EP1029157B1 - Ventilsteuerungsvorrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Ventilsteuerungsvorrichtung für eine brennkraftmaschine Download PDF

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Publication number
EP1029157B1
EP1029157B1 EP99914421A EP99914421A EP1029157B1 EP 1029157 B1 EP1029157 B1 EP 1029157B1 EP 99914421 A EP99914421 A EP 99914421A EP 99914421 A EP99914421 A EP 99914421A EP 1029157 B1 EP1029157 B1 EP 1029157B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
differential
control device
valve control
piston rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99914421A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1029157A1 (de
Inventor
Udo Diehl
Karsten Mischker
Rainer Walter
Stefan Franzl
Volker Beuche
Stefan Reimer
Ulrich Kappenstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1029157A1 publication Critical patent/EP1029157A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1029157B1 publication Critical patent/EP1029157B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/10—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic

Definitions

  • the invention is based on a valve control device for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a valve control device known from DE 195 11 320 A1
  • a piston-shaped valve member of a gas exchange valve controls the opening and closing of an inlet and outlet cross section on the combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied.
  • the gas exchange valve designed as a poppet valve has an axially displaceable valve member, the valve member shaft of which is coupled via a piston rod to a hydraulically actuated adjusting piston (differential piston), via which the individual gas exchange valve can be actuated directly independently of the other gas exchange valves.
  • the hydraulic adjusting piston is arranged directly on the valve member or the piston rod of the gas exchange valve and forms part of the gas exchange valve member itself.
  • the adjusting piston delimits a first hydraulic working area with a lower annular end face and a second hydraulic working area with its upper piston end face. the over corresponding Pressure fluid lines can be filled and relieved of pressure with high pressure.
  • the hydraulic working pressure in the working space located below acts on the adjusting piston in the closing direction of the gas exchange valve and the working space on the top acts on the adjusting piston in the opening direction of the valve member of the gas changing valve.
  • the known valve control device has the disadvantage that there is a static indeterminacy on the adjusting piston, which is caused by double centering of the adjusting piston, since the hydraulic adjusting piston is attached to one of its outer circumferential surface directly as well as via the piston rod firmly connected to it second guide surface of the valve member is guided on its inner surface, which can result in jamming of the hydraulic adjusting piston and a blocking of the gas exchange valve even with the smallest tolerance deviations.
  • Valve control devices are also known in which the hydraulic adjusting piston is fastened by means of a thread to the valve member of the gas exchange valve. This has the further disadvantage that the power transmission from the hydraulic adjusting piston to the valve member takes place via the screw thread, which results in a high dynamic tensile-pressure alternating stress in a zone with a high notch effect, which can cause fatigue fractures there.
  • the valve control device for an internal combustion engine has the advantage that the hydraulic differential piston actuating the gas exchange valve member has a radial play between its two guide surfaces or to the guide surface of the gas exchange valve member.
  • This is achieved in a constructively advantageous manner by a two-part design of the piston of a hydraulic valve actuation device, which is preferably designed as a differential piston, the two piston parts being operatively connected to one another in the axial direction, axially sliding and having radial play with one another.
  • both piston parts can perform a relative movement in the radial direction to one another, which reliably avoids blocking of the differential piston in the event of tolerance deviations and thus reduces the manufacturing outlay with regard to tolerance sensitivity.
  • the two-part differential piston is designed such that a first piston part with a larger diameter on its radial outer circumferential surface slides sealingly on a cylinder guide surface, with a radial play projecting axially through it Has piston rod of the gas exchange valve member.
  • the second piston part which is smaller in diameter, is sealingly guided on the piston rod with its radial inner wall surface and has a radial play with the cylinder guide wall.
  • the two piston parts can now move radially to one another during operation, the mutually facing axial piston end faces sealingly abutting one another.
  • an axial sealing element for example a Provide sealing washer.
  • the two piston parts are also operatively connected to the piston rod in the axial direction via axial stop surfaces and have a small axial play that enables a radial compensating movement to one another.
  • the valve member of the gas exchange valve is advantageously formed in one piece with the piston rod of the differential piston and is advantageously axially guided in a guide bush, the end wall surface of which simultaneously delimits a lower hydraulic working space.
  • the stop surfaces on the piston rod are advantageously designed on the one hand as a ring shoulder surface on which the differential piston comes to rest directly with its one end face.
  • the second stop is advantageously formed by a separate component pressed onto the shaft of the piston rod, which component is designed as a valve wedge and can be placed around the piston rod in a multi-part form.
  • This wedge-shaped component has a conical cross-sectional widening in the direction of the differential piston on its outer circumference, onto which a corresponding conical ring is pushed axially.
  • the radially inward clamping force is applied by means of a clamping nut screwed onto the piston rod, which axially clamps the conical ring with radial clamping of the wedge-shaped stop components.
  • a lower end face of the wedge-shaped stop components forms a stop face that interacts with an upper ring end face of the differential piston.
  • a spring element between the nut and the conical ring which is preferably designed as a spring washer or spring ring and has a U-shaped contour can.
  • valve control device it is thus possible with the valve control device according to the invention to integrate the gas exchange valve member into the actuator of a hydraulic valve actuator and to fasten the valve member directly to the hydraulic differential piston without radial forces or moments being transmitted between these two moving components.
  • the invention is described on a valve control device in which both the opening and the closing stroke movement of the gas exchange valve member are carried out hydraulically, but it is alternatively also possible to mechanically, for example, the closing stroke movement of the valve member of the gas exchange valve, e.g. via a valve spring.
  • the hydraulic piston is connected directly to a piston rod formed in one piece with the valve member of the gas exchange valve, but it is alternatively also possible to attach the hydraulic piston to a piston rod, which in turn is coupled to the valve member of the gas exchange valve outside the cylinder.
  • differential piston part which is sealingly guided on the piston rod, in one piece with the piston rod, or to press this piston part onto the piston rod.
  • valve control device for an internal combustion engine is shown in the drawing and is explained in more detail below.
  • valve 1 shows a longitudinal section through the valve control device and the lower end of the gas exchange valve member with the valve plate and the corresponding valve seat on the combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied.
  • the valve control device for an internal combustion engine shown in a simplified sectional view in FIG. 1 has a gas exchange valve 1, the piston-shaped gas exchange valve member 3 of which is axially displaceable and has a valve sealing surface 5 on a plate-shaped valve member head 7 with a fixed valve seat 9 on the housing 11 of the internal combustion engine for control purposes an inlet or outlet cross section 13 of the combustion chamber of the internal combustion engine cooperates.
  • the gas exchange valve member 3 has a valve member shaft 15 which merges in one piece into a piston rod 16 which projects into a cylinder housing 17 of a hydraulic adjusting device.
  • the differential piston part 19 which is larger in diameter, is sealingly and slidably guided with its outer peripheral wall surface on a guide wall surface 22 in the cylinder housing 17 and borders with its axial end faces on hydraulic working spaces in the cylinder housing 17.
  • a lower end surface 23 of the piston part 19 near the combustion chamber delimits a lower hydraulic one Working space 25, which can continue into the radial annular gap 20 via a play between the piston rod 16 and the piston part 19.
  • a second piston part 51 of the differential piston 18 is smaller in diameter than the first piston part 19.
  • This piston part 51 is sealingly guided on the shaft of the piston rod 16 and has a radial play with the guide wall 22 of the cylinder housing 17.
  • the piston parts 19, 51 lie against one another with their axial end faces facing one another, a radial relative movement of the piston parts 19, 51 with respect to one another being possible.
  • the working spaces 25 and 27 can be filled and relieved of pressure with a hydraulic working medium via pressure medium lines 31, 33, the opening of the pressure medium lines in the exemplary embodiment described being able to be controlled in a manner not shown by means of a control valve, preferably a solenoid valve, depending on a control device
  • a control valve preferably a solenoid valve
  • the valve member shaft 15 or the piston rod 16 is at its entry into the cylinder housing 17 by means of a Guide sleeve 35 guided axially sealing, the outer sleeve sealingly inserted into the cylinder housing 17 with its upper end wall surface 37 projecting into the cylinder housing 17 delimits the lower working chamber 25 at its end facing away from the differential piston 18.
  • the upper working chamber 29 is closed at its end facing away from the differential piston 18 by an end wall of the cylinder housing 17.
  • the piston rod 16 has two stops on its outer surface, against which the differential piston 18 with its end faces 23, 27 can come to rest in both axial adjustment directions.
  • a lower shoulder 39 forms a first stop surface on the piston rod 16, the shoulder 39 being formed by reducing the cross section of the shaft of the piston rod 16 in the direction of the end facing away from the combustion chamber.
  • the differential piston part 19 with its lower piston end face 23, which is larger in diameter, only bears against this shoulder 39 when there is no high pressure in the lower working chamber 25.
  • the piston part 19 is held in contact with the upper stop by the high pressure in the lower working chamber 25, so that between the shoulder surface 39 on the piston rod 16 and the lower piston end face 23 on the piston part 19 there is a slight axial play, via which the pressure medium in the Annular gap 20 can flow and over which the piston rod 16 and the differential piston 18 can move axially relative to each other.
  • This play is necessary in order to avoid a static over-determination of the system, since the closing stroke movement of the gas exchange valve member 3 is limited by the centering effect when it is in contact with the valve seat surface 9.
  • a valve wedge 41 is arranged on the shaft of the piston rod 16 at the upper end of the piston rod 16, which end protrudes from the differential piston 18.
  • This wedge 41 is ring-shaped and is preferably formed from two half-shells which are flush with their cylindrical inner wall surface on the piston rod shaft 16.
  • the outer wall surface of these wedges is conical, the wall thickness of the wedges 41 increasing evenly in the direction of the differential piston 18.
  • the wedges 41 have on their inner wall surface an annular web 43 which projects into a corresponding annular groove 45 in the peripheral wall of the piston rod 16.
  • a conical ring 47 is axially slid onto this radially outer peripheral wall of the wedges 41, the inner wall diameter of which decreases conically in the direction of the differential piston 18 in a manner complementary to the cone angle of the wedges 41.
  • the conical ring 47 is pressed axially onto the wedges 41 by means of a clamping nut 49, for which purpose the clamping nut 49 is screwed onto a thread 53 provided at the upper end of the piston rod 16.
  • the wedges 41 are clamped radially on the shaft of the piston rod 16, so that the power transmission from the differential piston 18 to the piston rod 16 and further onto the shaft 15 of the gas exchange valve member 3 takes place via the wedges 41 and the thread 53 is not exposed to changing force introduction stresses.
  • interposition of a spring washer between the conical ring 47 and the clamping nut 49 allows settlement phenomena of the components to be compensated and the necessary pretension in the axial connection to be maintained
  • the lower ring end face of the wedges 41 facing the differential piston 18 forms the second stop surface on the piston rod 16, on which the second piston part 51 of the differential piston 18 comes to rest.
  • a sealing ring can also be provided between the guide sleeve 35 and the shaft of the piston rod 16 in order to allow play between the piston rod 16 and the guide sleeve 35.
  • the valve control device for an internal combustion engine works in the following manner.
  • the idle state that is to say when the valve member 3 is in contact with the valve seat 9
  • the hydraulic pressure in the lower working chamber 25 exceeds the hydraulic working pressure in the upper working chamber 29, so that the differential piston 18 is acted upon in the direction of the upper working chamber 29 and thus the gas exchange valve member 3 in its closed position fixed.
  • the lower working chamber 25 is relieved of pressure via the control valve (not shown) and the pressure medium line 31 (or alternatively kept at the same pressure level) and at the same time the upper working chamber 29 is filled with a high pressure medium via the pressure medium line 33, so that the actuating force acting on the differential piston 18 in the upper working chamber 29 exceeds the actuating force acting on the differential piston 18 in the lower working chamber 25, since the total pressure application area of the differential piston 18 in the upper working chamber 29 is larger than in the lower working chamber 25 Working chamber 29 applied high pressure the differential piston 18 in the direction of the lower working chamber 25, the gas exchange valve member 3, 15, which is firmly connected to the differential piston 18 via the piston rod 16, also being moved in the direction of the combustion chamber.
  • valve member 3 lifts off with its valve sealing surface 5 from the valve seat 9 and releases an inlet or outlet cross section 13 from a feed channel into the combustion chamber of the internal combustion engine, which is not shown in detail.
  • the closing stroke movement of the valve member 3 takes place again by relieving the pressure in the upper working chamber 29 and filling the lower working chamber 25 with pressure, as a result of which the differential piston 18 and with it also the gas exchange valve member 3 is displaced again in the direction of the upper working chamber 29 until the valve member 3 with its valve sealing surface 5 rests sealingly on the valve seat 9.
  • the mutual filling and relieving of the work spaces 25 and 29 takes place via solenoid valves in the pressure medium lines 31, 33, which are controlled as a function of operating parameters of the internal combustion engine via a control unit (not shown in more detail).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)
  • Fluid-Driven Valves (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einer Ventilsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer derartigen, aus der Schrift DE 195 11 320 A1 bekannten Ventilsteuerungsvorrichtung steuert ein kolbenförmiges Ventilglied eines Gaswechselventils das Öffnen und Schließen eines Einlaß- und Auslaßquerschnittes am Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine. Dabei weist das als Tellerventil ausgebildete Gaswechselventil ein axial verschiebbares Ventilglied auf, dessen Ventilgliedschaft über eine Kolbenstange mit einem hydraulisch betätigbaren Verstellkolben (Differentialkolben) gekoppelt ist, über den das einzelne Gaswechselventil unabhängig von den übrigen Gaswechselventilen direkt betätigbar ist. Der hydraulische Verstellkolben ist dabei bei der bekannten Ventilsteuerungsvorrichtung direkt auf dem Ventilgliedschaft bzw. der Kolbenstange des Gaswechselventils angeordnet und bildet dabei einen Teil des Gaswechselventilgliedes selbst. Der Verstellkolben begrenzt mit einer unteren Ringstirnfläche einen ersten hydraulischen Arbeitsraum und mit seiner oberen Kolbenstirnfläche einen zweiten hydraulischen Arbeitsraum, die über entsprechende Druckmittelleitungen mit einem Druckmittel hohen Druckes befüllbar und entlastbar sind. Dabei beaufschlagt der hydraulische Arbeitsdruck im unten liegenden Arbeitsraum den Verstellkolben in Schließrichtung des Gaswechselventils und der oben liegende Arbeitsraum beaufschlagt den Verstellkolben in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes des Gaswechselventils. Es ist nunmehr durch das wechselseitige Befüllen der Arbeitsräume mit Hochdruck möglich, den Verstellkolben hydraulisch zu betätigen und so das mit diesem starr verbundene Ventilglied des Gaswechselventils in Öffnungs- beziehungsweise Schließrichtung zu bewegen.
  • Dabei weist die bekannte Ventilsteuerungsvorrichtung jedoch den Nachteil auf, daß am Verstellkolben eine statische Überbestimmtheit auftritt, die durch eine doppelte Zentrierung des Verstellkolbens verursacht wird, da der hydraulische Verstellkolben sowohl an seiner äußeren Umfangsfläche direkt, als auch über die fest mit ihm verbundene Kolbenstange an einer zweiten Führungsfläche des Ventilgliedes an seiner Innenfläche geführt ist, was bereits bei geringsten Toleranzabweichungen ein Verklemmen des hydraulischen Verstellkolbens und ein Blockieren des Gaswechselventils zur Folge haben kann.
  • Es sind weiterhin Ventilsteuerungsvorrichtungen bekannt, bei denen der hydraulische Verstellkolben mittels eines Gewindes am Ventilgliedschaft des Gaswechselventils befestigt ist. Dies hat den weiteren Nachteil, daß die Kraftübertragung vom hydraulischen Verstellkolben auf den Ventilgliedschaft über das Schraubgewinde erfolgt, was eine hohe dynamische Zug-Druck-Wechselbeanspruchung in einer Zone mit hoher Kerbwirkung zur Folge hat, die dort Dauerbrüche verursachen kann.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Ventilsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine hat demgegenüber den Vorteil, daß der das Gaswechselventilglied betätigende hydraulische Differentialkolben ein radiales Spiel zwischen seinen beiden Führungsflächen, bzw. zur Führungsfläche des Gaswechselventilgliedes aufweist.
    Dies wird in konstruktiv vorteilhafter Weise durch eine Zweiteiligkeit des vorzugsweise als Differentialkolben ausgebildeten Kolbens einer hydraulischen Ventilbetätigungseinrichtung erreicht, wobei beide Kolbenteile in Achsrichtung miteinander wirkverbunden, axial gleitend geführt sind und ein radiales Spiel zueinander aufweisen. Somit können beide Kolbenteile eine Relativbewegung in radialer Richtung zueinander ausführen, was bei Toleranzabweichungen ein Blockieren des Differentialkolbens sicher vermeidet und so den Fertigungsaufwand hinsichtlich der Toleranzempfindlichkeit verringert. Um dennoch eine sichere Abdichtung der beiden, vom Differentialkolben begrenzten hydraulischen Arbeitsräume zu gewährleisten, ist der zweiteilige Differentialkolben so ausgebildet, daß ein erster Kolbenteil mit einem größeren Durchmesser an seiner radialen Außenumfangsfläche dichtend an einer Zylinderführungsfläche gleitet, wobei er ein radiales Spiel zur ihn axial durchragenden Kolbenstange des Gaswechselventilgliedes aufweist. Der zweite im Durchmesser geringere Kolbenteil ist mit seiner radialen Innenwandfläche dichtend auf der Kolbenstange geführt und weist ein radiales Spiel zur Zylinderführungswand auf. Die beiden Kolbenteile können sich nun im Betrieb radial zueinander bewegen, wobei die einander zugewandten axialen Kolbenstirnflächen dichtend aneinander anliegen. Alternativ ist es jedoch auch möglich zwischen den Stirnflächen der Kolbenteile des Differentialkolbens ein axiales Dichtelement, z.B. eine Dichtscheibe vorzusehen. Desweiteren ist es für eine sichere Abdichtung zwischen den Kolbenstirnflächen möglich eine der beiden Stirnflächen ballig auszubilden.
    Die beiden Kolbenteile sind weiterhin über axiale Anschlagflächen mit der Kolbenstange in Achsrichtung wirkverbunden und weisen ein geringes, eine radiale Ausgleichsbewegung zueinander ermöglichendes Axialspiel auf. Der Ventilgliedschaft des Gaswechselventils ist dabei vorteilhafterweise einstückig mit der Kolbenstange des Differentialkolbens ausgebildet und wird in vorteilhafter Weise in einer Führungsbüchse axial geführt, deren Stirnwandfläche gleichzeitig einen unteren hydraulischen Arbeitsraum begrenzt. Die Anschlagflächen an der Kolbenstange sind dabei in vorteilhafter Weise zum Einen als Ringabsatzfläche ausgebildet, an der der Diffrentialkolben mit seiner einen Stirnfläche direkt zur Anlage kommt. Der zweite Anschlag ist in vorteilhafter Weise durch ein auf den Schaft der Kolbenstange aufgepreßtes separates Bauteil gebildet, das als Ventilkeil ausgebildet ist und durch eine mehrteilige Form um die Kolbenstange angelegt werden kann. Dieses keilförmige Bauteil weist an seinem Außenumfang eine konische Querschnittserweiterung in Richtung Differentialkolben auf, auf die ein entsprechender Konusring axial aufgeschoben wird. Die radial einwärts gerichtete Einspannkraft wird dabei mittels einer auf die Kolbenstange aufgeschraubten Spannmutter aufgebracht, die dabei den Konusring unter radialer Einspannung der keilförmigen Anschlagbauteile axial verspannt. Dabei bildet eine untere Stirnfläche der keilförmigen Anschlagbauteile eine Anschlagfläche, die mit einer oberen Ringstirnfläche des Differentialkolbens zusammenwirkt. Um die Position der keilförmigen Anschlagbauteile am Schaft der Kolbenstange zu definieren ist es zudem vorteilhaft, radial einwärts vorstehende Stege an den Ventilkeilen vorzusehen, die in eine entsprechende Nut am Schaft der Kolbenstange eingreifen.
  • Um einen Verlust an der durch die Spannmutter aufgebrachten Verspannkraft zu verhindern und zudem einen axialen Spielausgleich zu ermöglichen, ist es weiterhin vorteilhaft, zwischen der Mutter und dem Konusring ein Federelement vorzusehen, daß vorzugsweise als Federscheibe oder Federring ausgebildet ist und eine U-förmige Kontur aufweisen kann.
  • Mit der beschriebenen Anordnung und Befestigung des oberen Anschlages an der Kolbenstange ist es möglich, den im Durchmesser größeren Differentialkolbenteil mit radialem Spiel zum Schaft der Kolbenstange dichtend innerhalb des Zylindergehäuses und den im Durchmesser kleineren Differentialkolbenteil mit radialem Spiel zur Zylindergehäusewand dichtend auf der Kolbenstange zu führen, wobei die axiale an den Differentialkolben angrenzenden Arbeitsräume durch die axiale Abdichtung zwischen den Differentialkolbenteilen vollständig gegeneinander abgedichtet sind. Somit können die beiden Kolbenteile des Differentialkolbens voneinander unabhängig mit sehr engen Passungen beziehungsweise Toleranzen an den Führungsflächen axial geführt werden. Die Notwendigkeit von elastischen Abdichtelementen entfällt somit gegenüber bekannten Ventilsteuervorrichtungen.
  • Dabei ist es alternativ auch möglich, die Kolbenstange vollständig durch den Ventilgliedschaft des Gaswechselventiles zu ersetzen.
  • Desweiteren sind durch das nunmehr separate Führen der einzelnen Kolbenteile hohe Relativgeschwindigkeiten der einzelnen Dichtflächen an diesen Bauteilen zueinander möglich. Durch das radiale Spiel zwischen den Kolbenteilen ist zudem auch bei hohen Temperaturen noch eine sichere Kraftübertragung in beide Achsrichtungen möglich, wobei am Gewinde der Spannmutter des oberen Anschlages keine dynamischen Beanspruchungen eingeleitet werden.
  • Es ist somit mit der erfindungsgemäßen Ventilsteuerungsvorrichtung möglich, den Gaswechselventilgliedschaft in den Aktor eines hydraulischen Ventilstellers zu integrieren und dabei den Ventilgliedschaft direkt am hydraulischen Differentialkolben zu befestigen ohne daß radiale Kräfte oder Momente zwischen diesen beiden bewegten Bauteilen übertragen werden.
  • Dabei ist die Erfindung an einer Ventilsteuerungsvorrichtung beschrieben, bei der sowohl die Öffnungs- als auch die Schließhubbewegung des Gaswechselventilgliedes hydraulisch vorgenommen werden, es ist alternativ jedoch auch möglich, die Schließhubbewegung des Ventilgliedes des Gaswechselventiles mechanisch, z.B. über eine Ventilfeder vorzunehmen.
  • Desweiteren ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel der hydraulische Kolben direkt mit einer einteilig mit dem Ventilgliedschaft des Gaswechselventiles ausgebildeten Kolbenstange verbunden, es ist alternativ jedoch auch möglich, den hydraulischen Kolben an einer Kolbenstange zu befestigen, die ihrerseits außerhalb des Zylinders mit dem Ventilgliedschaft des Gaswechselventils gekoppelt ist.
  • Desweiteren ist es möglich, den Differentialkolbenteil, der dichtend auf der Kolbenstange geführt ist, mit der Kolbenstange einteilig auszubilden, oder diesen Kolbenteil auf die Kolbenstange aufzupressen.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
  • Es zeigt die Figur 1 einen Längsschnitt durch die Ventilsteuerungsvorrichtung sowie das untere Ende des Gaswechselventilgliedes mit dem Ventilteller und dem entsprechenden Ventilsitz an dem Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die in der Figur 1 in einer vereinfachten Schnittdarstellung gezeigte erfindungsgemäße Ventilsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine weist ein Gaswechselventil 1 auf, dessen kolbenförmiges Gaswechselventilglied 3 axial verschiebbar ist und mit einer Ventildichtfläche 5 an einem tellerförmigen Ventilgliedkopf 7 mit einem ortsfesten Ventilsitz 9 am Gehäuse 11 der Brennkraftmaschine zur Steuerung eines Einlaß- beziehungsweise Auslaßquerschnittes 13 des Brennraumes der Brennkraftmaschine zusammenwirkt. Das Gaswechselventilglied 3 weist dabei einen Ventilgliedschaft 15 auf, der einteilig in eine Kolbenstange 16 übergeht, die in ein Zylindergehäuse 17 einer hydraulischen Verstelleinrichtung ragt. Dabei ist auf der Kolbenstange 16 ein zylinderförmiger zweiteiliger Differentialkolbens 18 angeordnet, mit einem ersten im Durchmesser größeren Kolbenteil 19, dessen axiale Durchgangsöffnungswand 21 ein radiales Spiel 20 zur Kolbenstange 16 aufweist. Der im Durchmesser größere Differentialkolbenteil 19 ist dabei mit seiner Außenumfangswandfläche dichtend und gleitverschiebbar an einer Führungswandfläche 22 im Zylindergehäuse 17 geführt und grenzt mit seinen axialen Stirnflächen jeweils an hydraulische Arbeitsräume im Zylindergehäuse 17. Dabei begrenzt eine untere, brennraumnahe Stirnfläche 23 des Kolbenteils 19 einen unteren hydraulischen Arbeitsraum 25, der sich über ein Spiel zwischen der Kolbenstange 16 und dem Kolbenteil 19 bis in den radialen Ringspalt 20 fortsetzen kann.
    Ein zweiter Kolbenteil 51 des Differentialkolbens 18 ist im Durchmesser kleiner als der erste Kolbenteil 19 ausgebildet. Dieser Kolbenteil 51 ist dabei dichtend auf dem Schaft der Kolbenstange 16 geführt und weist ein radiales Spiel zur Führungswand 22 des Zylindergehäuses 17 auf. Dabei liegen die Kolbenteile 19, 51 mit ihren einander zugewandten axialen Stirnflächen dichtend aneinander an, wobei eine radiale Relativbewegung der Kolbenteile 19, 51 zueinander möglich ist. Mit seiner dem Gaswechselventil 1 abgewandten Stirnfläche 27 begrenzt der Differentialkolben 18 einen weiteren oberen hydraulischen Arbeitsraum 29 im Zylindergehäuse 17.
    Dabei sind die Arbeitsräume 25 und 27 über Druckmittelleitungen 31, 33 mit einem hydraulischen Arbeitsmedium befüllbar und entlastbar, wobei die Öffnung der Druckmittelleitungen im beschriebenen Ausführungsbeispiel dabei in nicht näher gezeigter Weise mittels je eines Steuerventils, vorzugsweise eines Magnetventils in Abhängigkeit von einem Steuergerät aufbeziehungsweise zusteuerbar sind
    Der Ventilgliedschaft 15 bzw. die Kolbenstange 16 ist an seinem Eintritt in das Zylindergehäuse 17 mittels einer Führungshülse 35 dichtend axial geführt, wobei die mit ihrem Außenumfang dichtend in das Zylindergehäuse 17 eingesetzte Führungshülse 35 mit ihrer oberen, in das Zylindergehäuse 17 ragenden Stirnwandfläche 37 den unteren Arbeitsraum 25 an seinem, dem Differentialkolben 18 abgewandten Ende begrenzt. Der obere Arbeitsraum 29 ist an seinem dem Differentialkolben 18 abgewandten Ende durch eine Stirnwand des Zylindergehäuses 17 verschlossen.
  • Die Kolbenstange 16 weist an ihrer Mantelfläche zwei Anschläge auf, an denen der Differentialkolben 18 mit seinen Stirnflächen 23, 27 in beiden axialen Verstellrichtungen zur Anlage gelangen kann.
    Dabei bildet ein unterer Absatz 39 eine erste Anschlagfläche an der Kolbenstange 16, wobei der Absatz 39 durch eine Querschnittsverringerung des Schafts der Kolbenstange 16 in Richtung brennraumabgewandtes Ende gebildet ist. An diesem Absatz 39 liegt der im Durchmesser größere Differentialkolbenteil 19 mit seiner unteren Kolbenstirnfläche 23 jedoch nur an , wenn im unteren Arbeitsraum 25 kein Hochdruck anliegt. Ansonsten wird der Kolbenteil 19 durch den im unteren Arbeitsraum 25 anstehenden Hochdruck in Anlage am oberen Anschlag gehalten, so daß zwischen der Absatzfläche 39 an der Kolbenstange 16 und der unteren Kolbenstirnfläche 23 am Kolbenteil 19 ein geringes axiales Spiel verbleibt, über das das Druckmittel in den Ringspalt 20 strömen kann und über das sich die Kolbenstange 16 und der Differentialkolben 18 axial relativ zueinander bewegen können. Dieses Spiel ist dabei notwendig, um eine statische Überbestimmtheit des Systems zu vermeiden, da die Schließhubbewegung des Gaswechselventilgliedes 3 durch die zentrierende Wirkung bei der Anlage an der Ventilsitzfläche 9 begrenzt wird.
  • An dem brennraumfernen, aus dem Differentialkolben 18 ragenden oberen Ende der Kolbenstange 16 ist ein Ventilkeil 41 auf dem Schaft der Kolbenstange 16 angeordnet. Dieser Keil 41 ist dabei ringförmig ausgebildet und wird vorzugsweise aus zwei Halbschalen gebildet, die mit ihrer zylindrischen Innenwandfläche bündig am Kolbenstangenschaft 16 anliegen. Die Außenwandfläche dieser Keile ist dabei konisch ausgebildet, wobei die Wandstärke der Keile 41 in Richtung Differentialkolben 18 gleichmäßig zunimmt. Desweiteren weisen die Keile 41 an ihrer Innenwandfläche einen Ringsteg 43 auf, der in eine entsprechende Ringnut 45 in der Umfangswand der Kolbenstange 16 hineinragt. Auf diese schräg verlaufende radial äußere Umfangswand der Keile 41 ist ein Konusring 47 axial aufgeschoben, dessen Innenwanddurchmesser komplementär zum Konuswinkel der Keile 41 konusförmig in Richtung Differentialkolben 18 abnimmt. Der Konusring 47 wird mittels einer Spannmutter 49 axial auf die Keile 41 aufgepreßt, wozu die Spannmutter 49 auf ein am oberen Ende der Kolbenstange 16 vorgesehenes Gewinde 53 aufgeschraubt wird.
    Dadurch werden die Keile 41 radial auf dem Schaft der Kolbenstange 16 verspannt, so daß nunmehr die Kraftübertragung vom Differentialkolben 18 auf die Kolbenstange 16 und weiter auf den Schaft 15 des Gaswechselventilgliedes 3 über die Keile 41 erfolgt und das Gewinde 53 keinen wechselnden Krafteinleitungsbeanspruchungen ausgesetzt ist.
    Durch die alternative, nicht näher dargestellte Zwischenschaltung einer Federscheibe zwischen den Konusring 47 und die Spannmutter 49 können auftretende Setzungserscheinungen der Bauteile ausgeglichen und die notwendige Vorspannung in der axialen Verbindung aufrecht erhalten werden
  • Dabei bildet die untere, dem Differentialkolben 18 zugewandte Ringstirnfläche der Keile 41 die zweite Anschlagfläche an der Kolbenstange 16, an der der zweite Kolbenteil 51 des Differentialkolbens 18 zur Anlage gelangt.
  • Die Abdichtung zwischen dem oberen Arbeitsraum 29 und dem unteren Arbeitsraum 25 erfolgt dabei über die radiale Innenwandfläche des kleineren Kolbenteils 51, der dichtend auf der Kolbenstange 16 angeordnet ist, die dichtende Anlage zwischen den Stirnflächen der Kolbenteile 51, 19 und die radiale Außenwandführung zwischen dem größeren Kolbenteil 19 und der Führungswand 22 des Zylindergehäuses 17.
    Zur Abdichtung des unteren Arbeitsraumes 25 nach außen kann zudem ein Dichtring zwischen der Führungshülse 35 und dem Schaft der Kolbenstange 16 vorgesehen sein um so ein Spiel zwischen der Kolbenstange 16 und der Führungshülse 35 zu ermöglichen.
    Die axiale Führung der Kolbenstange 16 und des Differentialkolbens 18 bzw. des Ventilgliedschaftes 15 erfolgt dabei lediglich über die Umfangsflächen der Kolbenstange 16 und des Differentialkolbenteils 19, wobei beide Kolbenteile 51 und 19 des Differentialkolbens 18 dabei eine Relativbewegung in Radialrichtung zueinander ausführen können, was auch bei Toleranzabweichungen ein Verkanten und Verklemmen des Differentialkolbens 18 im Zylindergehäuse 17 sicher vermeidet.
  • Die erfindungsgemäße Ventilsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine arbeitet in folgender Weise. Im Ruhezustand, das heißt bei am Ventilsitz 9 anliegendem Ventilglied 3 übersteigt der hydraulische Druck im unteren Arbeitsraum 25 den hydraulischen Arbeitsdruck im oberen Arbeitsraum 29, so daß der Differentialkolben 18 in Richtung oberer Arbeitsraum 29 beaufschlagt ist und so das Gaswechselventilglied 3 in seiner geschlossenen Stellung fixiert. Soll nun ein Öffnungsvorgang des Gaswechselventiles 1 erfolgen, wird der untere Arbeitsraum 25 über das nicht näher gezeigte Steuerventil und die Druckmittelleitung 31 druckentlastet (oder alternativ auf gleichem Druckniveau gehalten) und gleichzeitig der obere Arbeitsraum 29 über die Druckmittelleitung 33 mit einem Druckmittel hohen Druckes gefüllt, so daß die auf den Differentialkolben 18 wirkende Stellkraft im oberen Arbeitsraum 29 die am Differentialkolben 18 im unteren Arbeitsraum 25 angreifende Stellkraft übersteigt, da die gesamte Druckangriffsfläche des Differentialkolbens 18 im oberen Arbeitsraum 29 größer ist als im unteren Arbeitsraum 25. Infolge dessen verschiebt der im oberen Arbeitsraum 29 anliegende Hochdruck den Differentialkolben 18 in Richtung unterer Arbeitsraum 25, wobei auch das über die Kolbenstange 16 fest mit dem Differentialkolben 18 verbundene Gaswechselventilglied 3, 15 in Richtung Brennraum bewegt wird. Dabei hebt das Ventilglied 3 mit seiner Ventildichtfläche 5 vom Ventilsitz 9 ab und gibt einen Einlaß- beziehungsweise Auslaßquerschnitt 13 von einem Zuführungskanal in den nicht näher dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine frei. Die Schließhubbewegung des Ventilgliedes 3 erfolgt erneut durch ein Druckentlasten des oberen Arbeitsraumes 29 und Druckbefüllen des unteren Arbeitsraumes 25, in dessen Folge der Differentialkolben 18 und mit diesem auch das Gaswechselventilglied 3 erneut in Richtung oberer Arbeitsraum 29 verschoben wird, bis das Ventilglied 3 mit seiner Ventildichtfläche 5 wieder dichtend am Ventilsitz 9 anliegt. Dabei erfolgt das wechselseitige Befüllen und Entlasten der Arbeitsräume 25 und 29 über Magnetventile in den Druckmittelleitungen 31, 33 die in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine über ein nicht näher dargestelltes Steuergerät angesteuert werden.

Claims (14)

  1. Ventilsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Gaswechselventil (1) zur Steuerung eines Einlaß- und/oder Auslaßquerschnittes (13) am Brennraum der Brennkraftmaschine, das ein axial verschiebbares Gaswechselventilglied (3) aufweist, dessen Ventilgliedschaft (15) über eine vorzugsweise einteilig mit dem Gaswechselventilgliedschaft (15) ausgebildete Kolbenstange (16) mit einem hydraulisch betätigbaren Differentialkolben (18) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialkolben (18) zweiteilig ausgebildet ist, wobei die Kolbenteile derart zueinander angeordnet sind, daß sie in Achsrichtung miteinander wirkverbunden sind und eine radiale Relativbewegung zueinander ausführen können.
  2. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Durchmesser größerer Kolbenteil (19) mit seiner radialen Außenumfangsfläche eine erste Führungsfläche des Differentialkolbens (18) bildet, die dichtend an einer Führungswand (22) eines Zylindergehäuses (17) gleitverschiebbar geführt ist und daß ein weiterer im Durchmesser kleinerer Kolbenteil (51) mit seiner radialen Innenwandfläche eine zweite Führungsfläche des Differentialkolbens (18) bildet, die dichtend auf der Kolbenstange (16) geführt ist, wobei beide Kolbenteile (19, 51) eine radiale Relativbewegung zueinander ausführen können.
  3. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenteile (19,51) mit ihren einander zugewandten Stirnflächen dichtend aneinander anliegen.
  4. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Durchmesser größere Kolbenteil (19) ein radiales Spiel (20) zur ihn durchragenden Kolbenstange (16) und der im Durchmesser kleinere Kolbenteil (51) ein radiales Spiel zur Zylinderwand (22) aufweist.
  5. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialkolben (18) zwei hydraulische Arbeitsräume in einem Zylindergehäuse (17) begrenzt, die jeweils über eine Druckmittelleitung mit einem Druckmittel befüllbar und entlastbar ist.
  6. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine untere brennraumnahe Stirnfläche (23) des im Durchmesser größeren Differentialkolbenteils (19) einen unteren Arbeitsraum (25) begrenzt, dessen hydraulischer Innendruck den Differentialkolben (18) in Schließrichtung des Gaswechselventilgliedes (3) beaufschlagt.
  7. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere brennraumferne Stirnfläche (27) des Differentialkolbens (18) einen oberen Arbeitsraum (29) begrenzt, dessen hydraulischer Innendruck den Differentialkolben (18) in Öffnungsrichtung des Gaswechselventilgliedes (3) beaufschlagt.
  8. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kolbenstange (16) ein Absatz (39) vorgesehen ist, mit dem der im Durchmesser größere Differentialkolbenteil (19) mit einer unteren, brennraumnahen Stirnfläche (23) zusammenwirkt.
  9. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (16) an ihrem brennraumfernen, aus dem Differentialkolben (18) ragenden Ende einen Anschlag aufweist, der mit einer brennraumfernen oberen Stirnfläche (27) des Differentialkolbens (18) zusammenwirkt, wobei der Anschlag an einem, auf die Kolbenstange (16) gepreßten Bauteil vorgesehen ist.
  10. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das den Anschlag bildende Bauteil durch wenigstens einen Keil (41) gebildet ist, der die Kolbenstange (16) wenigstens zum Teil umschließt und dessen radial einwärts gerichtete Innenwandfläche am Kolbenschaft (16) anliegt und dessen radial auswärts gerichtete Außenwandfläche derart konisch verläuft, daß der Wanddurchmesser des Keils (41) in Richtung größerer Differentialkolbenteil (19) zunimmt.
  11. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise zwei halbschalenförmige Keile (41) vorgesehen sind, die an ihrer Außenumfangswand radial von einem Konusring (47) umfaßt werden, dessen Innenquerschnitt komplementär zum Konuswinkel der Keile (41) konusförmig in Richtung größerer Differentialkolbenteil (19) abnimmt und der mittels einer auf den Kolbenschaft (16) aufgeschraubten Spannmutter (49) axial auf den Keilen (41) verspannt wird.
  12. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Innenwandflächen der Keile (41) radial einwärts vorstehende Stege (43) angeordnet sind, die in entsprechende Nuten (45) im Kolbenschaft (16) eingreifen.
  13. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagfläche an der unteren, dem im Durchmesser größeren Differentialkolbenteil (19) zugewandten Stirnfläche der Keile (41) gebildet ist.
  14. Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere brennraumnahe Arbeitsraum (25) an seinem dem Differentialkolben (18) abgewandten Ende durch eine Führungshülse (35) begrenzt ist, durch die die Kolbenstange (16) nach außen ragt.
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