DE69612846T2

DE69612846T2 - Auslassventilvorrichtung in einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69612846T2
Application number: DE69612846T
Authority: DE
Inventors: Nils-Olof Hakansson; Per Persson
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2016-03-20
Also published as: SE9500965D0; SE504145C2; US5890469A; WO1996029508A1; EP0815355A1; JPH11502279A; BR9607666A; SE9500965L; EP0815355B1; JP3942110B2; DE69612846D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Auslassventilmechanismus in einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Auslassventil in jedem Zylinder, für jeden zylinder einen Kniehebel, der auf einer Kniehebelwelle zur Betätigung des Auslassventils montiert ist, eine Nockenwelle mit einem Nockenelement für jeden Kniehebel, wobei das Nockenelement mit einem Nockenstößel an einem Ende des Kniehebels zusammenwirkt, eine Ventilspielaufnahmeeinrichtung, die zwischen einem gegenüberliegenden Ende des Kniehebels und dem Auslassventil angeordnet ist, wobei die Ventilspielaufnahmeeinrichtung ein Kolbenelement umfasst, das in einer Zylinderkammer aufgenommen ist, die sich in dem gegenüberliegenden Kniehebelende befindet, und einen hydraulischen Schaltkreis mit einer Ventileinrichtung zum Zuführen oder Abführen von Hydrauliköl zu und von der Zylinderkammer, wobei die Ventileinrichtung ein geregeltes Rückschlagventil umfasst, das bei einem bestimmten niedrigen Druck eine Strömung von Hydrauliköl aus der Zylinderkammer erlaubt.
Die SE-A-468 132 (und US-A-5 193 497) beschreibt einen vorbekannten Auslassmechanismus der oben erwähnten Art, der zusammen mit einer speziellen Art von Nockenwelle mit besonderen Nockenzapfen verwendet werden kann, um die Bremsleistung der Maschine zu erhöhen. Die extra Nockenzapfen sind in diesem Fall so dimensioniert, dass ihre Hebemenge näherungsweise dem normalen Ventilspiel des Ventilmechanismus entspricht. Indem das Ventilspiel durch den Ventilspielaufnahmemechanismus auf Null reduziert wird, ist es möglich, eine zusätzliche Hebemenge während eines geeigneten Zeitintervalls des Auslassventils zu erzielen, entsprechend dem normalen Ventilspiel. Beispielsweise kann ein extra Nockenzapfen relativ zu dem gewöhnlichen Nockenzapfen so platziert sein, dass eine Zusatzauslassventilhebemenge während des letzten Teils des Kompressionshubs erzielt wird, was dazu führt, dass ein Teil der Kompressionsarbeit während des Kompressionshubs verloren geht und während des Expansionshubs nicht wiedergewinnbar ist. Die Folge ist, dass die Bremsleistung der Maschine zunimmt.
Eine Maschine mit solch einer Anordnung zum Erhöhen der Bremswirkung wird jedoch eine etwas niedrigere Effizienz als eine entsprechende herkömmliche Maschine haben. Dies liegt darin, dass der maximale Auslassventilhub und das letztmögliche Auslassventilschließen bei Null Ventilspiel für das Bremsen und nicht für das Antreiben verwendet werden, was bedeutet, dass während des Antriebsmodus ein geringerer Ventilhub erzielt wird, wenn die Ventilspielaufnahmeeinrichtung nicht aktiviert ist, und was ebenfalls bedeutet, dass die Auslassventile sich früher schließen als wenn ein maximaler Hub im Antriebsmodus verwendet werden kann.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Auslassventilmechanismus der in der Einleitung beschriebenen Art zu erzielen, bei dem die Auslassventilhubkurve für den Antriebsmodus und den Bremsmodus zumindest in der Nähe des Schließens die gleiche sein kann.
Dies wird gemäß der Erfindung durch die Tatsache erzielt, dass die Ventileinrichtung Ventilmittel umfasst, die relativ zu der Kniehebelbewegung des Kniehebels gesteuert werden. Die Ventilmittel sind nach einer bestimmten Kniehebelbewegung so angebracht, dass sie eine Verbindung vorbei an dem Rückschlagventil öffnen, um ein Abfließen aus der Zylinderkammer zu erlauben.
Die Hubkurve in der Nähe des Schließens der Auslassventile wird durch den verfügbaren Raum in der Brennkammer bestimmt, wobei der Kolben in der oberen Totpunktposition ist. Damit die Auslassventile nicht die Kolben während des Bremsens treffen, wird gemäß der Erfindung eine Kniehebelbewegung verwendet, die durch ein Bypassventil geregelt ist, das ein solch rasches Entleeren der Zylinderkammer des Ventilspielaufnahmekolbens erlaubt, dass der Kolben in seiner zurückgezogenen Position ist, wenn der Kniehebelnockenstößel auf dem gewöhnlichen Nockenzapfen in seinem letzten Bereich liegt. Dies bedeutet, dass sich das Ventil am gleichen Ort auf der Hebekurve während des Bremsmodus und des Antriebsmodus schließt. Nach dem Schließen des Auslassventils und einem nachfolgenden Schließen des Bypassventils wird der Ventilspielaufnahmekolben wieder aktiviert, indem Öl unter Druck an die Kolbenzylinderkammer über das Einwegventil zugeführt wird, solange der Druck in dem Hydraulikkreis die Blockierfunktion des Einwegventils aufrecht erhält. Im Gegensatz zu dem in der Einleitung beschriebenen Ventilmechanismus wird die Zylinderkammer des Ventilspielaufnahmekolbens einmal pro Zyklus im Bremsmodus gefüllt und geleert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Ventilmechanismus gemäß der Erfindung wird das Bypassventil durch ein Ventilgleitstück geformt, das drehbar in dem Kniehebel montiert ist und das einen Zahnkranz in Eingriff mit einem Zahnabschnitt hat, der relativ zu der Kniehebelwelle fixiert ist. Das Gleitstück ist mit einer Nut gefertigt, die in einer Position des Gleitstücks ein Abfließen aus der Zylinderkammer vorbei an dem Rückschlagventil erlaubt.
Die Erfindung wird weiter im einzelnen untenstehend unter Bezug auf Beispiele beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, in denen:
Fig. 1 das Prinzip einer Ausführungsform eines Kniehebels zeigt, der in einem Auslassventilmechanismus gemäß der Erfindung eingesetzt ist;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer bevorzugten Gestaltung eines Auslassventilmechanismus gemäß der Erfindung ist;
Fig. 3 ein Längsschnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 2 ist;
Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Auslassventilhubkurven für eine Maschine mit dem bekannten Ventilmechanismus zeigt, der in der Einleitung beschrieben ist; und
Fig. 5 ein Diagramm ist, das die Auslassventilhubkurven für eine Maschine mit einem Auslassventilmechanismus gemäß der Erfindung zeigt.
In Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 einen Kniehebel mit einem Bohrloch 2, um den Kniehebel auf einer Kniehebelwelle 3 zu montieren. An seinem Ende ist der Kniehebel 1 mit einem Nockenstößel in der Form einer drehbar montierten Walze 4 versehen, die in Zusammenwirkung mit einem Nockenelement 5 auf der Nockenwelle 6 in einer bekannten Weise eine Pendelbewegung auf den Kniehebel auferlegt. An seinem gegenüberliegenden Ende ist der Kniehebel mit einer Zylinderkammer 7 versehen, in der ein Kolbenelement 8 verschiebbar montiert ist. Das Kolbenelement 8 ist an seinem distalen Ende mit einer Kugel 9 versehen, die in einem kugelförmigen Sockel in einem Halter 10 untergebracht ist, der auf einem Joch 11 ruht, das die Ventilstangen 12 eines Paars Ton Auslassventilen in einem (nicht gezeigten) Maschinenzylinder verbindet. Das Kolbenelement 8 kann zwischen einer zurückgezogenen Endposition, in der seine obere Oberfläche in Kontakt mit der Bodenfläche 13 der Zylinderkammer 7 ist, und einer ausgefahrenen Endposition, in der sein äußerer Rand 14 gegen eine ringförmige Anstoßoberfläche 15 der Zylinderkammer stößt, bewegt werden. Die Länge des Hubs "S" des Kolbenelements 8 kann bis ca. 2 mm sein. Durch Zuführen oder Abführen von Hydrauliköl zu oder aus der Zylinderkammer 7 kann der Hub der Auslassventile 12 um den Abstand "S" variiert werden.
Die Zylinderkammer 7 steht über eine Ventilanordnung (die im allgemeinen mit 20 bezeichnet ist), die in dem Kniehebel untergebracht ist und die schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, mit einem Kanal 21 (Fig. 2) in der Kniehebelwelle 3 in Verbindung und steht somit mit dem gewöhnlichen Maschinenschmiersystem in Verbindung. Die Ventilanordnung 20 umfasst ein geregeltes Rückschlagventil 22, das ein Ventilelement in der Form einer Kugel 23 hat, das gegen einen Sitz 24 durch eine Feder 25 vorgespannt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kugel ist eine Kammer 26, die einen Steuerkolben 27 mit einem Stiel 28 umfasst, dessen distales Ende auf die Kugel 23 gerichtet ist. Der Steuerkolben 27 ist durch eine Feder 29 mit einer größeren Kraft als die Einwegventilfeder 25 vorgespannt, was bedeutet, dass der Stiel 28 bei normalem Schmieröldruck, ca. 1 Bar, die Kugel 23 abgehoben von ihrem Sitz hält, so dass die Zylinderkammer 7 normal in Verbindung mit dem Maschinenschmiersystem über das Rückschlagventil 22 ist. In Fig. 1 symbolisiert eine Leitung 30 die Verbindung zu dem Kanal 21 (Fig. 2) in der Kniehebelwelle 3. Eine Zweigleitung 31 führt auf der einen Seite zur Kammer 26 des Steuerkolbens 27, uns, auf der anderen Seite, zu einer Kammer 32, die einen Kolben 34 enthält, der durch eine Feder 23 belastet ist und einen Drucksammler bildet.
Während des normalen Betriebs, d. h. in dem Antriebsmodus, herrscht der Druck von näherungsweise 1 Bar in der Kniehebelwelle vor, was bedeutet, dass das Rückschlagventil 22 offen ist und das Kolbenelement 8 in seiner zurückgezogenen Endposition gegen den Boden 13 der Zylinderkammer 7 ist. Ein normales Ventilspiel herrscht nun in dem Ventilmechanismus vor.
Im Übergang zum Bremsmodus nimmt der Druck in der Kniehebelwelle auf etwa 2 Bar zu und das Steuerungselement 27 zieht sich in die in Fig. 1 gezeigte Position zurück, in der die Feder 25 die Kugel 23 gegen den Sitz 24 vorspannt und das Rückschlagventil 22 schließt. In die Zylinderkammer 7 strömendes Öl drückt nun das Kolbenelement aus der Ventilspielaufnahmeposition, die in Fig. 1 gezeigt ist. Das Nockenelement 5, das zusätzlich zu dem gewöhnlichen Hebezapfen 5a auf eine bekannte Weise mit einem Paar von extra Zapfen 5b, 5c versehen ist, von denen der Zapfen 5c ein sogenannter druckabsenkender Zapfen ist, öffnet nun über den letzteren das Auslassventil am Ende des Kompressionshubs so weit, wie es dem aufgenommenen Ventilspiel entspricht.
Was bislang im Hinblick auf die Funktion beschrieben worden ist, entspricht dem Stand der Technik zum Erhöhen der Maschinenbremsleistung, indem nur ein minimaler Bereich der Kolbenkompressionsarbeit während des Expansionshubs wiedergewonnen werden kann. Fig. 4 zeigt die Ventilhubkurven für den Antriebsmodus und Bremsmodus und aus diesen Kurven ist es offensichtlich, dass der maximale Hub für eine Maschine mit der beschriebenen Maschinenbremsanordnung im Vergleich zu einer entsprechenden Maschine ohne solch eine Maschinenbremsanordnung, in der der maximale Hub für den Antriebsmodus verwendet werden kann, niedriger sein muss.
Um den maximalen Hub verwenden zu können, insbesondere in der Nähe des Schließens, selbst im Antriebsmodus, ist der Auslassventilmechanismus gemäß der Erfindung zusätzlich mit einem Bypassventil versehen, das allgemein mit 40 bezeichnet ist, das aus einem Ventilgleitstück 42 besteht, das drehbar in dem Kniehebel montiert ist und eine Nut 43 hat, die in einer Position des Gleitstücks 42 (siehe Fig. 1 und 3) einen Kanal 44 von der Zylinderkammer 7 mit der Kammer 26 des Steuerkolbens verbindet und folglich auch mit dem Maschinenschmiersystem über den Kanal 30. Das Ventilgleitstück 42 ist an einem Ende mit einem Zahnkranz 45 versehen, der mit den Zahnrädern eines Zahnabschnitts 46 (Fig. 2), der in bezug auf die Kniehebelwelle 3 festgelegt ist, in Eingriff kommt. Dies bedeutet, dass das Ventilgleitstück 42 sich vorwärts und rückwärts in dem Bohrloch 41 dreht, wenn der Kniehebel 1 pendelt, und dass die Nut 43 einmal pro Zyklus die Verbindung über das Rückschlagventil 22 "kurzschließt", so dass Öl aus der Zylinderkammer 7 herausgedrückt werden kann und der Kolben 8 auf selbst im Bremsmodus auf den Boden der Zylinderkammer kommt. Der Zahnkranz 45 und der Zahnabschnitt 46 sind so aneinander angepasst, dass das Gleitstück 42 in die Kurzschlussposition gedreht wird, nachdem der Druck verringernde Zapfen 5c die Kniehebelnockenwalze 4 passiert hat, so dass der Kolben 8 in der Bodenposition ist, bevor die Nockenwalze 4 die Oberseite des gewöhnlichen Hubzapfens 5a erreicht. In einer praktischen Ausführungsform mit einem Kniehebel mit einer 12º Pendelbewegung schließt das Ventilgleitstück nach näherungsweise 5º der Pendelbewegung kurz, d. h. bei näherungsweise 150º Rotation, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, in der die gestrichelte Kurve den maximalen (unzulässigen) Hub zeigt, wenn der Ventilspielaufnahmekolben 8 in seiner ausgefahrenen Position über einen gesamten Betriebszyklus bleiben sollte. Die durchgezogene Kurve ist die Hubkurve für den Antriebsmodus, während die gepunktete Kurve die Hubkurve für den Bremsmodus ist. Die gepunktete Bremsmoduskurve läuft aufgrund der beschriebenen Bypassfunktion bei näherungsweise 150º Rotation von der Maximalkurve in die Antriebsmoduskurve.
Die Entleerung findet sehr rasch unter dem Einfluss der Kraft statt, die auf den Kolben 8 durch die Ventilfedern ausgeübt wird, was einen Momentandruck in dem System von etwa 20 bis 25 Bar bewirken kann. Bei einer Multizylindermaschine sieht die rasche Entleerung der Ventilspielaufnahmezylinderkammer 7 in den Auslassventilen in einem Zylinder ausreichend Zeit vor, um die Zylinderkammer 7 in den Auslassventilen in den anderen Zylindern zu füllen. In einer Maschine mit wenigen Zylindern ist es nicht möglich, die Zeit zum Entleeren einer Ventilspielaufnahmeeinrichtung für einen Zylinder an das Füllen von einer oder mehreren Ventilspielaufnahmeeinrichtungen für andere Zylinder anzupassen. In diesen Fällen hat der Drucksammler 32, 33, 34 zusammen mit der Kammer 26 des Steuerkolbens 27 die Aufgabe, den Öldruck bei der Entleerung der Zylinderkammer 7 aufzunehmen, und in einem belasteten Zustand in dem nachfolgenden Zyklus dafür zu sorgen, dass das Wiederauffüllen rasch geschieht. Ein Rückschlagventil 47 in der Leitung 30 garantiert die Befüllung. In einer Maschine mit vielen Zylindern können der Druckakkumulator 32, 33, 34 und das Rückschlagventil 47 eliminiert werden, da die Druckakkumulatorfunktion im Prinzip durch die Ventilspiel kompensierenden Einrichtungen der anderen Zylinder, wie oben beschrieben, eingenommen wird.
Das Kolbenelement 8 ist auf eine bekannte Weise mit einer Vertiefung 50 versehen, die mit der Zylinderkammer 7 über einen Kolben 51 in Verbindung steht, von dem ein Ende einen Ventilsitz 52 für einen Ventilkörper in der Form einer Kugel 53 bildet, die durch eine Feder 54 vorgespannt ist. Die Komponenten 52, 53, 54 bilden ein Sicherheitsventil, das bei einem vorbestimmten Druck in dem Zylinder 7 geöffnet wird, so dass Öl über die Kanäle 55 in dem Kolbenelement 8 abgeführt werden kann. Die Nuten 43 in dem Ventilgleitstück 42 stehen über einen Ringkanal 56 mit einer oder mehreren flachen Nuten 57 (eine ist gezeigt) auf der Seite des Gleitstücks in Verbindung, die gegenüber der Nut 43 ist, um die Radialkräfte, die auf das Gleitstück durch den Öldruck in der Nut 43 wirken, auszugleichen.

Claims

1. Auslassventilvorrichtung in einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Auslassventil in jedem Zylinder, für jeden Zylinder einen Kniehebel (1), der auf einer Kniehebelwelle (3) zum Betätigen des Auslassventils (12) montiert ist, eine Nockenwelle (5) mit einem Nockenelement (5a) für jeden Kniehebel (1), wobei das Nockenelement (5a) mit einem Nockenstößel (4) an einem Ende des Kniehebels (1) zusammenwirkt, eine Ventilspielaufnahmeeinrichtung (7, 8), die zwischen einem gegenüberliegenden Ende des Kniehebels und dem Auslassventil (12) angeordnet ist, wobei die Ventilspielaufnahmeeinrichtung ein Kolbenelement (8) umfasst, das in einer Zylinderkammer (7) aufgenommen ist, die sich in dem gegenüberliegenden Kniehebelende befindet, und einen hydraulischen Schaltkreis mit einer Ventileinrichtung (20) zum Zuführen oder Abführen von Hydrauliköl zu und von der Zylinderkammer (7), wobei die Ventileinrichtung (20) ein geregeltes Rückschlagventil (22) umfasst, das bei einem bestimmten niedrigen Druck eine Strömung von Öl von der Zylinderkammer (7) erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (20) Ventilmittel (40) umfasst, die relativ zu der Kniehebelbewegung des Kniehebels (1) geregelt werden, die Ventilmittel nach einer bestimmten Kniehebelbewegung so angebracht sind, dass sie eine Verbindung (43) vorbei an dem Rückschlagventil (22) öffnen, um ein Abfließen aus der Zylinderkammer (7) zu erlauben.

2. Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilmittel (40) durch den Kniehebel (1) getragen werden und dass gegenseitig eingreifende Übertragungselemente (45, 46), die jeweils an der Kniehebelwelle (3) und den Ventilmitteln (40) angebracht sind, angeordnet sind, dass sie die Ventilmittel abhängig von der Kniehebelbewegung des Kniehebels zurücksetzen.

3. Ventilvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilmittel (40) ein Ventilgleitstück (42) umfassen, das drehbar in einem Bohrloch (41) in dem Kniehebelarm (1) montiert ist, wobei das Gleitstück einen Zahnkranz (45) in Eingriff mit einem Zahnabschnitt (46) hat, der relativ zu der Kniehebelwelle (3) fixiert ist, und eine Nut (43), die in einer Position des Ventilgleitstücks ein Ausfließen aus der Zylinderkammer (7) vorbei an dem Rückschlagventil (22) erlaubt.

4. Ventilmechanismus nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (43) über einen ringförmigen Schlitz (56) mit mindestens einer diametrisch gegenüberliegenden Nut (57) zum Druckablass des Gleitstücks in Verbindung steht.

5. Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Schaltkreis einen Druckakkumulator (32, 33, 34) umfasst, der angebracht ist, dass er mit dem Öl beschickt wird, das aus der Zylinderkammer (7) abgeführt wird.