DE19650124A1 - Ventil mit sich selbsttätig hydraulisch einstellendem Ausgleichselement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil, insbe­ sondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit sich selbsttätig hydraulisch einstellendem Aus­ gleichselement, das zwischen dem Ventilschaft und einem Steuernocken angeordnet ist und aus einem Ge­ häuse besteht, in dem ein Kolben axial verschiebbar ist, an dessen Boden der Ventilschaft oder Steuer­ nocken anliegt, wobei der Kolben ein erstes, mit Hydraulikflüssigkeit gefülltes Volumen abschließt, dessen vom Kolbenboden abgewandte Wandung starr mit dem Gehäuse verbunden ist und durch eine Öffnung, die mit einem Rückschlagventil versehen ist, wel­ ches bei einer Druckkraft auf den Kolbenboden schließt, mit einem Vorratsvolumen in Verbindung steht, das mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, und der Kolben mit einer Federkraft beaufschlagt ist, die in Richtung des Kolbenbodens wirkt.

Bei Ventilen, insbesondere den Ein- und Auslaßven­ tilen eines Verbrennungsmotors, besteht das Pro­ blem, daß sich ihre geometrischen Dimensionen auf­ grund der thermischen Materialausdehnung abhängig von der Betriebstemperatur ändern. In der Regel sind die einzelnen Elemente des Ventils, insbeson­ dere sein Gehäuse mit dem Ventilsitz einerseits und der Ventilstößel andererseits unterschiedlichen Temperaturen und Temperaturgradienten ausgesetzt und bestehen aus verschiedenen Werkstoffen. Die nachteilige Folge ist eine Änderung des Ventil­ spiels, die sich insbesondere bei kaltem Motor durch erhöhte Geräuschentwicklung und Leistungsver­ luste bemerkbar macht.

Zur Vermeidung sind sich selbsttätig hydraulisch einstellende Ausgleichselemente bekannt, die zwi­ schen dem Ventilschaft und einem Steuernocken ange­ ordnet werden und beispielsweise in der Patent­ schrift DE 36 23 638 beschrieben sind. Sie bestehen aus einem Gehäuse mit darin axial verschiebbarem Kolben, wobei der Ventilschaft oder - bei um 180° gedrehter Einbaulage des Ausgleichselementes - sein Steuernocken am Kolbenboden anliegt. Folglich las­ sen sich thermische Längenänderungen ausgleichen, indem das Ausgleichselement den Abstand zwischen Ventilschaft und Steuernocken durch Verschiebung des Kolbens im Gehäuse anpaßt. Zu diesem Zweck ist der Kolben mit einer Federkraft beaufschlagt, die in Richtung seines Bodens wirkt, d. h. ihn aus dem Gehäuse des Ausgleichselementes heraustreibt. Unter dem Einfluß dieser Federkraft liegt das Ausgleichs­ element ständig gleichzeitig am Ventilschaft und dessen Steuernocken an.

Weiterhin schließt der Kolben ein erstes, mit einer Hydraulikflüssigkeit, vorzugsweise Motoröl, gefüll­ tes Volumen ab, dessen vom Kolbenboden abgewandte Wand starr mit dem Gehäuse verbunden ist. Das erste Volumen im Kolbeninneren steht durch eine Öffnung mit einem gleichfalls mit Hydraulikflüssigkeit ge­ füllen Vorratsvolumen in Verbindung, so daß das er­ ste Volumen unabhängig von der Stellung des Kolbens stets vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist. Die Öffnung ist mit einem Rückschlagventil versehen, das bei einer Druckkraft auf den Kolben­ boden schließt. Im Stande der Technik dient dazu in der Regel eine Kugel, deren Durchmesser den der Öffnung übersteigt und die unter dem Einfluß einer Feder umlaufend an ihrem Rand anliegt.

Im Ergebnis wirkt das Ausgleichselement somit in der Weise, daß es unter dem Einfluß der Federkraft auf den Kolben stets gleichzeitig an Ventilschaft und Steuernocken anliegt. Bei einer Druckkraft des Steuernockens auf das Ausgleichselement schließt das Rückschlagventil. Somit ist der Kolben aufgrund des Abschlusses des mit inkompressibler Flüssigkeit gefüllten Volumens in seinem Inneren in seiner Lage gegenüber dem Gehäuse fixiert, und das Ausgleichs­ element vermag auch große Druckkräfte ohne Verände­ rung seiner Dimensionen zu übertragen.

Im Stande der Technik steht das Vorratsvolumen durch eine Bohrung in der Gehäusewandung mit einem externen Ölreservoir in Verbindung, in der Regel dem Ölkreislauf des Motors. Die nachteilige Folge ist ein vergleichsweise aufwendiger Aufbau des Aus­ gleichselementes. Weiterhin ist bei unzureichendem Öldruck des Motors, also insbesondere während des Startens, keine ausreichende Versorgung des Aus­ gleichselementes mit Hydraulikflüssigkeit sicherge­ stellt, so daß es seine Funktion nur unzureichend erfüllt und eine hohe Geräuschentwicklung, Lei­ stungsverluste und erhöhte Abnutzungen aufgrund übermäßigen Spiels die nachteiligen Folgen sind.

Vor diesem Hintergrund hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein Ventil mit Ausgleichsele­ ment zu entwickeln, das einen einfachen Aufbau auf­ weist und keine externe Versorgung mit Hydraulik­ flüssigkeit benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Vorratsvolumen abgeschlossen ist und eine bewegliche Wandung aufweist.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, ein Ausgleichselement mit einer abgeschlossenen Dauer­ füllung der Hydraulikflüssigkeit zu verwenden. Ent­ sprechend ist das Vorratsvolumen mit Ausnahme der Öffnung zum Volumen im Kolbeninneren umlaufend ge­ schlossen. Durchströmt die Hydraulikflüssigkeit in diesem Fall die Öffnung zwischen beiden Volumina, muß sich die Größe des Vorratsvolumens ändern, um bei stets vollständiger Füllung sowohl Hydraulik­ flüssigkeit aufnehmen als auch abgeben zu können. Daher weist das Vorratsvolumen eine bewegliche Wan­ dung auf, die sich entsprechend der enthaltenen Flüssigkeitsmenge in ihrer Lage verändert. Somit läßt sich auch bei vollständig abgeschlossenem, in­ kompressiblem Flüssigkeitsvolumen eine Bewegung des Kolbens unter dem Einfluß der ihn beaufschlagenden Federkraft erreichen.

Das vorgeschlagene Ausgleichselement zeichnet sich durch einen erheblich vereinfachten Aufbau aus, da die Verbindung zu einem externen Flüssigkeitsreser­ voir entfällt. In der Folge läßt sich auch der Auf­ bau des umgebenden Ventilgehäuses vereinfachen, insbesondere des Zylinderkopfes eines Motorblockes, da sich eine Flüssigkeitszuleitung zum Ausgleichs­ element gleichfalls erübrigt. Weiterhin ist das veränderliche erste Volumen im Kolbeninneren unab­ hängig vom Öldruck des Motors stets vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so daß auch bei einem Kaltstart oder einem Öldruckabfall, etwa bei ver­ stopfter Leitung, die Funktionsfähigkeit des Aus­ gleichselementes gewährleistet ist. Übermäßige Ge­ räuschentwicklungen, Leistungsverluste oder Abnut­ zungserscheinungen sind somit ausgeschlossen. Schließlich ist das Ausgleichselement zum Einbau in beliebiger Lage geeignet, so daß es auch für Moto­ ren verwendbar ist, deren Zylinderachse von der Senkrechten abweicht, etwa Boxer- oder Sternmoto­ ren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die bewegliche Wandung des Vorratsvolumens aus einem flexiblen Material. Somit ändert sich der Volumeninhalt, indem sich die Wandung wölbt,­ streckt oder zusammenzieht. Um übermäßige, mechani­ sche Verformungen mit der Gefahr einer Materialer­ müdung und nachfolgendem Riß oder Bruch zu vermei­ den, ist das Verhältnis des Vorratsvolumens zum ma­ ximalen Volumen im Kolbeninneren bevorzugt groß, so daß es sich durch eine großflächige Wandung aus flexiblem Material abschließen läßt. In der Folge verringern sich deren lokale Verformungen, wodurch einem übermäßigen Verschleiß wirksam vorgebeugt wird.

Die Erzeugung einer großflächigen Wandung durch ein großes Vorratsvolumen hat den Nachteil einer großen Masse des Ausgleichselementes. Eine vorteilhafte Alternative zur Erzeugung einer großflächigen Wan­ dung aus flexiblem Material ist daher ein Feder- oder Wellenbalg. Aufgrund seiner Fertigung aus ei­ nem Metall, beispielsweise Federstahl, ist er in hervorragender Weise auch für die thermischen und mechanischen Belastungen in einem Verbrennungsmotor geeignet. Zudem ermöglicht ein Balg infolge der ziehharmonikaartigen Faltung des Materials bei ver­ gleichsweise großer Wandstärke, also guter Stabili­ tät, eine leichtgängige Veränderung seiner Form und damit des Inhaltes des Vorratsvolumens. Dabei kann sich die Wandung eines Balges sowohl strecken oder zusammenziehen als auch wölben.

In der Regel dienen die radial äußeren Flächen des Ausgleichselementes zu seiner Führung bei der Bewe­ gung mit dem Ventilschaft, während seine axialen Stirnflächen an Ventilschaft bzw. Steuernocken an­ liegen. Daher lassen sich flexible Wandungen allen­ falls in geringen Teilbereichen dieser Flächen an­ bringen. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, daß der Balg den Ventilschaft koaxial umfaßt. In diesem Fall ragt der Ventilschaft somit endseitig in eine Aussparung des Ausgleichselementes hinein, welche seitlich durch den Balg und bodenseitig durch den Kolbenboden begrenzt ist. Damit entsteht ein kompaktes, platzsparendes Ausgleichselement, das eine hinreichend große, bewegliche Wandung auf­ weist, um die leichtgängige Verschiebbarkeit seines Kolbens zu gewährleisten.

In besonderer Weise ist eine Anordnung im Kolbenbo­ den für die Öffnung zwischen dem Volumen im Kol­ beninneren und dem Vorratsvolumen geeignet. Infolge dieser Anordnung ist es unabhängig von der Stellung des Kolbens möglich, Hydraulikflüssigkeit mit dem von ihm abgeschlossenen Volumen auszutauschen, so daß ein maximaler Kolbenhub erreichbar ist. Da an der äußeren Oberfläche des Kolbenbodens der Ventil­ stößel anliegt, ist es im allgemeinen notwendig, die Öffnung durch einen Kanal zu realisieren, der parallel zur Oberfläche des Kolbenbodens zu einer Seite des Kolbens hin verläuft, welche zweckmäßig an das Vorratsvolumen angrenzt. Die Herstellung der Öffnung kann somit in der Weise erfolgen, daß von der Innenseite des Kolbens her eine Sackbohrung in seinen Boden eingebracht wird, die sich mit einer Bohrung kreuzt, die parallel zum Kolbenboden von einer Seitenfläche her verläuft.

Bei Ausgleichselementen herkömmlicher Bauart erfor­ dert insbesondere das Rückschlagventil, welches das Volumen im Kolbeninneren verschließt und aus einer federkraftbeaufschlagten Kugel besteht, einen hohen Fertigungsaufwand. Ein wesentlich einfacherer Auf­ bau läßt sich erreichen, indem das Rückschlagventil eine Lasche aus elastischem Material ist. Sie ist im ersten Volumen, also im Kolbeninneren angeordnet und deckt mit einem beweglichen Abschnitt, vorzugs­ weise ihrem freien Ende, die Öffnung ab. Die Lasche ist beispielsweise eine am Kolben befestigte Blatt­ feder und besteht zweckmäßig aus Federstahl. Spezi­ ell bei Verwendung von Stanzteilen, die sich durch niedrige Herstellungskosten auszeichnen, ergeben sich somit erhebliche Einsparungen bei der Ferti­ gung des Ausgleichselementes.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Rückschlagven­ tils ist eine Scheibe aus elastischem Material, die Ausnehmungen aufweist, welche die Lasche begrenzen. Zweckmäßig handelt es sich bei den Ausnehmungen um Schlitze, welche die Lasche von der übrigen Scheibe, speziell ihrem Rand, beabstanden. Auf diese Weise läßt sich nicht nur eine einfache Fer­ tigung als Stanzteil erreichen sondern die außer­ halb der Lasche befindlichen Teile der Scheibe bie­ ten gleichzeitig geeignete Flächen, mit denen sich das Rückschlagventil, etwa durch Verschweißung, an einer Wandung im Kolbeninneren befestigen läßt.

Ist die Öffnung des Volumens im Kolbeninneren am Kolbenboden angeordnet, so ist eine vorteilhafte Scheibe komplementär zur Innenfläche, also der dem Volumen zugewandten Seite, des Kolbenbodens geformt und darauf befestigt. Entsprechend der im allgemei­ nen runden Gestalt des Kolbens weist somit auch die Scheibe zweckmäßig eine kreisrunde Form auf. Bei ebener Innenfläche des Kolbenbodens ermöglicht eine ebene Scheibe das flache Anliegen der Lasche an der Öffnung und somit deren dichten Verschluß bei einer auf den Kolben wirkenden Druckkraft.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert ist. Die Zeichnung zeigt in prinzipienhafter Darstellung

Fig. 1 Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausgleichselement,

Fig. 2 Draufsicht auf das Rückschlagventil.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein erfindungs­ gemäßes Ausgleichselement wiedergegeben, welches gleichzeitig an der Stirnseite des Ventilschaftes (1) und einem Steuernocken (2) anliegt und mittels eines in seinem Gehäuse (3) angeordneten Kolbens (4) einen Ausgleich von Längenänderungen gestattet, wie sie insbesondere infolge thermischer Material­ ausdehnungen auftreten. Der Kolben (4), der unter der Wirkung einer gespannten Feder (5) steht, die eine Kraft in Richtung auf den Ventilschaft (1) ausübt, trennt ein durch eine Hydraulikflüssigkeit ausgefülltes Volumen (6) in seinem Inneren von ei­ nem Vorratsvolumen (7), welches gleichfalls voll­ ständig mit Hydraulikflüssigkeit ausgefüllt ist. Beide Volumina (6, 7) stehen durch eine Öffnung (8) im Kolbenboden (9) und einen daran anschließenden Kanal (10) miteinander in Verbindung. Die Bewegung des Kolbens (4) entgegen der Hydraulikflüssigkeit wird ermöglicht, indem das Vorratsvolumen (7) eine bewegliche Wandung in Gestalt eines Federbalges (11) und einer daran anschließenden Stirnfläche (12) aus elastischem Material aufweist, welche mit­ tels durchgehender Schweißnähte (13, 14) dicht an das Gehäuse (3) und den Kolbenboden (9) anschlie­ ßen. Somit können sich Federbalg (11) und Stirnflä­ che (12) entsprechend des den Kanal (10) durchströ­ menden Flüssigkeitsvolumens nach außen bzw. innen wölben, wenn sich der Kolben (4) bewegt.

Damit der Ventilschaft (1) in geeigneter Weise dem Steuernocken (2) folgt, ist es erforderlich, daß sich das im allgemeinen etwa zylindrische Aus­ gleichselement unter axialen Druckkräften starr verhält. Zu diesem Zweck ist die Öffnung (8) mit einem Rückschlagventil versehen, welches durch eine gegen ihren Rand wirkende Lasche (15) aus elasti­ schem Material gebildet wird. Zweckmäßig ist die Lasche (15) durch schlitzförmige Ausnehmungen (16) in einer Ventilscheibe (17) gebildet, die Fig. 2 in einer Draufsicht zeigt und welche sich als Stanzteil auf preiswerte Weise fertigen läßt. Die Ventilscheibe (17) ist an der Innenfläche (18) des Kolbenbodens (9) befestigt, so daß sich das freie Ende der Lasche (15) über der Öffnung (8) befindet.

Unter dem Einfluß einer durch Ventilschaft (1) und Steuernocken (2) ausgeübten Druckkraft auf das Vo­ lumen (6) im Kolbeninneren wird die Lasche (15) ge­ gen die Öffnung (8) gepreßt und verhindert somit das Ausströmen der Hydraulikflüssigkeit in das Vor­ ratsvolumen (7). Daher verhält sich das Ausgleichs­ element bei Druckkräften nahezu starr. Ist dagegen ein Spiel zwischen Ausgleichselement und Ventil­ schaft (1) bzw. Steuernocken (2) vorhanden, drückt die Feder (5) den Kolben (4) in der dargestellten Position nach unten, wobei die Hydraulikflüssigkeit durch den Kanal (10) in das Volumen (6) strömt und dabei die Lasche (15) vom Rand der Öffnung (8) ab­ hebt. Somit wird das Spiel ausgeglichen. Eine Aus­ sparung (19) im Gehäuse (3) zwischen der starren, dem Kolbenboden (9) gegenüberliegenden Wandung (20) des Volumens (6) und der Gehäuseaußenseite redu­ ziert das flüssigkeitsgefüllte Volumen (6, 7) des Ausgleichselementes und somit sein Gesamtgewicht.

Im Ergebnis entsteht auf diese Weise ein sich selbsttätig hydraulisch einstellendes Ausgleichs­ element, das einen sehr einfachen Aufbau aufweist, keine externe Versorgung mit Hydraulikflüssigkeit benötigt und daher auch in der Startphase eines Mo­ tors funktionstüchtig ist.

Claims (8)

1. Ventil, insbesondere für eine Verbrennungskraft­ maschine, mit sich selbsttätig hydraulisch einstel­ lendem Ausgleichselement, das zwischen dem Ventil­ schaft und einem Steuernocken angeordnet ist und aus einem Gehäuse besteht, in dem ein Kolben axial verschiebbar ist, an dessen Boden der Ventilschaft oder Steuernocken anliegt, wobei der Kolben ein er­ stes, mit Hydraulikflüssigkeit gefülltes Volumen abschließt, dessen vom Kolbenboden abgewandte Wan­ dung starr mit dem Gehäuse verbunden ist und durch eine Öffnung, die mit einem Rückschlagventil verse­ hen ist, welches bei einer Druckkraft auf den Kol­ benboden schließt, mit einem Vorratsvolumen in Ver­ bindung steht, das mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, und der Kolben mit einer Federkraft beauf­ schlagt ist, die in Richtung des Kolbenbodens wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsvolumen (7) abgeschlossen ist und eine bewegliche Wandung auf­ weist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wandung aus einem flexiblen Ma­ terial besteht.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung aus flexiblem Material einen Feder- oder Wellenbalg (11) umfaßt.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feder- oder Wellenbalg (11) den Ventil­ schaft (1) koaxial umgreift.

5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (8) im Kol­ benboden (9) angeordnet ist.

6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil durch eine Lasche (15) aus elastischem Material ge­ bildet ist, welche im ersten Volumen (6) angeordnet ist und die Öffnung (8) abdeckt.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasche (15) Teil einer Ventilscheibe (17) ist, von deren äußerem Rand sie endseitig durch Ausnehmungen (16) abgeteilt ist.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheibe (17) komplementär zur Innen­ fläche (18) des Kolbenbodens (9) geformt und darauf befestigt ist.