DE4324837A1

DE4324837A1 - Vorrichtung zur Verstellung des Ventilhubes und der Steuerzeiten eines Gaswechselventils

Info

Publication number: DE4324837A1
Application number: DE4324837A
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt; Michael Dipl-Ing Haas; Gerhard Dr Ing Maas
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1995-01-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydraulischen Verstellung des Ventilhubes und/oder der Steuerzeiten eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, in Anlehnung an die im Oberbegriff des An spruchs 1 genannten Merkmale.

Aus der DE-A-41 11 610 ist eine drehzahlabhängige Veränderung der Steuerzeiten eines Gaswechselventils bekannt. Der Aufbau sieht eine im Tassenstößel integrierte Kolben-Zylindereinheit vor, die über eine am Tassenstößel anstehende Ölleitung periodisch mit Öldruck versorgt wird. Ein am Tassenstößel angeordnetes Rückschlagventil erfährt vom Nocken der Nockenwelle eine stets gleiche Betätigung. Der Schließzeit punkt des Gaswechselventils hängt dabei von der Betätigung des Rück schlagventils durch den Nocken ab. Da der Zeitraum, der zum Schließen des Gaswechselventils erforderlich ist, unabhängig von der Drehzahl immer gleich ist und nach dem Öffnen des Rückschlagventils die Gas wechselventilbetätigung nur von unveränderlichen Faktoren, nämlich insbesondere von der Kraft der Ventilfeder und den Massenkräften der bewegten Teile bestimmt ist, ergibt sich bei unterschiedlichen Dreh zahlen auch ein unterschiedlicher Schließzeitpunkt des Gaswechselven tils.

Eine Vorrichtung, mit der eine Ventilhubverstellung von Gaswechselven tilen erreichbar ist, zeigt die DE-A-30 03 569. Dabei ist im Tassen stößel ein Druckraum vorgesehen, der mit einer externen Druckmittel quelle in Verbindung steht. Weiter verfügt der Druckraum über eine Steuerbohrung, über die bei Verdrehen des Tassenstößels gezielt ein Druckmittelabfluß erreichbar ist der eine Veränderung des Öffnungs hubes des Gaswechselventils bewirkt. Eine Verdrehung des Stößels erfolgt dabei über ein last- oder drehzahlabhängig arbeitendes Stell element, das über eine Zahnstange mit dem Stößel gekoppelt ist.

Aus der US-PS 46 96 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der sowohl der Hub als auch die Steuerzeiten eines Gaswechselventils verstellbar sind. Dazu weist der Tassenstößel einen Druckraum auf, der von einer Druckmittelquelle kontinuierlich mit Öldruck versorgt wird. Der Druck raum verfügt weiter über eine Abflußleitung, wobei der Abfluß über ein Ventil steuerbar ist. Abhängig vom Volumenstromverhältnis des Zulaufs zum Ablauf können sowohl der Ventilhub als auch die Steuerzeiten des Gaswechselventils verändert werden, unter Beachtung von Kenndaten der Brennkraftmaschine. Diese Vorrichtung gewährleistet nicht in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine eine ausreichend schnelle und exakte Betätigung der Gaswechselventile.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine exakte, wirkungsvolle Betätigung von Gaswechselventilen zu erreichen und dabei eine Optimierung der Steuerzeiten und des Ventilhubes an den augenblicklichen Betriebs zustand der Brennkraftmaschine sicher zustellen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Errei chung einer stufenlosen Variation der Gaswechselventilbetätigung der Zeitpunkt für die Druckmittelbeaufschlagung des Tassenstößels steuer bar ist. Durch die erfindungsgemäße Zumeßsteuerung des Druckmittels ist eine vorteilhaft schnelle und genaue Anpassung der Gaswechselven tilbetätigung, d. h. der Steuerzeiten und des Ventilhubes an die momentane Drehzahl und den Auslastungsgrad der Brennkraftmaschine möglich.

Der veränderliche Ansteuerzeitpunkt für die Druckmittelbeaufschlagung stellt auch bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine exakte Betätigung der Gaswechselventile sicher.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 2 vorgesehen, daß dem Tassenstößel zur Verstellung des Führungsteiles einschließlich aller darin eingebrachten Bauteile eine im Tassenstößel integrierte hydraulische Stelleinheit zugeordnet ist. Dieser bauraumoptimierte Aufbau ermöglicht vorteilhaft den Einbau der erfindungsgemäßen Vor richtung in Brennkraftmaschinen mit Mehrventil-Technik.

Gemäß Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung ist vorgeschlagen, als hydraulische Stelleinheit in einem den radialen Abstand zwischen dem Führungsteil und dem Außengehäuse ausgleichenden Druckraum eine kreis ringförmig gestaltete Druckscheibe einzusetzen, die beidseitig druck beaufschlagbar ist.

Nach Anspruch 4 ist vorgesehen, daß die Druckscheibe zumindest mit einem Bolzen versehen ist, der hydraulisch mit der Stelleinheit, ausgebildet als eine Hydraulikeinheit zusammenwirkt. Die Funktions weise basiert dabei auf einer Druckübersetzung, d. h. die relativ großen Flächenunterschiede zwischen der Druckscheibe und den Bolzen bewirken eine Umkehrung der Druckverhältnisse, wodurch eine gewünschte Druckverstärkung durch den Bolzen auslösbar ist zur Verstellung der zentral angeordneten Hydraulikeinheit, d. h. der Relativverschiebung zwischen dem Außengehäuse und dem Führungsteil. Durch diese Drucküber setzung ist sichergestellt, daß sowohl die Kraft beim Beschleunigungs stoß des Nockens in der Obergangsphase des Nocken-Grundkreises in die Erhebungskurve und die zusätzlich wirkende Ventilfederkraft durch die erfindungsgemäße Vorrichtung überwunden wird.

Gemäß dem Anspruch 5 ist die Hydraulikeinheit mit einem Kolben ver sehen, der gemeinsam mit der Hydraulikeinheit von der Druckscheibe bzw. dem Bolzen hydraulisch ansteuerbar ist zur Ausführung einer Relativbewegung zum Außengehäuse des Tassenstößels. Innerhalb des Kolbens ist ein Druckraum vorgesehen, der ein Kugelventil (Rückschlag ventil) aufweist, welches in einem die Hydraulikeinheit mit der Druck scheibe bzw. Bolzen verbindenden Druckmittelkanal in Verbindung steht. Dieser konstruktive Aufbau gewährleistet, daß nach Ende der Nocken- Hubphase bedingt durch eine Druckmittelsteuerung eine Relativverschie bung zwischen der Druckscheibe und der Hydraulikeinheit erfolgt, wodurch ein Vakuum im Druckmittelkanal entsteht. Das Vakuum bewirkt ein Öffnen des Kugelventils, wodurch Druckmittel aus dem Druckraum in den Druckmittelkanal nachströmen kann und so beispielsweise einen Druckmittelverlust bedingt durch eine Leckage ausgleichen kann.

In einer weiteren Ausgestaltung ist nach Anspruch 6 die im Tassen stößel integrierte Hydraulikeinheit zusätzlich mit einem hydraulischen Ventilspielausgleich versehen, der sicherstellt, daß in allen Be triebszuständen eine spielfreie Anlage des Tassenstößels sowohl am Schaftende des Gaswechselventils als auch an der Umfangsfläche des Nockens sichergestellt ist.

Nach Anspruch 7 ist die Druckmittelbeaufschlagung der Druckscheibe mittels einer Steuereinheit und Magnetventilen steuerbar. Der erfin dungsgemäße Aufbau sieht dazu eine Druckmittelquelle vor, beispiels weise die in der Brennkraftmaschine vorhandene Druckpumpe für die Druckumlaufschmierung, von der zwei Zuführleitungen zur periodischen Beaufschlagung des Druckraumes bis zur Führungsbahn des Tassenstößels geführt sind, in dem die beidseitig druckbeaufschlagbare Druckscheibe eingesetzt ist. Mittels je eines Steuer- und Magnetventils, die in Reihe geschaltet jeder Zuführleitung zugeordnet sind, ist erfindungs gemäß über eine Steuereinheit, die elektrisch mit beiden Magnetventi len gekoppelt ist, eine wechselseitige Druckmittelbeaufschlagung der Zuführleitungen und damit der Druckscheibe möglich ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht gemäß Anspruch 8 vor, daß die Steuereinheit abhängig von der Stellung der Nockenwelle oder von Vorgabewerten bzw. Kenndaten der Brennkraftmaschine wie beispiels weise der Drehzahl oder dem Lastzustand eine Ansteuerung der Druck scheibe vornimmt.

Vorteilhaft erlaubt wie in Anspruch 9 angeführt, die erfindungsgemäße Vorrichtung eine voneinander zeitlich abweichende Druckbeaufschlagung zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen der Brennkraftmaschine, wo durch eine gewünschte Änderung der Ventilüberschneidung sichergestellt werden kann. Damit ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit eine dem Betrieb der Brennkraftmaschine angepaßte Betätigung der Gaswechselven tile sicherzustellen. Vorteilhaft kann damit bei kleinen Drehzahlen und im Niedriglastbetrieb einer Brennkraftmaschine aus Gründen der Laufruhe und der Abgasqualität eine kleine Ventilüberschneidung einge stellt werden, dagegen bei großen Drehzahlen und zur Erreichung einer hohen Leistung eine große Ventilüberschneidung vorgesehen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und in einer Beschreibung der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tassen stößels zur hydraulischen Verstellung eines Gaswech selventils;

Fig. 2 einen Tassenstößel gemäß Fig. 1 kombiniert mit einer Druckmittelsteuerung;

Fig. 3 in einem Diagramm den Hubverlauf der Gaswechselventile mit oder ohne Verstellvorrichtung.

In Fig. 1 ist der Tassenstößel 1 im Längsschnitt dargestellt, der in einer Bohrung 2, die im Zylinderkopf 3 eingebracht ist, eine Längs führung erfährt. Der Tassenstößel 1 besitzt eine topfartige Ausbildung mit einem Boden 4, der im eingebauten Zustand mit einem Nocken einer Nockenwelle in Verbindung steht. Vom Boden 4 ausgehend in einer Rich tung zeigend schließt sich ein dünnwandiges Außengehäuse 5 an, das mit einem konzentrisch um die Mittelachse angeordneten Stößelzylinder 6 einen Druckraum 7 bildet, der kreisringförmig gestaltet ist. Der Stößelzylinder 6 dient zur Aufnahme einer Hydraulikeinheit 8, deren Führungsteil 9 axial verschiebbar angeordnet ist. In Fig. 1 ist die Hydraulikeinheit 8 in der Hubstellung des Nockenprofils der in Fig. 1 nicht abgebildeten Nockenwelle abgebildet. Die maximale Hubverstel lung der Hydraulikeinheit 8 ist mit dem Buchstaben "X" gekennzeichnet. Über einen Boden 10 ist das Führungsteil 9 mit einem Schaftende eines in Fig. 1 nicht abgebildeten Gaswechselventils verbunden. In dem als Hohlkörper ausgebildeten Führungsteil 9 ist ein Kolben 11 integriert, der zwei Kugelventile 12, 16 aufweist, die jeweils an den Enden des Kolbens 11 angeordnet sind. Das Führungsteil 9 im Bereich des Bodens 10 und der Kolben 11 bilden den Hochdruckraum 13, welcher über das Kugelventil 12 mit dem Druckraum 14, im Kolben 11 befindlich, in Verbindung steht. Dagegen besteht zwischen dem Druckraum 14 und einem Druckmittelkanal 17 eine Verbindung über das Kugelventil 16.

Zur Abdichtung des Druckraumes 7 in Richtung des Gaswechselventils dient ein Stegblech 19, das eine Verbindung zwischen dem Außengehäuse 5 und dem Stößelzylinder 6 herstellt. Im Druckraum 7 ist eine kreis ringförmig gestaltete verschiebbare, beidseitig druckbeaufschlagte Druckscheibe 18 eingesetzt, die örtlich mit lagefixierten, in Richtung des Bodens 4 zeigenden Bolzen 20 versehen sind, die unabhängig von der Lage der Druckscheibe 18 in einer Bohrung des Bodens 4 dichtend ge führt sind. Der Druckraum 7 ist zur Druckmittelversorgung mit zwei Leitungsanschlüssen 21, 22 versehen, die jeweils in voneinander ge trennte im Außengehäuse 5 eingebrachte Steignuten 23, 24 münden, die an im Zylinderkopf 3 verlaufende Leitungen 25, 26 angeschlossen sind und zu einer Druckmittelquelle führen. Dabei münden die Leitungen 25, 26 im Übergangsbereich zu den Steignuten 23, 24 in eine horizontal im Zylinderkopf 3 eingebrachte Umlaufnut 28, 29. Im Unterschied zur Steignut 23 ist die Steignut 24 mit einer zweiten Umlaufnut 30 ver sehen.

Zur Druckmittelversorgung des Druckraumes 14 dient eine Stichbohrung 27, eingebracht im Boden 4 des Tassenstößels 1, durch die die Hydrau likeinheit 8 bei einer Lageübereinstimmung mit einer Umlaufnut 29 oder 30 mit Druckmittel versorgt wird.

In Fig. 2 ist der Tassenstößel 1 in Verbindung mit einer Druckmittel steuerung abgebildet. Die Stellung der Hydraulikeinheit 8 entspricht dabei der Grundausstellung des Nockenprofils der Nockenwelle. Von einer Ölpumpe 31 wird ein Ölstrom jeweils abhängig von der Position des Tassenstößels 1 über zwei in Reihe geschaltete Ventile einem Schaltventil 32, 34 und einem Magnetventil 33, 35 der Leitung 25 oder 26 im Zylinderkopf 3 geführt, über die eine Verbindung zum Druckraum 7 im Tassenstößel 1 hergestellt werden kann. Der Ölstrom dient zur Verstellung der Druckscheibe 18, die beidseitig druckbeaufschlagbar ist. Die durch eine Verstellung der Druckscheibe 18 bedingte Ölstrom- Verdrängung ist durch eines der Rücklaufventile 36, 37 abführbar.

Zwischen den Magnetventilen 33, 35 besteht über eine Steuereinheit 38 eine elektrische Verbindung.

Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Die Steuerung sieht vor, daß der von der Ölpumpe 31 geförderte Ölstrom wechselseitig der Leitung 25 oder 26 zugeführt wird zur gezielten Verstellung der Druckscheibe 18 im Druckraum 7 des Tassenstößels 1. Die Steuerung weist dazu in jeder Leitung 25 oder 26 je ein Schaltven til 32, 35 und ein Magnetventil 33, 35 auf, die in Reihe geschaltet sind und sicherstellen, daß der Ölstrom jeweils nur in eine Leitung geleitet wird. Dazu dient die Steuereinheit 38, die in Abhängigkeit von Kenngrößen der Brennkraftmaschine bzw. Vorgabewerten eine Ansteue rung der Magnetventile 33, 35 vornimmt und damit den Ölstrom steuert zur Erreichung einer Variierung der Steuerzeiten und des Hubes der Gaswechselventile. Die Leitungen 25, 26 sind weiter mit Rücklaufventi len 36, 37 versehen, die bei einer Stellbewegung der Druckscheibe 18 das verdrängte Druckmittel abführen.

Die Funktionsweise basiert auf einer Druckübersetzung, d. h. ein von der Ölpumpe 31 erzeugter Öldruck trifft auf eine relativ große Fläche der Druckscheibe 18, deren Verstellung gleichzeitig eine Verlagerung des Bolzens 20 bewirkt, der eine kleine Fläche aufweist, wodurch ein großer Druck erzeugt wird, der auf die Hydraulikeinheit 8 übertragen wird.

Beeinflußt durch die Steuereinheit 38 liegt bei auflaufendem Nocken der Öldruck an der Leitung 25 an, wodurch die Druckscheibe 18 in Richtung des Bodens 4 verschoben wird. Bedingt durch die kleine Stirn fläche des Bolzens 20 wird dabei ein hoher Öldruck erzeugt, der die gesamte Hydraulikeinheit 8 verschiebt, d. h. ausfahren läßt bis zu einem Grenzwert, der mit "X" in Fig. 1 gekennzeichnet ist. Durch die Druckübersetzung wird ein so hoher Öldruck erzeugt, der die maximale Beschleunigungskraft, d. h. den Beschleunigungsstoß beim Übergang des Nocken-Grundkreises in die Erhebungskurve und die Federkraft der Gaswechselventile übersteigt, wodurch der Ventilhub zum Nockenhub ver ändert werden kann.

Nach Ende der Hubphase des Nockens, d. h. Überwindung der Nockenspitze nimmt die Steuereinheit 38 eine Schaltung der Magnetventile 33, 35 vor, wodurch der Ölstrom in die Leitung 26 geleitet wird mit der Folge, daß die Druckscheibe 18 nach unten, d. h. in Richtung des Stegbleches 19 gedrückt wird. Diese Stellbewegung bewirkt ein Vakuum im Druckmittelkanal 17, verbunden mit einer Öffnung des Kugelventils 16, wodurch Öl aus dem Druckraum 14 in den Druckmittelkanal 17 nach fließen kann, z. B. um einen leckagebedingten Verlust an Druckmittel im Druckraum 7 ausgleichen zu können. Der Vakuumausgleich und die Rückstellung der Hydraulikeinheit 8 auf die Anlage am Boden 4 ent sprechend der linken Darstellung der Hydraulikeinheit 8 erfolgt, bevor der Ventilteller des Gaswechselventils am Sitz anliegt. Durch diese zeitliche Voreilung kann die Schließrampe der Nockenkontur vorteilhaft genutzt werden. Bei Erreichen der Grundkreisphase des Nockens, bei der nach wie vor der Öldruck durch die Steuereinheit 38 in die Leitung 26 geleitet ist, besteht über die Steignut 24 und die Umlaufnut 30 eine Verbindung zur Stichbohrung 27, über die der Druckraum 14 mit Öl versorgt wird.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm den Hubverlauf eines Gaswechselven tils, das mit der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung versehen ist.

Das Diagramm verdeutlicht den Verstellbereich, wobei der Kurvenverlauf "a" die Hubkurve ohne Verstellung und der Kurvenverlauf "b" die Hub kurve mit der maximal möglichen Verstellung zeigt.

Bezugszeichenliste

1 Tassenstößel
2 Bohrung
3 Zylinderkopf
4 Boden
5 Außengehäuse
6 Stößelzylinder
7 Druckraum
8 Hydraulikeinheit
9 Führungsteil
10 Boden
11 Kolben
12 Kugelventil
13 Hochdruckraum
14 Druckraum
15 Druckfeder
16 Kugelventil
17 Druckmittelkanal
18 Druckscheibe
19 Stegblech
20 Bolzen
21 Leitungsanschluß
22 Leitungsanschluß
23 Steignut
24 Steignut
25 Leitung
26 Leitung
27 Stichbohrung
28 Umlaufnut
29 Umlaufnut
30 Umlaufnut
31 Ölpumpe
32 Schaltventil
33 Magnetventil
34 Schaltventil
35 Magnetventil
36 Rücklaufventil
37 Rücklaufventil
38 Steuereinheit

Claims

1. Vorrichtung zur hydraulischen Verstellung des Ventilhubes und/oder der Steuerzeiten eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, das von einem Nocken einer Nockenwelle über einen hydraulischen Tassen stößel betätigt wird, wobei der Tassenstößel ein Außengehäuse mit einem mit der Umfangsfläche des Nockens zusammenwirkenden Boden und ein in dem Außengehäuse an einem Schaftende des Gaswechselventils anliegendes Führungsteil aufweist, das zur Veränderung der Steuerzei ten und/oder des Ventilhubes zum Außengehäuse relativ verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur stufenlosen Variation der Gas wechselventil-Betätigung ein Ansteuerzeitpunkt für eine Druckmittel beaufschlagung des Tassenstößels (1) veränderlich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Tassen stößel (1) zur Verstellung des Führungsteiles (9) einschließlich aller darin eingebrachten Bauteile eine hydraulische Stelleinheit integriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem radialen Abstand zwischen den Führungsteil (9) und dem Außengehäu se (5) ausgleichenden Druckraum (7) eine Druckscheibe (18) eingesetzt ist, die beidseitig druckbeaufschlagbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck scheibe (18) zumindest mit einem Bolzen (20) eine Einheit bildet, der in einem Boden (10) des Tassenstößels (1) geführt ist und der hydrau lisch mit einer als Hydraulikeinheit (8) ausgebildeten Stelleinheit zusammenwirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hy draulikeinheit (8) innerhalb eines Kolbens (11) einen Druckraum (14) aufweist, der mit einem Kugelventil (16) versehen ist, das mit einem Druckmittelkanal (17) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hy draulikeinheit (8) einen hydraulischen Ventilspielausgleich aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck mittelbeaufschlagung der Druckscheibe (18) mittels einer Steuereinheit (38) sowie eines Magnetventils (33, 35) steuerbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steu ereinheit (38) die Druckscheibe (18) ansteuert, in Abhängigkeit der Nockenwellenstellung oder von Kenndaten der Brennkraftmaschine.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitlich unterschiedliche Druckmittelbeaufschlagung der Druckscheibe (18) zwischen den Einlaß- und Auslaß-Gaswechselventilen einer Brenn kraftmaschine vorgesehen ist.