DE4129637A1 - Einrichtung zur aenderung der federkraft einer ventilfeder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Änderung der Federkraft einer Ventilfeder für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, wobei sich die Ventilfeder einerseits mittels einer Federauflage am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine und andererseits an einem mit dem Schaftende des Gaswechselventils verbundenen Federteller abstützt.

Bei den bekannten Ventilfedern erfolgt deren Dimensionierung für den selten gefahrenen Bereich der Höchstdrehzahl. Die maximale Kraft der Ventilfeder wird üblicherweise so ausgelegt, daß sie 10 bis 20% größer ist, als die ventilseitige maximale Massenkraft. Als Folge davon ist die Ventilfeder im meistens gefahrenen mittleren bis unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine deutlich überdimensioniert.

Um den Gaswechsel bei modernen schnellaufenden Hochleistungsmotoren sichern zu können, sind erhebliche Ventilfederkräfte erforderlich. Zur Realisierung dieser, und auch aus Gründen des begrenzten Bauraumes, werden häufig ineinander gesteckte Federn verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kraft der Ventilfeder an den drehzahlabhängigen Bedarf der Ventilsteuerung anzupassen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die Federauflage so ausgebildet ist, daß sie durch hydraulische oder mechanische Mittel um einen vorbestimmten Betrag gegenüber dem Zylin­ derkopf anhebbar ist. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß die Kraft der Ventilfeder durch Änderung ihrer Vorspannung im unteren und mittleren Drehzahlbereich verringerbar ist. Dies führt zu einer Redu­ zierung der Hertzschen Pressung zwischen Nocken und Stößel und somit zu einer Verminderung des Stößelverschleißes sowie einer besseren Mög­ lichkeit der Auswahl von Leichtbauwerkstoffen oder von kostengünstige­ ren Werkstoffen für oben genannte Elemente. Desweiteren wird die Ventiltriebsreibung und damit der Kraftstoffverbrauch reduziert. Durch die Absenkung der Kraft der Ventilfeder ist auch eine Minimierung der Geräuschemission feststellbar. Elektromotorische Anlasser mit geringe­ rer Leistung sind einsetzbar. Durch das verringerte Nockenwellenan­ triebsmoment ist eine Reduzierung der Steuertriebsbeanspruchung hin­ sichtlich Verschleiß, Reibung und Krafteinwirkung zu verzeichnen. Des­ weiteren wird festgestellt, daß sich durch die erfindungsgemäße Aus­ bildung des Ventiltriebes bessere Optionen für die Auslegung der Ventilsteuerzeiten, der Gaswechselquerschnitte sowie des Ventilhubes für das Motormanagement ergeben.

Die Federauflage wird dabei, wie in Anspruch 2 näher beschrieben, als Ringkolben ausgebildet, welcher sich längsverschieblich in einem Ringzylinder befindet, wobei der Ringkolben mit Öldruck aus dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist.

Gemäß den Ansprüchen 3 und 4 kann ein Rückschlagventil, welches ein unerwünschtes Zurückströmen von Motorenöl in die Ölzuleitung verhin­ dert, einerseits als konventionelles, von den hydraulischen Tassen­ stößeln her bekanntes Ventil ausgeführt sein, nämlich bestehend aus einer Ventilkappe und einer eine Öleinlaßbohrung verschließenden, federbelasteten Kugel. Eine andere vorteilhafte Variante besteht darin, das Rückschlagventil als Plattenventil auszuführen. Dies kann ebenfalls durch eine Feder belastet sein, oder, die Bewegungsfreiheit der Platte ist durch eine gehäusefeste Anlagescheibe eingeschränkt. Weiterhin ist vorgesehen, für mehrere Einrichtungen zur Änderung der Federkraft ein gemeinsames Rückschlagventil zu verwenden.

Gemäß Anspruch 5 ist es vorgesehen, die Federauflage direkt an der Ventilschaftführung zu führen. Durch den Wegfall eines die Federaufla­ ge axial führenden Ringzylinders ergibt sich somit eine kostengün­ stigere Variante. Eine weitere Möglichkeit den Bauraum zu optimieren und die Kosten zu senken besteht darin, den Ringzylinder mit der Ventilschaftführung zu integrieren. Das heißt, der Ringzylinder über­ nimmt zusätzlich die Funktion der Ventilschaftführung.

Wie in Anspruch 6 aufgeführt, kann der Leckspalt zwischen Ventil­ schaftführung und Federauflage durch einen elastischen Balg dichtend abgedeckt sein. Dabei ist einerseits ein Elastomerrollbalg oder ande­ rerseits ein Blechfaltenbalg vorgesehen. Der Elastomerrollbalg muß sich hierbei durch eine geringe Permeabilität und eine gute Verträg­ lichkeit mit dem Motorenöl auszeichnen. Durch diese Ausführungen gelingt es, die Leckverluste an Motorenöl zwischen der Ventilschaft­ führung und der Federauflage auszuschalten. Da die Federauflage durch die fehlenden, bisher erwünschten Leckverluste nun nicht mehr absinken kann, sind andere Maßnahmen vorgesehen. Das drehzahlabhängige Absinken wird hierbei durch ein Zu- und Abschalten des Motoröldruckes mittels des Motormanagements realisiert. In diesem Fall kann aber auf Rück­ schlagventile, wie in den Ansprüchen 3 und 4 ausgeführt, verzichtet werden. Eine weitere Variante sieht vor, das Rückschlagventil mit einer Absteuerleitung für das Motorenöl zu kombinieren. Diese Absteu­ erleitung ist auch bei weiteren Varianten, beispielsweise solchen ohne Rückschlagventil, denkbar.

Die erfindungsgemäße Schraubenfeder nach Anspruch 7 kann die aufwärts­ gerichtete axiale Hubbewegung der Federauflage unterstützen. Eine Verwendung dieser Feder ist vor allem dann hilfreich, wenn die Stell­ einheit aus konstruktiven Gründen sehr klein sein muß oder die erfor­ derliche Kraft der Ventilfeder sehr hoch ist. Es muß jedoch beachtet werden, daß die maximale Federkraft so bemessen wird, daß die Feder­ auflage bei abgeschaltetem Öldruck absinken kann. Die Schraubenfeder kann ohne weiteres auch durch eine Tellerfeder oder ein anderes kraft­ ausübendes Federungssystem ersetzt werden.

Der Anspruch 8 beschreibt eine durch einen Hebelarm verdrehbare Ring­ scheibe zur Veränderung des Hubes der Ventilfeder. Hier bieten sich weitere Systeme, wie beispielsweise Gewinde an, welche den physikali­ schen Effekt der Keilwirkung nutzen.

Bei der Wahl des Kugelrampensystemes muß die Zahl der Kugeln zweckmä­ ßigerweise größer oder gleich drei sein. Die für eine Hubbewegung der Ringscheibe erforderliche Betätigungskraft, sowie der Hub- und Ver­ drehwinkel sind über eine Optimierung der Steigung der Rampen für die Kugeln zu erreichen. Die Rampen können dabei in der Ringscheibe oder in der Grundplatte angeordnet sein. Eine beidseitige Einbringung der Rampen ist ebenfalls vorgesehen. Diese Rampen, sowie die sie aufneh­ mende Ringscheibe oder Grundplatte können aus einer herkömmlichen Stahllegierung bestehen bzw. sie sind vorteilhaft aus einem ver­ schleißfesten, kostengünstigen Leichtbauwerkstoff gebildet, wobei auch ein nachträgliches Aufbringen einer beispielsweise keramischen Ver­ schleißschutzschicht denkbar ist.

Der Einsatz dieser Einrichtung zum Ändern der Federkraft einer Ventil­ feder soll sich nicht nur auf die Gaswechselventile von Brennkraftma­ schinen beschränken. Denkbar sind alle Bereiche, bei denen durch Federn ein Druck auf an den axialen Endbereichen der Federn anliegende Teile ausgeübt wird, und bei denen es sich als vorteilhaft erweist, die Kraft der Feder in Abhängigkeit verschiedener Betriebssituationen zu variieren.

Der Schutzumfang beschränkt sich nicht nur auf die beanspruchten Einzelmerkmale, sondern auch auf deren Kombination.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt des oberen Teiles eines Zylinderkop­ fes;

Fig. 2 eine Schnittansicht nach Fig. 1 mit einem in den Ring­ zylinder integrierten Rückschlagventil;

Fig. 3 eine Schnittansicht nach Fig. 1 mit einem in den Ring­ zylinder integrierten Plattenventil;

Fig. 4 einen Axialschnitt eines direkt im Zylinderkopf geführten Ringkolbens;

Fig. 5 einen Axialschnitt durch ein Ventil mit einem durch einen elastischen Balg abgedeckten Leckspalt sowie mit Luftfe­ derung;

Fig. 6 einen Axialschnitt entlang eines Ventilschaftes mit einer mechanisch betätigten Ringscheibe als Federauflage;

Fig. 7 einen Axialschnitt nach Fig. 6 mit axial verdrehter und angehobener Ringscheibe;

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Grundplatte nach Fig. 7;

Fig. 9 einen Längsschnitt gemäß den Schnittlinien I-I der Fig. 8 durch die Grundplatte.

Ein Ventil 1 bestehend aus einem Ventilteller 2 und einem Ventilschaft gleitet gemäß Fig. 1 axial in einer in einem Zylinderkopf 4 einer Brennkraftmaschine eingebauten Ventilschaftführung 5. Der Ventilteller 2 liegt dabei mit seinem Sitz 6 in geschlossenem Zustand des Ventils 1 an einem Ventilsitzring 7 an und führt so einen Teil der freiwerden­ den Wärmemenge ab. Ein Nocken 8 beschleunigt über einen am Schaftende 8a des Ventilschaftes 3 aufsitzenden Stößel 9 das Ventil 1 in axialer Richtung.

Eine gewickelte, doppelte Ventilfeder 10 stützt sich an ihrer dem Ventilteller 2 zugewandten Seite 11 auf einem den Ventilschaft 3 umgebenden Ringkolben 12 ab. Auf der anderen Seite wirkt sie über einen Federteller 12a auf den Stößel 9. Die Ventilfedern 10 halten das Ventil 1 während der Phase des Grundkreises 14 des Nockens 8 geschlos­ sen. Der Ringkolben 12 ist längsverschieblich in einem sich im Zylin­ derkopf 4 abstützenden Ringzylinder 15 geführt, wobei der Raum, der von dem Ringkolben 12 und dem Ringzylinder 15 gebildet ist, einen Druckraum 16 darstellt. Dieser Druckraum 16 wird über eine Ölzuleitung 17 aus dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine mit Öl beauf­ schlagt. In der Ölzuleitung 17, bevorzugt in der Nähe ihres einen axialen Endbereiches 18 ist ein in Richtung zum Druckraum 16 öffnendes Rückschlagventil 19 vorgesehen. Die Fläche zwischen dem Ringzylinder 15 und dem Ringkolben 12 ist mittels einer Rundschnurdichtung 20 oder anderen geeigneten Methoden Öl dicht ausgeführt. Ein oberer Anschlag 21 begrenzt die axiale Aufwärtsbewegung des Ringkolbens 12. Diese Bewe­ gung kann durch eine in den Druckraum 16 eingelegte, und den Ventil­ schaft 3 axial umschließende Schraubenfeder 22 unterstützt werden.

Am Beispiel der Fig. 2 soll die wesentliche Funktionsweise der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung näher beschrieben werden. Im unteren bis mittleren Drehzahlbereich ist die Ölversorgung abgeschaltet. Der Ring­ kolben 12 liegt an der Oberseite 23 des Ringzylinders 15 auf. Die Kraft, die die Schraubenfeder 10 auf den Ringkolben 12 ausübt, ist in dieser Situation relativ gering. Mit in Serie befindlichen Ventilfe­ dern sind bei einer Hubbewegung des Ringkolbens 12 von 2 mm Kraftver­ stellungen in der Größenordnung von 80-150 N möglich. Steigt die Drehzahl des Motors über einen ausgelegten Schaltpunkt, wird die Ölzufuhr zugeschalten und das Öl übt einen Druck auf die Unterseite 24 des Ringkolbens 12 aus. Dieser führt somit eine aufwärts gerichtete, axiale Hubbewegung aus und wird gegen den oberen Anschlag 21 gedrückt.

Das Rückschlagventil 19 besteht aus einer eine Öleinlaßbohrung 25 verschließenden Kugel 26, einer Feder 27, welche die Kugel 26 entgegen der Einströmrichtung 28 des Öles gegen die Öleinlaßbohrung 25 drückt und aus einer Ventilkappe 29 an das sich die Feder 27 mit ihrem ande­ ren axialen Endbereich abstützt. An der Unterseite des Ringkolbens 12 ist zweckmäßigerweise eine Ausformung 29a vorgesehen, die zu der Ventilkappe 29 eine komplementäre Form besitzt. Durch diese Ausbildung gelingt es, Bauraum zu sparen.

Muß nun die Kraft der Ventilfeder 10 auf den Ringkolben 12 aus kon­ struktiven Gründen sehr hoch gewählt werden, kann die resultierende Kraft des Öles auf die Unterseite 24 des Ringkolbens 12 durch den Druck des anliegenden Öles in bestimmten Phasen der Nockenumdrehung kleiner sein, als die Kraft der oben genannten Ventilfeder 10. Hier ist unbedingt ein Rückschlagventil 19 vorzusehen, um ein unerwünschtes Absinken des Ringkolbens 12 zu vermeiden. Der sich so in dem Druckraum 16 ausbildende Druck genügt, das Rückschlagventil 19 zu schließen. Der erwünschte Hub des Ringkolbens 12 ist realisiert. Über einen Leckspalt 30 gelangt Öl in einen oberen Raum 31 des Zylinderkopfes 4. Der Ring­ kolben 12 sinkt ein. Sobald der Druck im Druckraum 16 wieder geringer ist, als der aufliegende Druck des Öles in der Ölzuleitung 17, öffnet die Kugel 26 des Rückschlagventiles 19 entgegen der Kraft der Feder 27, und der Druckraum 16 wird erneut mit Öl gefüllt. Denkbar ist auch eine andere Lösung, bei der der Hub des Ringkolbens 12 über ein Zu- und Abschalten des Motoröldruckes reguliert wird.

Fig. 3 zeigt eine Lösung, bei welcher das Rückschlagventil 19 durch ein Plattenventil 32 ersetzt wurde. Eine Ventilplatte 33 ist an einer mit dem Ringzylinder 15 verbundenen Anschlagscheibe 34 befestigt und dadurch in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt.

Aus Fig. 4 ist ein direkt im Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine dichtend geführter Ringkolben 12 entnehmbar. Durch den Wegfall des Ringzylinders 15 verringert sich dabei in erster Linie die notwendige Bauhöhe der Einheit, aber auch die Fertigungskosten werden gesenkt.

Wie Fig. 5 zeigt, ist es auch vorgesehen, den Leckspalt 30 durch einen elastischen Balg 37 abzudecken. Dieser Balg 37 verhindert das Austreten von Öl aus dem Druckraum 16 über den Leckspalt 30 in den Raum 31. Da der Ringkolben 12 durch die fehlenden Leckverluste nun nicht mehr absinken kann, wird ein Absteuern des Öldruckes über eine vom Motormanagement gesteuerte Absteuerleitung 38 realisiert.

Aus Fig. 5 ist weiterhin eine Zuleitung 39 für Luft zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen, masselosen Luftpolsters entnehmbar. Das Luftpolster soll dabei die Funktion der Ventilfeder 10 ersetzen. Diese dient jetzt lediglich dazu, das Ventil 1 bei abgeschaltetem Motor über den Stößel 9 am Ventilsitzring 7 zu halten. Durch Variation des Volu­ mens des Luftpolsters gelingt es, die Kraftwirkung dieser "Luftfeder" auf den Stößel 9 drehzahlabhängig zu gestalten. Allerdings muß bei dieser Variante der Raum 31, welcher die darin enthaltenen Ventilbetä­ tigungselemente wie Ringkolben 12, Stößel 9 und andere umschließt, öldicht ausgeführt sein, um eine unerwünschte Änderung des Druckes des Luftpolsters zu verhindern.

Gemäß Fig. 6 ist es auch vorgesehen, eine Variierung des Hubes der Schraubenfeder 10 durch eine mittels eines Hebelarmes 40 verdrehbare Ringscheibe 41 zu verwirklichen.

In einer Grundplatte 42 sind Rampen 43 mit definierter Steigung an­ geordnet. In diesen Rampen 43 werden Kugeln 44 geführt, welche sich andererseits in einer halbkreisförmigen Aufnahme 45 der Ringscheibe 41 befinden. Wird nun die Ringscheibe 41 über den Hebelarm 40 tangential mit einer Kraft beaufschlagt, führt die Ringscheibe 41 eine rotatori­ sche Bewegung um die Achse 46 des Ventilschaftes 3 aus. Die Kugeln 44 rollen in den Rampen 43 der Grundplatte 42 ab. Durch die Steigung der Rampen 43 wird somit ein Anheben der Ringscheibe 41 in eine von der Grundplatte 42 abgewandte Richtung bewirkt. Die Vorspannlänge der Ventilfeder 10 ist verkürzt. Ein Stift 47 dient zweckmäßigerweise als Verdrehsicherung der Grundplatte 42.

In Fig. 7 ist die Ringscheibe 41 gemäß Fig. 6 in verdrehtem Zustand dargestellt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen als Detaillierungen eine Draufsicht auf die Grundplatte 42 bzw. einen Längsschnitt durch die Grundplatte 42.

Bezugszahlenliste

 1 Ventil
 2 Ventilteller
 3 Ventilschaft
 4 Zylinderkopf
 5 Ventilschaftführung
 6 Sitz
 7 Ventilsitzring
 8 Nocken
 8a Schaftende
 9 Stößel
10 Ventilfedern
11 Seite
12 Ringkolben
12a Federteller
13 Federauflage
14 Grundkreis
15 Ringzylinder
16 Druckraum
17 Ölzuleitung
18 Endbereich
19 Rückschlagventil
20 Rundschnurdichtung
21 oberer Anschlag
22 Schraubenfeder
23 Oberseite
24 Unterseite
25 Öleinlaßbohrung
26 Kugel
27 Feder
28 Einströmrichtung
29 Ventilklappe
29a Ausformung
30 Leckspalt
31 Raum
32 Plattenventil
33 Ventilplatte
34 Anschlagscheibe
35 nicht vergeben
36 nicht vergeben
37 Balg
38 Absteuerleitung
39 Zuleitung
40 Hebelarm
41 Ringscheibe
42 Grundplatte
43 Rampe
44 Kugel
45 Aufnahme
46 Achse
47 Stift
48 Anfangspunkt
49 Ende

Claims (8)

1. Einrichtung zur Änderung der Federkraft einer Ventilfeder (10) für ein Gaswechselventil (1) einer Brennkraftmaschine, wobei sich die Ven­ tilfeder (10) einerseits mittels einer Federauflage (13) am Zylinder­ kopf (4) der Brennkraftmaschine und andererseits an einem mit dem Schaftende (8a) des Gaswechselventils (1) verbundenen Federteller (12a) abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Federauflage (13) so ausgebildet ist, daß sie durch hydraulische oder mechanische Mittel um einen vorbestimmten Betrag gegenüber dem Zylinderkopf (4) anhebbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder­ auflage (13) als Ringkolben (12) ausgebildet ist, der längsverschieb­ lich in einem sich auf dem Zylinderkopf (4) abstützenden, den Ventil­ schaft (3) umgebenden Ringzylinder (15) geführt ist, wobei der von dem Ringkolben (12) einerseits und dem Ringzylinder (15) andererseits begrenzte Druckraum (16) über eine Ölzuleitung (17) mit Öl aus dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ölzuleitung (17) ein in Richtung zum Druckraum (16) öffnendes Rück­ schlagventil (19) eingeschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rück­ schlagventil (19) an einem Endbereich (18) einer Bohrung der Ölzulei­ tung (17) in den Ringzylinder (15) angeordnet ist, wobei in dem im Ringzylinder (15) befindlichen Ringkolben (12) eine gegenüber der Ventilkappe (29) des Rückschlagventils (19) komplementäre Ausformung (29a) zur Aufnahme des Rückschlagventils (1) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring­ kolben (12) an der Ventilschaftführung (5) und/oder im Zylinderkopf (4) direkt dichtend geführt ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zwischen Ringzylinder (15) und Ringkolben (12) radial befindlicher Leckspalt (30) durch einen elastischen Balg (37) dichtend abgedeckt ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine als Druckfeder ausgebildete Schraubenfeder (22) vorgesehen ist, welche den Ventilschaft (3) mit ihrer gesamten axialen Länge umschließt, und auf den Ringkolben (12) mit ihrer einen axialen Endfläche einen Druck ausübt, wobei sich die andere Endfläche auf einer Auflagefläche des Ringzylinders (15) abstützt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federauflage (13) als Ringscheibe (41) ausgebildet ist, die sich unter Zwischenschaltung mehrerer, über den Umfang verteilter, Kugeln (44) auf einer am Zylinderkopf (4) drehgesichert anliegenden Grundplatte (42) abstützt, wobei die Ringscheibe (41) und/oder die Grundplatte (42) Rampen (43) aufweisen, die sich in Umfangsrichtung über einen bestimmten Winkel erstrecken und deren axiale Tiefe vom Anfangspunkt (48) der Rampen (43) zu deren Enden (49) hin sich kontinuierlich verringert, und wobei die Ringscheibe (41) mit Mitteln zu ihrer Dre­ hung um einen vorbestimmten Winkel versehen ist.