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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Ventilstössel für
Brennkraftmaschinen.
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Es ist allgemein bekannt, daß ein Ventilstössel im wesentlichen eine Einrichtung
darstellt, die ein Ventilstellglied kontaktiert und einstellbar ist, um das Spiel
zwischen dem Stellglied und der zugehörigen Ventilschaft zu ändern. In der
Praxis sind Ventilstössel so eingestellt, daß zwischen dem Antrieb und der
Ventilschaft kein Spiel ist. Üblicherweise sind Ventilstössel mit
Schraubengewinde in Form von Bolzen ausgebildet und benötigen eine
regelmäßige Einstellung. Seit kurzem sind hydraulische Ventilstössel
weitverbreitet, die einen Kolben aufweisen, der gegen den Ventilkipphebel mit
einem konstanten Öldruck gedrücktt wird, wobei keine regelmäßige Einstellung
erforderlich ist.
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Es ist bekannt, daß es unter bestimmten Umständen erforderlich ist, den Hub
eines Maschinen-Einlaßventils zu ändern, das heißt den Wert zu ändern, bei dem
das Maschinen-Einlaßventil öffnet. Auch bekannt ist, daß es erforderlich ist, die
Zeiteinstellung des Maschinen-Einlaßventils zu ändern, das heißt die Zeit zu der
das Einlaßventil schließt oder öffnet, zu verändern, beispielsweise in
Zusammenhang mit Maschinenbetriebsbedingungen. Es ist bekannt, diese beiden
erforderlichen Merkmale mittels eines modifizierten hydraulischen Ventilstössels
zur Verfügung zu stellen.
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Demgemäß offenbart die JP-A-61-025905 einen hydraulischen Ventilstössel, der
einen hohlen Kolben mit einem halbkugelförmigen Kopf aufweist und in
schwenkbarem Eingriff mit einem Endes eines Ventilkipphebels steht. Der
Kolben ist innerhalb eines Zylinders angeordnet und ein ringförmiger
hydraulischer Zuführraum ist um ein Ende des Zylinders angeordnet. Der
hydraulische Raum ist durch ein Loch in der Wand des Zylinders und ein
weiteres Loch in der Wand des Kolbens mit dem Inneren des Kolbens verbunden.
Das innere Ende der Wand des Kolbens weist ein Loch auf, welches
normalerweise durch ein Rückschlagkugelventil geschlossen ist, das durch eine
Feder in einer Kammer in die geschlossene Position gedrängt wird. Eine
diagonale Nut ist an der äußeren Oberfläche des Kolbens ausgebildet und eine
Öl-Auslaßöffnung, die mit dem ringförmigen hydraulischen Raum verbunden ist,
ist in der Wand des Zylinders ausgebildet. Der Kolben ist innerhalb des Zylinders
mittels einer Zahnstange drehbar angeordnet, wobei die Zahnstange so
ausgebildet ist, das ihr oberer Bereich in Eingriff mit einem Zahnrad steht, dessen
Drehung durch das Maschinen-Managementsystem gesteuert wird.
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Im Betrieb kann der Kolben, wenn die diagonale Nut zu der Öl-Auslaßöffnung
fluchtet, durch Eingriff des Kipphebels in den Zylinder hinein bewegt werden,
wobei das Öl in der Kammer in den ringförmigen hydraulischen Raum gedrückt
wird. Wenn der Zylinder fortfährt sich in den Zylinder hinein zu bewegen, wird
die Verbindung der diagonalen Nut mit der Öl-Auslaßöffnung unterbrochen und
der Kolben bewegt sich nicht weiter. Die Position an der die Einwärtsbewegung
des Kolben stoppt ist daher durch die Drehposition des Kolbens bestimmt.
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Folglich, wenn die Spitze des zugehörigen Nockens beginnt tätig zu werden und
den Kipphebel bewegt, bewirkt diese Bewegung anfänglich nur das
Hineinbewegen des Kolbens und das Ventil beginnt noch nicht sich zu öffnen.
Jedoch endet das Einwärtsbewegen des Zylinders an einer durch die Drehposition
des Kolbens in dem Zylinder bestimmten Stelle, und die Tätigkeit des Nockens
bewirkt dann das Öffnen des zugehörigen Ventils. Folglich kann die Zeit zu der
das Ventil öffnet, durch die Drehstellung des Kolbens verändert werden. Ist der
Kolben so angeordnet, daß seine Öffnung um einen bestimmten Wert verzögert
ist, ist auch die Schließzeit um den gleichen Betrag vorverlegt.
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Die oben genannte Konstruktion weist zwei Hauptnachteile auf. Zum einen
bewegt sich der Kolben in Längs- und in Drehrichtung in dem Zylinder. Das
bedeutet, das die in Eingriff stehenden Oberflächen der Zahnstange und des
Ritzels als eine Reibbremse für die Längsbewegung des Kolbens wirken.
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Weiterhin wird Öl, das durch die Bewegung des Kolbens verdrängt wird, in den
unter Druck stehenden Gang entladen, durch den das Öl zugeführt wurde. Das
bedeutet, daß das Öl notwendigerweise nur relativ langsam austreten kann, da der
Druckunterschied unter dem es austritt, relativ gering ist. Beide Faktoren
bewirken eine relativ kleine Ansprech-Empfindlichkeit des Ventilstössels, das
heißt, daß der Kolben sich nur relativ langsam einwärts bewegen kann und der
Ventilstössel inungeeignet für Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist.
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Zweitens ist die resultierende Kurve, wenn die Verschiebung eines Ventils, das
durch einen herkömmlichen Nocken geöffnet wird, über der Zeit aufgetragen
wird, im wesentlichen sinusförmig. Das bedeutet, daß die Geschwindigkeit des
Ventils, wenn es mit dem Öffnen beginnt, relativ langsam ist und sich
anschließend steigert und auch, daß seine Geschwindigkeit relativ langsam ist,
wenn es schließt. Jedoch wird von dem hydraulischen Ventilstössel mit variabler
Zeiteinstellung, den die JP-A-61-025905 zeigt der untere Bereich der
sinusförmige Hebekurve "abgeschnitten", jedesmal wenn das Öffnen des Ventils
verzögert wird. Die Wirkung ist, daß das Ventil mit einer höheren
Geschwindigkeit als normal öffnet, was keine Konsequenzen hat, und das Ventil
auch mit einer höheren Geschwindigkeit als normal schließt und daher mit einer
größeren Kraft als normal gegen den Ventilsitz schlägt. Dies erzeugt nicht nur
zusätzliche Geräusche sondern steigert auch wesentlich die Abnutzung des
Ventils und des Ventilsitzes und verringert somit die Standzeit der Maschine.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen hydraulischen
Ventilstössel zu schaffen, der verwendet werden kann, um die Zeiteinstellung des
zugehörigen Ventils zu variieren, der jedoch nicht die oben erläuterten Nachteile
aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein hydraulischer Ventilstössel des Typs
mit einem an einem Ende offenen Zylinder, mit einem gleitend in dem Zylinder
aufgenommenem Kolben, dessen eines Ende aus dem offenen Ende des Zylinders
herausragt und zum Eingriff mit einem Ventilkipphebel ausgebildet ist, mit einer
Einrichtung, die ausgebildet ist, um eine relative Rotation des Kolbens gegenüber
dem Zylinder um die Achse des Zylinders zu bewirken, mit einer Ölkammer, die
im Zylinder, jenseits des anderen Endes des Kolbens, mit einem unter Druck
stehenden Ölraum, der ausgebildet ist, um Öl über ein Rückschlagventil der
Kammer zuzuführen, und mit einem Öl-Ablaßraum, der mit der Kammer über
einen Pfad verbunden ist, der wenigstens eine Öffnung in der Zylinderwand
aufweist, wobei der Pfad so ausgebildet ist, daß er durch den Kolben
unterbrochen wird, wenn der Kolben sich in den Zylinder hineinbewegt, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kolben drehfest angeordnet ist, daß die Einrichtung zur
relativen Drehung des Kolbens gegenüber dem Zylinders ausgebildet ist, um den
Zylinder zu drehen, daß der Öl-Ablaßraum einen Druck aufweist, der wesentlich
unter dem Druck des unter Druck stehenden Ölraums liegt, vorzugsweise
Atmosphärendruck, und daß mehrere in Längs- und in Umfangsrichtung
beabstandete Löcher in der Zylinderwand ausgebildet sind, wobei vorzugsweise
immer nur eines der Löcher zur Zeit mit dem Öl-Ablaßraum verbunden ist.
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Demzufolge sind, im Unterschied zu der Konstruktion die in dem oben
erwähnten bekannten Dokument offenbart ist, die relativen Längs- und
Drehbewegungen des Kolbens und des Zylinders zwischen diesen so aufgeteilt,
daß der Kolben sich nur in Längs- jedoch nicht in Drehrichtung bewegt und der
Zylinder sich in Drehrichtung bewegt. Die Einrichtungen, welche die
Drehbewegung des Zylinders bewirken, behindern somit nicht die
Längsbewegung des Kolbens. In der Konstruktion des bekannten Dokuments
wird Öl aus der Kammer zurück in den unter Druck stehenden Raum entladen,
wohingegen bei der Konstruktion der vorliegenden Erfindung das Öl in einen
Raum entladen wird, dessen Druck wesentlich unter dem Druck des unter Druck
stehenden Ölraums liegt. Diese beiden Faktoren tragen zu einem verbesserten
Ansprechen des Ventilstössels bei und machen diesen für hohe
Geschwindigkeiten geeignet. Die Diagonal- oder Spiralnut in der äußeren
Oberfläche des Kolbens in der Konstruktion des bekannten Dokuments wird
durch eine Vielzahl von Löchern ersetzt, die im wesentlichen in einer
Spiralanordnung in der Zylinderwand angeordnet sind. Diese sind so
dimensioniert und beabstandet, daß eine Steuerung der Verbindung mit dem Öl-
Ablaßraum ermöglicht wird.
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Demgemäß wird im Betrieb der Zylinder gedreht, bis ein oder mehr Löcher in
seiner Wand in Verbindung mit dem Öl-Ablaßraum stehen, und in Höhe des
Loches, das am weitesten von dem Ventilstellglied entfernt ist, stoppt die
Bewegung des Kolbens in den Zylinder, wenn die Spitze des Nockens das
Ventilstellglied betätigt, wonach eine weitere Bewegung des Ventilstellgliedes
das Öffnen des Ventils bewirkt.
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Vorzugsweise wird der Zylinder von, an seinem Umfang ringförmig
angeordneten Getriebezähnen, die in Eingriff mit einer bewegbaren Zahnstange
sind, gedreht. Die Zahnstange wird in der Praxis linear durch ein Stellglied
bewegt, der durch das Motor-Managementsystem gesteuert ist.
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Die Änderung, den Zylinder statt des Kolbens drehbar zu gestalten, bewirkt, daß
die innere Konstruktion des Ventilstössels einfacher als die Konstruktion des
bekannten Dokuments ist und es ist besonders vorteilhaft, daß der unter Druck
stehende Ölraum mit der Kammer über eine Öffnung in der Endwand des
Zylinders verbunden ist und nicht über zusammenwirkende Löcher in den
Seitenwänden des Kolbens und des Zylinders, wie in dem bekannten Dokument.
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Die Erfindung umschließt natürlich auch eine Brennkraftmaschine mit hin- und
hergehbarem Kolben, mit einem oder mehreren Verbrennungsräumen, von denen
jeder mehrere Öffnungen aufweist, die selektiv durch verschiedene Ventile, die
mit verschiedenen Ventilstellgliedern zusammenwirken, geschlossen werden
können, wobei jedes Stellglied in Eingriff mit einem oben beschriebenen
Ventilstössel ist. Es ist weiter vorteilhaft, daß die Maschine einen hydraulischen
Dämpfer aufweist, mit einem Kolben der gleitend in einem an einem Ende nach
oben offenen Zylinder aufgenommen ist, wobei ein Ende des Kolbens aus dem
Zylinder ragt, und der Kolben durch unter Druck stehendes Öl betätigt wird,
welches das besagte eine Ende des Kolbens in Kontakt mit dem Ventilstellglied
drückt. Das Ergebnis ist, daß weil das Ventilstellglied sich in eine Richtung
bewegt und das Ventil öffnet, der Öldruck bewirkt, daß der Kolben sich aus dem
Zylinder bewegt und der Bewegung des Ventilstellgliedes folgt, und weil das
Ventil schließt und sich das Ventilstellglied in die entgegengesetzte Richtung
bewegt, der Kolben sich in den Zylinder hineinbewegt, gegen den Druck des
unter Druck stehenden Öls. Dieser Dämpfer beseitigt oder mindert wesentlich das
oben genannte Problem der Schädigung des Ventils und des Ventilsitzes aufgrund
des "abschneidens" des unteren Bereichs der Hebekurve des Ventils, wenn die
Maschine unter Bedingungen betrieben wird, bei denen das Öffnen des
Einlaßventils verzögert ist. Dieses Merkmal ist von beträchtlicher Bedeutung für
die Funktion und die Standzeit der Maschine und die vorliegende Erfindung
umschließt das Vorsehen eines solchen hydraulischen Dämpfers an jeder
Maschine, deren Einlaßventile durch eine Einrichtung zur Änderung der
Ventilzeiten betätigt werden, insbesondere eine Einrichtung des Typs, die das
"Abschneiden" des unteren Bereichs einer z. B. sinusförmig ansteigenden Kurve
der Ventile bewirkt und daher Gegenstand das oben genannte
Abnutzungsproblem aufweist.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung sind aus der nachfolgenden
Beschreibung einer speziellen Ausführungsform ersichtlich, welche nur ein
Beispiel in Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert wird. Es
zeigen:
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Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Teils einer Maschine, mit Darstellung eines
Einlaßventiles des zugehörigen Ventilkipphebels und des Stössels;
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Fig. 2 eine schematische Axialschnittsansicht des Ventilstössels, die den
Zylinder in einer extremen Drehposition zeigt;
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Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht durch den Ventilstössel, in der
Position, die in Fig. 2 dargestellt ist;
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Fig. 4 und 5 Ansichten entsprechend den Fig. 2 bzw. 3, die den Zylinder
in der anderen Extremposition darstellen;
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Fig. 6 eine perspektivische Explosionsansicht eines Ventilstössels;
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Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Betätigungsystems zum Drehen des
Zylinders eines oder mehrerer Ventilstössel; und
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Fig. 8 eine Ansicht ähnlich der Fig. 7 einer alternativen Methode der
Betätigung des Zylinders von zwei oder mehr Ventilstösseln.
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Fig. 1 zeigt einen Bereich einer Maschine mit hin- und hergehenden Kolben, die
eine oder mehrere Verbrennungsräume aufweist, nämlich Zylinder, wobei in
jedem Zylinder ein hin- und hergehender Kolben aufgenommen ist und eine
einzelne Einlaßöffnung 2, die mit einem Einlaßkanal 4 verbunden ist und mit
einem Einlaßventil zusammenwirkt, das einen Ventilkopf 6 aufweist, der
ausgebildet ist, um einen Verschluß mit dem Ventilsitz, der von der
Ventilöffnung 2 gebildet ist, und einen Ventilschaft 8 zu bilden. Das freie Ende
des Ventilschafts 8 steht in Eingriff mit einem Ende eines Ventilstellgliedes, das
durch einen Kipphebel 10 gebildet ist. Der Kipphebel 10 trägt eine voragende
Druckrolle 12, deren Außenfläche in konstantem rollendem Eingriff mit einem
Nocken 14 steht. Das andere Ende des Ventilkipphebels 10 weist eine
halbkugelförmige Aussparung auf, in die der hablkugelförmige Kopf 16 eines
Stösselkolbens 18 schwenkbar aufgenommen ist.
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Der Stösselkolben 18 ist gleitbar in einem an einem Ende offenen
Stösselzylinder 20 aufgenommen. Das innere Ende des Kolbens 18 ist hohl und
daher in Hülsenform ausgebildet, und eine Feder 22 die gegen den Boden des
Zylinders liegt, wirkt an der Unterseite des Kolbenkopfes 16, um den Kolben in
Richtung aus dem Zylinder hinaus zu spannen. In dem Boden des Zylinders ist
eine mittige Öffnung 24 ausgebildet, die mit einem Ventilgehäuse 26 verbindet,
in dem eine weitere Öffnung 28 ausgebildet ist. Mittels einer Feder 30 ist eine
Ventilkugel 32 in schließendem Kontakt mit dem Rand der Arbeitsöffnung 28
gespannt, wobei die Ventilkugel 32 als ein Rückschlagventil wirkt. Die Öffnung
28 ist mit einem unter Druck stehenden Öldurchgang 34 verbunden.
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In der Seitenwand des Zylinders 20 sind eine Reihe von Löchern 36 ausbildet,
die sich in Umfangs- und in Axialrichtung erstrecken. Verbunden mit einem der
Löcher 36 ist ein Durchgang 38, dessen Weite in Umfangsrichtung des Zylinders
vergleichbar mit dem Durchmesser der Löcher 36 ist und dessen Höhe in
Axialrichtung des Zylinders größer als der Durchmesser der Löcher 36 ist. Der
Durchgang 38 ist mit einem Öl-Auslaßdurchgang 40 verbunden, der einen
niedrigen, z. B. Atmosphären-, Druck aufweist.
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An der Außenwand des Zylinders 20 ist eine ringförmige Anordnung von
Getriebezähnen 42 geformt, die ein Ritzel bilden. Diese befinden sich in Eingriff
mit den Zähnen einer Zahnstange, wie weiter unten detailliert beschrieben wird.
Die Zahnstange ist linear bewegbar mittels eines Stellgliedes (nicht dargestellt),
das durch ein elektronisches Managementsystem der Maschine gesteuert ist.
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Im Betrieb wird der Zylinder so gedreht, daß eines der Löcher 36 mit dem
Auslaßdurchgang 38 verbindet. Das Innere des Kolbens 18 und die Kammer 43,
die am unteren Ende des Zylinders unterhalb der unteren Kante des Kolbens
angeordnet ist, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt, sind mit Öl gefüllt,
welches durch das Rückschlagventil 32 aus dem unter Druck stehenden
Öldurchgang 34 zugeführt wird. Wenn der Nocken 14 dreht und die
Nockenspitze in Kontakt mit der Rolle 12 kommt, beginnt der Kipphebel 10 sich
nach unten zu bewegen, wie in Fig. 1 dargestellt. Diese Abwärtsbewegung wird
anfänglich zugelassen nur durch die Bewegung des Kolbens 18 in den Zylinder
20 hinein. Diese Bewegung des Kolbens setzt das Öl in der Kammer 43 unter
Druck und dieses wird durch die Öffnung 36, die mit dem Durchgang 38
verbunden ist, und von dort in den Auslaßdurchgang 40 entladen. Es wird kein Öl
in den unter Druck stehenden Öldurchgang 34 zurückgelassen, da dies durch das
Rückschlagventil 32 verhindert wird. Die einwärtige Bewegung des Kolbens 18
wird geht weiter, bis die untere Kante des Kolbens sich über die Öffnung 36
bewegt und diese somit schließt. Da das Öl im wesentlichen inkompressible ist
und nun kein Weg für das Öl besteht aus der Kammer 43 zu entweichen, hört die
einwärtige Bewegung des Kolbens auf. Die fortgesetzte Abwärtsbewegung des
Kipphebels 10 wird dann von Abwärtsbewegung aufgenommen, das heißt die
Öffnungsbewegung des Einlaß-Ventils 6, 8, wodurch zugelassen wird, daß Luft
durch die Einlaß-Öffnung 2 in den zugehörigen Zylinder der Maschine fließt. Da
eine weitere Drehung des Nockens eine Aufwärtsbewegung des Ventilkipphebels
zuläßt, schließt das Einlaß-Ventil und die Feder 22 bewegt dann den Kolben 18
aufwärts, bis er in seine anfängliche Position zurückgekehrt ist.
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Wenn es erforderlich ist, die Zeit zu ändern zu der das Einlaßventil öffnet, wird
der Zylinder 20 in die eine oder andere Richtung gedreht, um ein anderes der
Löcher 36 mit dem Auslaßdurchgang 38 zu verbinden. Da alle Löcher 36 in
Längsrichtung in einer unterschiedlichen Position auf dem Zylinder angeordnet
sind, führt das dazu, daß die Bewegung des Kolbens 18 an einer anderen
Längsposition in dem Zylinder endet und daher die Öffnungsbewegung des
Ventils früher oder später beginnt.
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Wie oben angegeben, besteht, wenn die Öffnungszeit des Einlaß-Ventils
verzögert ist, also der obere Bereich der sinusförmigen Hebekurve des Ventils
durch eine geeignete Drehung des Zylinders 20 "abeschnitten" ist, ein Risiko der
Beschädigung des Ventilkopfes 6 und des Ventilsitzes 2, dadurch, daß der erstere
auf den letzteren mit beträchtlicher Geschwindigkeit aufschlägt. Dieses Risiko
wird durch erfindungsgemäße Vorsehen eines hydraulischen Dämpfers
vermindert, der einen Dämpferkolben 45 aufweist, der aus nach oben
offenendigen Zylinder 44 herausragt. Das freie Ende der Kolbens 45 ist so
angeordnet, daß es dem gleichen Ende des Ventilkipphebels in Eingriff steht, das
von dem Ventilschaft 8 beaufschlagt ist, jedoch auf seiner gegenüberliegenden
Seite. Das Innere des Zylinders 44 wird von unter Druck stehendem Öl
beaufschlagt, das von einem unter Druck stehendem Öldurchgang 46 zugeführt
wird. Gemäß Fig. 1 folgt der Dämpferkolben 45 dem Ventilkipphebel, wenn
dieser sich abwärts bewegt, aufgrund der Wirkung des unter Druck stehenden Öls
in dem Zylinder 44, auch wenn dies nicht wesentlich ist. Bewegt sich der
Ventilkipphebel wieder nach oben, drückt er gegen den Dämpferkolben 45 und
zwingt diesen zurück in den Zylinder 44 gegen den Druck des Öles. Der damit
zur Verfügung gestellte Dämpfungseffekt verhindert, daß der Ventilkopf gegen
den Ventilsitz 2 mit einer beträchtlichen Kraft schlägt, wobei die dämpfende
Wirkung weiterhin durch Vorsehen eines elastisches Polsters z. B. aus Elastomer-
Material an dem freien Ende des Dämpferkolbens 45 unterstützt werden kann.
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Die Fig. 7 zeigt eine Möglichkeit, wie die Zylinder zweier angrenzender Stössel
simultan gedreht werden können. Ihre Zähne 42 stehen in Eingriff mit den
Zähnen der jeweiligen Zahnstangenelemente 48, die sich linear unter der
Steuerung des Maschinen-Managemantsystems bewegt werden. Die zwei
Zahnstangenelemente 48 befinden sich an entgegengesetzten Seiten ihrer
zugehörigen Zylinder 20 und werden daher, wenn die beiden Zylinder 20 in der
gleichen Weise gedreht werden sollen, was häufig der Fall ist, wenn die beiden
Ventilstössel zu unterschiedlichen Zylindern einer Maschine gehören, linear in
entgegengesetzte Richtungen bewegt. Alternativ, wenn zwei Ventilstössel zu
zwei Ventilen des gleichen Zylinders gehören, kann es gewünscht sein, ein Ventil
vollständig zu deaktivieren und es kann daher erforderlich sein, das beide
Ventilstössel in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden. Dies kann durch
Bewegen beider Zahnstangen 48 in die gleiche Richtung erreicht werden.
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Eine alternative Möglichkeit ist in Fig. 8 dargestellt, in der die Zähne einer oder
mehrerer Zylinder 20 ist eine Reihe von Zähnen auf einem einzigen
Zahnstangenelement eingreifen. Diese Zylinder werden notwendigerweise in
Folge der linearen Bewegung des zugehörigen Zahnstangenelementes immer in
die gleiche Richtung gedreht.