DE60200462T2

DE60200462T2 - Brennkraftmaschine mit hydraulischer Vorrichtung zur variablen Betätigung der Ventile und Mittel zum Ausgleichen von Volumenänderungen der hydraulischen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE60200462T2
Application number: DE60200462T
Authority: DE
Inventors: Stefano Chiappini; Andrea Pecori; Francesco Vattaneo
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: EP1243761B1; EP1243761A1; ITTO20010269A0; ES2218483T3; JP2002309914A; JP4098543B2; US20020134328A1; DE60200462D1; ITTO20010269A1; US6530350B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine des Typs, welcher aufweist:

– zumindest ein Einlassventil und zumindest ein Auslassventil für jeden Zylinder, wobei jedes Ventil mit entsprechenden elastischen Mitteln versehen ist, welche das Ventil in die geschlossene Stellung zurückbringen, um eine Kommunikation zwischen den entsprechenden Einlass- und Auslasskanälen und der Verbrennungskammer zu steuern;
– eine Nockenwelle zum Betätigen der Einlass- und Auslassventile der Zylinder der Kraftmaschine mittels entsprechenden Stößeln, wobei jedes Einlassventil und Auslassventil durch einen Nocken der Nockenwelle betätigt wird;

Eine Kraftmaschine des Typs, auf welchen vorher Bezug genommen wurde, ist beispielsweise in den europäischen Patentanmeldungen EP-A-0 803 642 und EP-A-1 091 097, eingereicht durch den vorliegenden Anmelder, beschrieben und dargestellt.
Die durch den vorliegenden Anmelder durchgeführten Studien und Tests haben gezeigt, dass einige Probleme während des Betriebs in Erscheinung treten können, insbesondere wenn die Kraftmaschine bei niedrigen Temperaturen aufhört, zu laufen, auf Grund der konsequenten Volumenschwankungen des hydraulischen Fluids (typischerweise Öl). Wenn die Kraftmaschine für eine lange Zeit nicht in einer Niedrigtemperaturumgebung in Betrieb war, zieht sich das Öl in den Niedrigdruckkreislauf, d.h. in dem Abschnitt zwischen der Ölzuführung und dem Magnetventil, zusammen und leckt, wodurch Räume in dem Kreislauf geschaffen werden, welche Luftblasen erzeugen, die schwierig zu eliminieren sind und die den Betrieb des Systems während des Startens der Kraftmaschine beeinträchtigen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, das vorhergehend genannte Problem auszuräumen, indem ein System zur Verfügung gestellt wird, welches soweit wie möglich die Bildung von Luftblasen in dem Kreislauf welche auf Grund von Volumenschwankungen des hydraulischen Fluids folgen, welche von Temperaturschwankungen des Fluids, wenn die Kraftmaschine abgeschaltet ist und von einer Leckage des hydraulischen Fluids durch die Spalte resultieren, welche sich aus dem konstruktionsbedingten Spiel der unterschiedlichen Komponenten ergibt.
Mit der Absicht, diesen Zweck zu erreichen, betrifft der Gegenstand der Erfindung eine Kraftmaschine, welche alle die zu Beginn der vorliegenden Beschreibung angegeben Eigenschaften aufweist und darüber hinaus durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
In anderen Worten, ist das System mit einer Art einer Expansionsbox oder einem Expansionsgefäß ausgestattet, welches eine bestimmte Menge eines hydraulischen Fluids enthält, und welches konsequenterweise in der Lage ist, dieses Fluid in den Kreislauf bei einem Niedrigtemperaturzustand zurückzuführen, um so die Bildung von Luftblasen in dem Kreislauf zu verhindern, und welches in der Lage ist, das Fluid darin wieder aufzunehmen, wenn die Temperatur ansteigt.
In einer ersten Ausführungsform besteht das vorhergehend genannte zusätzliche Reservoir aus einem Gefäß, welches sich von dem Speicher unterscheidet, und weist ein unteres Ende auf, welches mit dem Kreislauf verbunden ist, und ein oberes Ende, welches sich zu der Atmosphäre öffnet.
In einer anderen Ausführungsform besteht das zusätzliche Reservoir aus dem gleichen Gefäß wie der Speicher, welcher in diesem letzteren Fall einen Kolben mit einem begrenzten Loch aufweist, welches einen vorbestimmten Durchmesser aufweist, welcher es ermöglicht, dass das sich ausweitende Fluid das Volumen des Speichers unterhalb des Kolbens einnimmt, indem es durch das Loch durchtritt. Selbstverständlich kann diese Lösung entweder als eine Alternative oder zu sätzlich zu der schon oben Erwähnten verwendet werden, welche ein eigenes zusätzliches Reservoir vorsieht.
Gemäß der Erfindung ist es ebenso möglich, als ein zusätzliches Reservoir die Verwendung des Gefäßes einer Druckgebervorrichtung in Erwägung zu ziehen, welche mit dem hydraulischen Kreislauf entsprechend einer Technik verknüpft werden kann, welche aus dem Patent EP-B-0931912 bekannt ist, welches im Besitz des vorliegenden Anmelders ist. Diese Vorrichtung wird zur Verfügung gestellt für den Zweck, einen federbelasteten Kolben mit dem unter Druck stehenden Öl, welches in dem Kreislauf während des Betriebs der Kraftmaschine zirkuliert, zu versorgen, so dass man in der Lage ist, die so angespeicherte Energie während des Starts der Kraftmaschine, nachdem die Kraftmaschine nicht in Betrieb war, auszunutzen, um eine unverzügliche Füllung des hydraulischen Kreislaufs und eine schnelle Antwort des Systems zu garantieren. Für den Fall, bei welchem eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, ist es möglich, für letztere auch eine Anordnung ähnlich zu der vorhergehend Beschriebenen unter Bezugnahme auf den hydraulischen Speicher, mit einem Luftablassventil zu der Atmosphäre und einem begrenzten Loch mit einem vorab bestimmten Durchmesser in dem Kolben der Vorrichtung zu versehen, was es ermöglicht, dass sich ausdehnendes Öl durch das Loch in den Hohlraum oberhalb des Kolbens strömt.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, welche nur als nicht eingeschränkte Beispiele bereitgestellt werden, deutlich werden, und in welchen:
1 eine Querschnittsansicht des Zylinderkopfes einer Verbrennungskraftmaschine gemäß der von der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 803 642, eingereicht durch den vorliegenden Anmelder, bekannten Ausführungsform ist; und
2 ein Diagramm des hydraulischen Systems für einen variablen Betrieb der Ventile gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Bezug nehmend auf 1, ist die Verbrennungskraftmaschine, welche in der vorbekannten europäischen Patentanmeldung EP-A-0 803 642, ebenso wie in der EP-A-1 091 097, eingereicht durch den vorliegenden Anmelder, beschrieben ist, ein Mehrfachzylindermotor, beispielsweise ein Motor mit fünf in Reihe festgelegten Zylindern, welche einen Zylinderkopf 1 aufweisen.
Der Kopf 1 weist für jeden Zylinder einen Hohlraum 2 auf, der in der Basisoberfläche 3 des Kopfes 1 ausgebildet ist, wobei der Hohlraum 2 die Verbrennungskammer definiert, in welche zwei Einlasskanäle 4, 5 und aus welcher zwei Auslasskanäle 6 führen. Eine Kommunikation zwischen den zwei Einlasskanälen 4, 5 mit der Verbrennungskammer 2 wird durch zwei Einlassventile 7 des herkömmlichen Teller- oder Pilztyps gesteuert, die jeweils einen Stiel 8 aufweisen, welcher gleitend in dem Gehäuse des Kopfes 1 montiert ist. Jedes Ventil 7 wird in die Schließposition durch Federn 9 zurückgebracht, welche zwischen einer inneren Oberfläche des Kopfes 1 und eines Endnapfes 10 des Ventils angeordnet sind. Ein Öffnen der Einlassventile 7 wird auf die Art gesteuert, die nachfolgend beschrieben werden wird, durch eine Nockenwelle 11, welche gleitend um eine Achse 12 in Halterungen des Kopfes 1 montiert ist und welche mehrere Nocken 14 zum Betrieb der Ventile aufweist.
Jeder Nocken 14 für den Betrieb eines Einlassventils 7 kooperiert mit der Kappe 15 eines Stößels 16, welcher gleitend entlang einer Achse 17 montiert ist, welche in dem dargestellten Fall im Wesentlichen um 90° gegenüber der Achse des Ventils 7 (der Stößel kann ebenso montiert werden, dass er ausgerichtet ist, wie dies unter Bezugnahme auf 3 dargestellt werden wird), im Inneren einer Führung 18 ausgerichtet ist, welche durch einen Körper 19 einer vormontierten Baueinheit 20 getragen ist, welche jede der elektrischen und hydraulischen Vorrichtungen, welche mit dem Betrieb der Einlassventile verbunden sind, beinhaltet, gemäß dem, welches im Detail nachfolgend dargestellt ist. Der Stößel 16 ist in der Lage, einen Schub auf den Stiel 8 des Ventils zu übertragen, so dass ein Öffnen des Letzteren entgegen der Wirkung des elastischen Mittels 9 mittels eines unter Druck stehenden Fluids (typischerweise Öl, welches von dem Motorschmierkreislauf stammt), welches in einer Kammer C vorhanden ist, und mittels eines Kolbens 21 zu bewirken, welcher gleitend in einem Zylinderkörper montiert ist, welcher durch eine Gleitführung 22 bewerkstelligt wird, der ebenso durch den Körper 19 der Unterbaueinheit 20 getragen ist,. Wiederum gemäß der bekannten in 1 dargestellten Lösung kann die Kammer C, welche ein Fluid unter Druck enthält, und die mit jedem Einlassventil 7 verbunden ist, in Kommunikation mit einem Auslasskanal 23 über ein Magnetventil 24 gebracht werden. Das Magnetventil 24, welches von irgendeinem bekannten Typ, der für die hier dargestellte Funktion geeignet ist, sein kann, wird durch elektronische Steuermittel, die als Ganzes mit 25 bezeichnet werden, gemäß den Signalen S angesteuert, die Betriebsparameter des Motors angeben, wie beispielsweise die Position des Gaspedals und der Motorumdrehungen. Wenn sich das Magnetventil 24 öffnet, tritt die Kammer C mit dem Kanal 23 in Verbindung, so dass das unter Druck stehende Fluid, welches in der Kammer C vorhanden ist, in diesen Kanal strömt, und eine Entkopplung des Stößels 16 von dem entsprechenden Einlassventil 7 erhalten wird, wobei das Einlassventil 7 dann schnell in seine geschlossene Position unter der Wirkung der Rückstellfeder 9 zurückkehrt. Durch Kontrollieren der Verbindung zwischen der Kammer C und dem Auslasskanal 23 ist es daher möglich, die Öffnungszeit und den Öffnungshub für jedes Einlassventil 7 wie gewünscht zu variieren.
Die Auslasskanäle 23 der unterschiedlichen Magnetventile 24 öffnen sich alle in ein und denselben länglichen Kanal 26, welcher mit einem oder mehreren Druckspeichern 27 kommuniziert, wovon nur einer in 1 zu sehen ist. Alle Stößel 16 mit den verbundenen Führungen 18, die Kolben 21 mit den verbundenen Führungen 22 und die Magnetventile 24 und die entsprechenden Kanäle 23, 26 sind in dem vorgenannten Gehäuse 19 der vormontierten Unterbaueinheit 20 getragen und hergestellt mit dem Vorteil einer raschen und leichten Montage des Motors.
Die mit jedem Zylinder verknüpften Auslassventile 80 werden in der in 1 dargestellten Ausführungsform auf herkömmliche An und Weise durch eine Nockenwelle 28 mittels entsprechenden Stößeln 29 gesteuert.
2 stellt in einem vergrößerten Maßstab das Gehäuse 19 der vormontierten Unterbaueinheit dar.
Bezug nehmend auf 2 steuert das Magnetventil 24 eine Verbindung der Druckkammer C der Vorrichtung zu Betätigung des Motorventils mit dem Auslasskanal 23. Letzterer steht mit der Kammer 100 mit variablen Volumen des Speichers 27 in Verbindung. Wenn sich das Magnetventil 24 öffnet, strömt das in der Druckkammer C vorhandene Fluid in den Auslasskanal 23 und von dort in die Kammer 100 des Speichers 27, um so zu bewirken, dass sich der Kolben 101 unter der Wirkung der Feder 102 anhebt. Der Auslasskanal 23 steht darüber hinaus über ein Einwegventil 103 mit einem Kanal 104 für ein Zuführen von unter Druck stehendem Öl, welches von der Motorölspeisepumpe (nicht dargestellt) kommt, in Verbindung. In 2 gibt das Bezugszeichen 105 ein Ventil zum Auslassen von irgendwelchen Luftblasen an, welche möglicherweise während der anfänglichen Ausdehnung des Ölspeiserohrs 104 sich ausbilden können. Ein weiteres Einwegventil 106 ist stromabwärts des Ventils 105 angeordnet. Gemäß einer an sich bekannten Technik ist eine Druckgebervorrichtung 107 ebenso mit dem Kanal 104 verbunden, welche eine Gestalt aufweist, die im Wesentlichen ähnlich zu derjenigen eines hydraulischen Speichers ist, jedoch auch mit einer mechanischen Einhängvorrichtung 108 (schematisch dargestellt) versehen ist, welche den Kolben 109 dieser Vorrichtung in irgendeiner Position hält, welche als Folge seines durch den Druck des Fluids bedingten Anhebens erreicht wird. Die Vorrichtung 108 hält den Kolben 109 in einer Position entgegen der Wirkung einer Feder 110 zurück. In Übereinstimmung mit dem, was in dem älteren europäischen Patent EP-B- 0931912, in Besitz des vorliegenden Anmelders, vorgesehen ist, wird, wenn der Motor gestartet wird, die mechanische Einhängvorrichtung 108 (beispielsweise mittels eines Magneten) in solch einer An und Weise freigegeben, dass die Feder 110 den Kolben 109 plötzlich nach unten drückt, um so eine unverzügliche Zuführung der Menge eines Fluids, welches in der Vorrichtung 107 enthalten ist, in der Richtung zu der Druckkammer C zu bewirken. Diese bekannte Vorrichtung garantiert eine prompte Antwort des Systems, nachdem der Motor gestartet wurde.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist mit dem Kanal 104 ein zusätzliches Reservoir 111 verbunden, welches ein Ablassventil 112 zum Ablassen von Luft in die Atmosphäre aufweist. Das Reservoir 111 funktioniert als eine Expansionsbox oder ein Expansionsgefäß für den hydraulischen Kreislauf. Dieses Reservoir ist teilweise mit einem Fluid während eines Normalbetriebs des Motors in solch einer An und Weise gefüllt, dass es in der Lage ist, dieses Fluid in den Kanal 104 zurückzuführen für den Fall einer Kontraktion des Öls, die von Leckagen und von der niedrigen Temperatur, nachdem der Motor aufgehört hat, zu laufen, resultiert, um so die Bildung von Luftblasen zu verhindern. Andererseits, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, während sich der Motor nicht in Betrieb befindet, kann das Öl im Inneren des Reservoirs 111 expandieren. Selbstverständlich wird der vorhergehend beschriebene Betrieb durch das Vorhandensein des Luftablassventils 112 sichergestellt.
Als eine Alternative oder zusätzlich zu der vorhergehenden beschriebenen Lösung ist es möglich, auch den Speicher 27 als ein zusätzliches Reservoir auszunutzen. In diesem Fall weist der Speicher ebenso ein Ablassventil 113 zum Ablassen von Luft in die Atmosphäre auf, und der Kolben 100 weist ein begrenztes Loch 114 (nicht in der Fig. angegeben) mit einem vorab bestimmten Durchmesser auf. Wenn sich der Motor nicht in Betrieb befindet, bewirkt eine mögliche Expansion des Öls auf Grund einer hohen Temperatur, dass das Öl durch das Loch 114 in die Kammer des Speichers oberhalb des Kolbens 110 fließt. Andererseits, wenn es einen Temperaturabfall gibt, kann das Fluid nach unten durch dieses Loch strömen. In jedem Fall ist das Loch begrenzt, um den normalen Betrieb des Speichers, wenn der Motor läuft, nicht zu beeinträchtigen.
Eine ähnliche Lösung kann ebenfalls in der Druckgebervorrichtung 107 angewandt werden, welche ein Ablassventil 115 zum Ablassen von Luft in die Atmosphäre und ein in seinem Kolben 109 hergestelltes begrenztes Loch 116 in solch einer Art und Weise aufweisen kann, dass die Kammer dieser Vorrichtung oberhalb des Kolbens 109 als ein Expansionsgefäß verwendet werden kann.
Wie klar von der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird, ist das System gemäß der Erfindung in der Lage, dass Problem einer Bildung von Luftblasen in dem Kreislauf unter Verwendung von extrem einfachen Mitteln auszuräumen, indem eines oder mehrere Expansionsgefäße zum Kompensieren der Volumenschwankungen des Fluids zur Verfügung gestellt werden, wobei die Expansionsgefäße so die Bildung von Luftblasen verhindern.
Der vorliegende Anmelder hat ebenso Mittel entwickelt, die ein Ablassen von jeglicher Luft während des Motorstarts garantieren, die möglicherweise in dem Hochdruckabschnitt des Kreislaufes, insbesondere in der Druckkammer C, vorhanden ist. Diese Mittel bilden den Gegenstand einer parallelen Patentanmeldung, die von dem vorliegenden Anmelder eingereicht wurde.

Claims

Brennkraftmaschine aufweisend: – zumindest ein Einlassventil (8) und zumindest ein Auslassventil für jeden Zylinder, wobei jedes Ventil mit entsprechenden elastischen Mitteln (9) versehen ist, welche das Ventil in die geschlossene Stellung zurückbringen, um eine Kommunikation zwischen den entsprechenden Einlass- und Auslasskanälen (4, 6) und der Verbrennungskammer zu steuern; – eine Nockenwelle (11) zum Betätigen der Einlass- und Auslassventile der Zylinder der Kraftmaschine mittels entsprechenden Stößeln (16), wobei jedes Einlassventil und jedes Auslassventil durch einen Nocken (14) der Nockenwelle betätigt wird; wobei zumindest einer der Stößel (16) das entsprechende Einlass- oder Auslassventil entgegen der Wirkung der elastischen Rückstellmittel über den Eingriff von hydraulischen Mitteln, welche eine hydraulische Kammer (C) umfassen, die ein Fluid unter Druck enthält, steuert; wobei die hydraulische Kammer, welche ein Fluid unter Druck enthält, über ein Magnetventil (24) zu einem Auslasskanal (26) zum Entkoppeln des Ventils von dem entsprechenden Stößel (16) verbindbar ist und ein schnelles Schließen des Ventils gegen die Wirkung der entsprechenden elastischen Rückstellmittel (9) bewirkt; wobei die Hydraulikmittel des Weiteren einen Kolben (21) aufweisen, der mit dem Stiel (8) des Ventils verknüpft ist und gleitend in einer Gleitdurchführung (22) montiert ist, wobei der Kolben festgelegt ist, um eine Kammer (34) mit einem veränderlichen Volumen, welche durch den Kolben im Inneren der Gleitdurchführung (22) definiert wird, gegenüber zu liegen, wobei die Kammer mit einem veränderlichen Volumen mittels einer Endöffnung der Gleitdurchführung mit der Hydraulikkammer (C), welche ein Fluid unter Druck enthält, in Verbindung steht, wobei der Kolben ein endseitiges Anhängsel aufweist, welches konstruiert ist, um in die Endöffnung während der abschließenden Ausdehnung des Schließhubs des Ventils eingefügt zu werden, um den Verbindungsanschluss zwischen der Kammer mit veränderlichem Volumen und der Hydraulikkammer, welche ein Fluid unter Druck enthält, zu begrenzen, um so den Hub des Ventils in der Nähe seines Verschlusses zu verlangsamen, wobei der vorherige Auslasskanal (23) mit einem Speicher (27) für das unter Druck stehende Fluid und mit einer Speiseleitung (104) zum Zuführen des von einer Speisepumpe kommenden Fluids in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Magnetventils (24) zumindest ein zusätzliches Fluidreservoir (111; 27; 107) mit dem vorherigen Auslasskanal (23) verbunden ist, zu der Atmosphäre öffnend, welches in einen normalen Betriebszustand der Kraftmaschine mit einem Fluid teilweise gefüllt ist, welches zumindest als Folge einer Kontraktion des Fluids in kalten Zuständen teilweise entleert ist und welches nahezu gefüllt ist als Folge einer Expansion des Fluids in Heißzuständen, je nach Fall sowohl, wenn die Maschine angehalten ist, als auch, wenn diese läuft; dass ein Einwegventil (103; 106) zwischen der Speiseleitung (104) stromaufwärts des zumindest einen zusätzlichen Fluidreservoirs zwischengeschaltet ist, um einen Fluss des Fluids in Richtung zu der Speisepumpe zu verhindern; dass das zumindest eine zusätzliche Fluidreservoir eine Kammer definiert, welche zu der Atmosphäre entgast ist, in welcher das Fluid während eines Normalbetriebs der Kraftmaschine vorhanden ist, und welches sicherstellt, dass das Fluid von dieser zu der Speiseleitung (104) an einem Punkt stromabwärts des Einwegventils (103; 106) für den Fall zurückkehren kann, in welchem das Öl sich kontrahiert oder danach entweicht, nachdem die Kraftmaschine angehalten wurde, wobei der Raum oberhalb des Fluids im Inneren der Kammer des zusätzlichen Fluidreservoirs nach oben durch eine obere Endwand des Reservoirs verschlossen ist, in welcher ein Entgasungsloch lokalisiert ist, welches sich zu der Atmosphäre öffnet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorherige zusätzliche Reservoir aus einem Behälter (111) besteht, welcher von dem Druckspeicher (27) verschieden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Druckspeicher (27) als ein zusätzliches Reservoir funktioniert, wobei der Speicher einen Entnahmestutzen (113) zum Ablassen von Luft in die Atmosphäre und einen Kolben (100) mit einem begrenzten Loch (114) mit einem vordefinierten Durchmesser aufweist, wobei das Loch es dem hydraulischen Fluid ermöglicht, in die Kammer des Speicher oberhalb des Kolbens (110) zu strömen, so dass der Raum im Inneren des Speicher oberhalb des Kolbens (110) die Kammer des zusätzlichen Fluidreservoirs definiert, welches mit einem Fluid während eines Normalbetriebs der Kraftmaschine gefüllt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, umfassend eine Druckgebervorrichtung (107), welche einen Kolben (109) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch als ein zusätzliches Reservoir funktioniert, wobei die Druckgebervorrichtung (107) einen Entnahmestutzen (115) zum Ablassen von Luft in die Atmosphäre aufweist, und ein Kolben (109), welcher ein Loch (116) mit einem vorab definierten reduzierten Durchmesser aufweist, welches es dem hydraulischen Fluid ermöglicht, in die Kammer der Vorrichtung oberhalb des Kolbens (109) zu strömen.