit diesen höheren Nockenrampen gehen jedoch eine Reihe von Nachteilen einher, wobei diese an sich nicht beliebig erhöht werden können.
Es besteht die Möglichkeit, die Rampengeschwindigkeit zu erhöhen. Dies führt jedoch zwingend dazu, dass das entsprechende Gaswechselventil mit einer unerwünscht hohen Geschwindigkeit in seinen Sitz bei ablaufender Nockenflanke gelangt. Somit ist mit einer Geräuschentwicklung bzw. mit verstärktem Verschleiß am Gaswechselventil zu rechnen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Rampenlänge zu erhöhen. Dies beeinflusst jedoch die Steuerzeiten negativ, da hier der Überschneidungswinkel der Gaswechselventile vergrößert wird. Eine lange und flache Schließrampe erzeugt relativ lang geringfügig offenstehende Gaswechselventile. Hier ist damit zu rechnen, dass die über den schmalen Spalt auszuschiebenden heißen Gase zu einer unerwünschten Wärmebeeinflussung am Schaft und Teller des Gaswechselventils führen. Aus dem vorgenannten Dokument gehen somit keine brauchbaren Hinweise hervor, wie die mit dem schnelleren Absinken der Spielausgleichselemente einhergehenden Nachteile eliminiert werden können.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spielausgleichselement der vorgenannten Art zu schaffen, bei dem die aufgezeigten Nachteile beseitigt sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird vorgeschlagen, den größeren Hubverlust für das Gaswechselventil aufgrund des genannten schnelleren Absinkwertes durch zweckmäßige Gestaltung der Schließrampe des Nockens zu kompensieren. Dabei soll die einem Grundkreis des Nockens in Drehrichtung vorgeordnete Schließrampe eine maximal zulässige Höhe nicht überschreiten und gleichzeitig dem Gaswechselventil eine möglichst niedrige Aufsetzgeschwindigkeit in seinen Sitz garantieren. Somit ist nicht mehr mit der vorhergehend kritisierten Geräuschbildung bzw. dem Ventilverschleiß zu rechnen.
Gleichfalls ist es vorgeschlagen, den Rampenbereich der Schließrampe in Richtung Grundkreis nicht unnötig zu verlängern, was sich günstig auf die Ventilüberschneidung auswirkt. Demnach soll lediglich ein Bereich der Schließrampe häufigsten Schließens des Gaswechselventils in seiner dem jeweiligen Gaswechselventil übermittelten Schließgeschwindigkeit linear ausgelegt sein, wobei dessen beidseitige Randbereiche in Drehrichtung degressiv vorgeschlagen sind. Kommt es bei Temperaturextrema trotzdem zu einem Auftreffen des Gaswechselventils in seinem oberen Totpunkt in einem der degressiven Bereiche, so kann dies akzeptiert werden, da lediglich mit einem geringen Verschleiß aufgrund der statistisch gesehen geringen Auftrefferzahl zu rechnen ist.
Zur Vermeidung einer großen Streuung der Absinkwerte ist es in Konkretisierung der Erfindung vorgeschlagen, einen Quotienten aus dem zahlenmäßig größten und kleinsten Absinkwert nicht größer als 6 zu gestalten. Vorteilhafterweise könnte dieser Quotient nicht nur an einzelnen Spielausgleichselementen je Brennkraftmaschine sondern für alle Spielausgleichselemente des betreffenden Brennkraftmaschinentyps eingestellt werden.
Sämtliche angeführte Größenverhältnisse beziehen sich grundsätzlich auf eine Direktbetätigung des jeweiligen Gaswechselventils über darüberliegende Tassenstößel oder ähnliches, bei seiner indirekten Betätigung über Kipp- oder Schlepphebel ist es erforderlich, in diese Angaben das entsprechende Übersetzungsverhältnis einzurechnen.
Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird zum besseren Verständnis anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese Figur zeigt ein hydraulisches Spielausgleichselement 1, welches in an sich bekannter Art und Weise in einen Tassenstößel 2 eingebaut ist. Dabei besteht das Spielausgleichselement 1 aus einem hohlzylindrischen Gehäuse 3, welches in seiner Bohrung 4, relativ beweglich zu diesem, einen Druckkolben 5 einschließt. Der Druckkolben 5 stützt sich mit seiner einen Stirnseite 6 gegen einen Boden 7 des Tassenstößels 2 ab. In die entgegengesetzte Richtung ist der Druckkolben 5 gegenüber einem Boden 8 des Gehäuses 3 über ein Federmittel 9 abgestützt. Gleichzeitig weist der Druckkolben 5 ein in Richtung zum Boden 8 sich öffnendes, nicht näher zu beschreibendes Rückschlagventil 10 auf. Axial zwischen Druckkolben 5 und Boden 8 verläuft ein Hochdruckraum 11 für Hydraulikmittel. Gleichzeitig ist der Tassenstößel 2 an – seinem Boden 7 von einem Nocken 12 im Hubsinn beaufschlagt. Eine Übertragung eines Hubes des Nockens 12 erfolgt somit, ausgehend von diesem, über den Tassenstößel 2 auf ein dem Boden 8 des Gehäuses 3 zugewandtes Gaswechselventil 13, wie beispielsweise ein Auslaßventil.
Auf die prinzipielle Erläuterung einer Funktionsweise des in den Tassenstößel 2 eingebauten Spielausgleichselements 1 wird an dieser Stelle verzichtet, weil dies der Fachwelt an sich bekannt ist. Jedoch erfolgt während jeder Hubbewegung des Nockens 12 ein Auspressen einer geringen Menge an Hydraulikmittel über einen zwischen Gehäuse 3 und Druckkolben 5 verlaufenden Leckspalt 15. Während einer Grundkreisphase B₅ des Nockens 12 findet eine Eliminierung des im Ventiltrieb auftretenden Spiels dadurch statt, daß der Hochdruckraum 11 aus einem Vorratsraum 16, welcher vom Druckkolben 5 eingeschlossen ist, eine definierte Menge an hydraulischem Mittel nachsaugt. Gleichzeitig sorgt das Federmittel 9 dafür, daß der Kraftschluß zwischen Tassenstößel 2, Nocken 12 und Gaswechselventil 13 spielfrei bleibt. Die o. g. Längenänderung des Spielausgleichselements 1 durch Auspressen des Hydraulikmittels aus dem Hochdruckraum 11 ist nicht nur zum Ausgleich des Ventilspiels notwendig, sondern auch zum Ausgleich von Dilatationen im Ventiltrieb, so wie sie z. B. durch Verschleiß am Ventilsitz oder Wärmedehnung, wie beschreibungseinleitend näher ausgeführt, auftreten können.
Der Leckspalt 15 wird in seiner Breite b derartig breiter und/oder in seiner Länge soviel kürzer als bei vergleichbaren Spielausgleichselementen 1 ausgestaltet, dass das Spielausgleichselement 1 bei Belastung sehr schnell in der Lage ist, zusammenzusinken. Der Fachmann wird dies zweckmäßigerweise so einstellen, dass ein Verhältnis (unter Normbedingungen) eines Absinkwertes AW [sec/mm] von Druckkolben 5 zu Gehäuse 3 bei Belastung zu einem mittleren Leckspaltdurchmesser d_m [mm] etwa im Bereich zwischen 0,03 und 0,5 [sec/mm²] liegt.
Somit ist über alle Temperaturbereiche hinweg mit einem ausreichenden Absinken des Gehäuses 3 relativ zum Druckkolben 5, insbesondere bei schneller Längung des Gaswechselventils 13 in Richtung zum Nocken 12 durch hohen Wärmeeintrag, zu rechnen. Bei Einhaltung dieser Parameter gelingt es dem Motorenfachmann auf einfache Art und Weise, unter allen Betriebsbedingungen ein Schließen des Gaswechselventils 13 einzustellen. Gleichzeitig ist durch den unteren Wert 0,03 (sec/mm²] eine Grenze vorgegeben, bei deren Einhaltung das Gaswechselventil 13 aufgrund des geringen Leckspaltwiderstandes nicht zu früh in seinen Sitz gelangt; mit den bekannten Nachteilen.
Am Nocken 12 kennzeichnen die Bereiche B₂–B₄ eine Schließrampe, wobei B₁ eine auf eine Nockenspitze 17 folgende Ablaufflanke und B₅ den Grundkreis des Nockens 12 darstellt. Zum Ausgleich der größten, absinkzeitbedingten Hubverluste am Spielausgleichselement 1 soll dabei eine Höhe h_R (nicht dargestellt) der Schließrampe B₂ bis B₄ ≤ 0,35 mm gestaltet werden, wobei hierzu auch die Schließgeschwindigkeit v des Gaswechselventils 13 im Bereich B₂–B₄ 40 (μm/°NW] nicht übersteigen sollte. Ebenfalls kann der Bereich B₃ als der Bereich ausgebildet und angesehen werden, in dem es statistisch gesehen zum häufigsten Aufsetzen des Gaswechselventils 13 in seinen Sitz kommt. Daher wird vorgeschlagen, den Bereich B₃ in seinem Geschwindigkeitsverlauf, welcher dem Gaswechselventil 13 übermittelt wird, linear (konstant) zu gestalten, so daß ein ausreichend "sanftes" Aufsetzen des Gaswechselventils 13 in seinen Sitz auftritt. Zur Verkürzung der restlichen Schließrampenbereiche B₂, B₄ ist es dann vorgeschlagen, diese in ihrem Geschwindigkeitsverlauf in Drehrichtung gesehen degressiv auszugestalten. Selbstverständlich ist es denkbar, auch den gesamten Bereich der Schließrampe B₂–B₄ in seinem Verlauf kontinuierlich degressiv zu gestalten.
Zur Erzielung einer geringen Streuung für Spielausgleichselemente 1 eines Brennkraftmaschinentyps gleicher Dimensionierung ist es dabei von besonderem Vorteil, wenn ein Verhältnis aus einem maximalen Absinkwert zu einem minimalen Absinkwert AW_max/AW_min ≤ 6 ist.

b: Breite Leckspalt [mm]
d_m: mittlerer Leckspaltdurchmesser [mm]
AW: Absinkwert allgemein [sec/mm]
AW_max: größter Absinkwert (langsamstes Absinken) [sec/mm]
AW_min: kleinster Absinkwert (schnellstes Absinken) [sec/mm]
h_R: Höhe Schließrampe B₂–B₄ [mm]
B₁: Ablaufflanke
B₂–B₄: Schließrampenbereich
B₅: Grundkreis
v: Schließgeschwindigkeit [μm/°NW]
v_D: Durchschnittsschließgeschwindigkeit [μm/°NW]
°NW: Grad Nockenwinkel
1: Spielausgleichselement
2: Tassenstößel
3: Gehäuse
4: Bohrung
5: Druckkolben
6: Stirnseite
7: Boden
8: Boden
9: Federmittel
10: Rückschlagventil
11: Hochdruckraum
12: Nocken
13: Gaswechselventil, Ventilseite
14: Stirnseite
15: Leckspalt
16: Vorratsraum
17: Nockenspitze
18: Außenmantel
19: Zusatzölpfad

Claims

Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Nocken (12), einer Nockenwelle und einem vom Nocken (12) beaufschlagten hydraulischen Spielausgleichselement (1) mit folgenden Merkmalen: – der Nocken (12) besitzt, in Drehrichtung gesehen nach seiner Nockenspitze (17), eine Ablaufflanke (B₁), einen Schließrampenbereich (B₂ – B₄) mit einer Höhe (h_R) und einen Grundkreis (B₅), – das Spielausgleichselement (1) besteht aus einem hohlzylindrischen Gehäuse (3), in dessen Bohrung (4) ein relativ zum Gehäuse (3) axial beweglicher und gegenüber einem Boden (8) des Gehäuses (3) mit seiner einen Stirnseite (14) abgestützter Druckkolben (5) verläuft, welcher Druckkolben (5) ein sich in Bodenrichtung öffnendes Rückschlagventil (10) hat, zwischen der Stirnseite (14) und dem Boden (8) ist ein Hochdruckraum (11) für Hydraulikmittel positioniert, der über das Rückschlagventil (10) mit dem Hydraulikmittel versorgbar ist und zwischen der Bohrung (4) und einem Außenmantel (18) des Druckkolbens (5) ist ein Leckspalt (15) für das Hydraulikmittel des Hochdruckraums (11) gebildet, – der Leckspalt (15) weist eine solche große Breite (b) bzw. einen derartigen Strömungswiderstand auf, daß unter Normbedingungen für ein Verhältnis eines Absinkwertes (AW) [sec/mm] von Druckkolben (5) zu Gehäuse (3) zu einem mittleren Leckspaltdurchmesser (d_m) [mm], bezogen auf eine Seite eines Gaswechselventils (13), gilt: 0,03 ≤ AW/d_m ≤ 0,5 [sec/mm²]; wobei die Normbedingungen determiniert sind durch eine Kraftbeaufschlagung von Druckkolben (5) zu Gehäuse (3) von 1.500 N, eine kinematische Viskosität des Servomittels von 70 ± 5 mm²/s und eine Temperatur von 20 °C, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, – auf die Ventilseite (13) bezogen beträgt die Höhe (h_R) der Schließrampe (B₂-B₄) ≤ 0,35 mm mit einer dem jeweiligen Gaswechselventil (13) übermittelten Schließgeschwindigkeit (v) von 40 – 0 μm/°NW, wobei für eine auf eine Länge der Schließrampe (B₂–B₄) bezogene Durchschnittsschließgeschwindigkeit (v_D) des Gaswechselventils (13) in etwa gilt: 15 μm/°NW ≤ V_D ≤ 40 μm/°NW und – der Bereich (B₃) der Schließrampe (B₂–B₄), in welchem statistisch gesehen ein häufigstes Schließen des Gaswechselventils (13) stattfindet, ist in seinem Verlauf annähernd geschwindigkeitskonstant ausgelegt, wobei die beidseitig des Bereichs (B₃) liegende Bereiche (B₂, B₄) in ihrem dem Gaswechselventil (13) übermittelten Geschwindigkeitsverlauf in Drehrichtung gesehen degressiv ausgebildet sind.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – daß ein Quotient aus den Extrema einer Streuung der Absinkwerte (AW_max, AW_min) aller Spielausgleichselemente (1) gleicher Dimensionierung zumindest jeder einzelnen Brennkraftmaschine im Bereich von ca. AW_max/AW_min ≤ 6 liegt.