EP1701007A1

EP1701007A1 - Hydraulisches Ventilspielausgleichselement

Info

Publication number: EP1701007A1
Application number: EP06003003A
Authority: EP
Inventors: Peter Sailer; Oliver Dipl.-Ing. Schnell; Christian Dipl.-Ing. Schäfer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: EP1701007B1; US7328676B2; US20060201466A1; DE502006000617D1; DE102005010711A1

Abstract

Bei einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement für den Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, welches als Reverse-Spring/Freeball-Element ausgebildet ist, mit einem zylindrischen Gehäuse, einem darin mit Dichtspiel geführten zylindrischen Kolben (21) und einem Steuerventil (20), welches zwischen einem Niederdruckraum (22) des Kolbens (21) und einem Hochdruckraum (24) des Gehäuses an einem Kolbenboden (25) angeordnet ist und einen Schließkörper (27) aufweist, der bei Ausführung eines Hubes (28) in der Schließrichtung gegen die Wirkung einer Steuerventilfeder (34) an einem eine Axialbohrung (23) des Kolbenbodens (25) umgebenden Ventilsitz (26) und in der Öffnungsrichtung an einer Anschlagfläche (29) einer den Schließkörper (27) umgebenden Ventilkappe (30) anlegbar ist, befindet sich erfindungsgemäß im Bereich der Axialbohrung (23) für den Schließkörper (27) eine enge Führungsfläche (32) mit Unterbrechungen, welche einen Volumenstrom von Hydraulikmittel zwischen dem Hochdruckraum (24) und dem Niederdruckraum (22) ermöglichen.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement für den Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, welches als Reverse-Spring/Freeball-Element ausgebildet ist, mit einem zylindrischen Gehäuse, einem darin mit Dichtspiel geführten zylindrischen Kolben und einem Steuerventil, welches zwischen einem Niederdruckraum des Kolbens und einem Hochdruckraum des Gehäuses an einem Kolbenboden angeordnet ist und einen Schließkörper aufweist, der bei Ausführung eines Hubes in der Schließrichtung gegen die Wirkung einer Steuerventilfeder an einem eine Axialbohrung des Kolbenbodens umgebenden Ventilsitz und in der Öffnungsrichtung an einer Anschlagfläche einer den Schließkörper umgebenden Ventilkappe anlegbar ist.

Hintergrund der Erfindung

Hydraulische Ventilspielausgleichselemente dienen dem Ausgleich des Spiels, das sich bei der Übertragung des Nockenhubs von einer Nockenwelle auf ein Gaswechselventil des Verbrennungsmotors zwischen den Übertragungselementen infolge von Verschleiß oder Wärmedehnung bildet. Durch die Verwendung des Ausgleichselements sollen eine geräusch- und verschleißarme Arbeitsweise des Ventiltriebs und eine größtmögliche Übereinstimmung der Nockenerhebung mit dem Hub des Gaswechselventils erreicht werden.
Solche Ausgleichselemente besitzen jeweils ein als Rückschlagventil ausgebildetes Steuerventil, das einen Schließkörper, beispielsweise eine Kugel, und eine Steuerventilfeder aufweist, welche den Schließkörper beaufschlagt. Bei der Standardbauweise des Steuerventils ist der Schließkörper von der Steuerventilfeder in Schließrichtung beaufschlagt. Dadurch ist das Steuerventil überwiegend geschlossen und es entfällt ein Leerhub des Ventilspielausgleichselementes. Bei dieser Ausführung besteht die Gefahr des Aufpumpens des Ausgleichselements und der Entstehung eines "negativen Ventilspiels".
Diese Nachteile werden mit Steuerventilen vermieden, deren Steuerventilfeder den Schließkörper in Öffnungsrichtung beaufschlagt bzw. bei denen ganz auf eine Feder verzichtet wird. Ausgleichselemente mit einem derartigen Steuerventil werden wegen der umgekehrten Anordnung der Steuerventilfeder als Reverse-Spring-Elemente bzw. bei Entfallen der Feder als Freeball-Elemente bezeichnet. Diese üben einen positiven Einfluss auf die Thermodynamik, die Schadstoffemission und die mechanische Beanspruchung des Verbrennungsmotors aus und werden deshalb in zunehmendem Maße eingesetzt.
Bei der Standardbauweise ist das Steuerventil im Grundkreisbereich des Nockens infolge der Federkraft der Steuerventilfeder überwiegend geschlossen. Bei einem Reverse-Spring-Element wird das Steuerventil in diesem Bereich jedoch durch die Kraft der Steuerventilfeder offen gehalten bzw. beim Freeball-Element wird die Schließung nicht erzwungen. Da ein solches Element erst durch den mit Beginn der Nockenerhebung einsetzenden, vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum fließenden Schmierölstrom durch hydrodynamische und hydrostatische Kräfte geschlossen werden kann, besitzt das Element vor Beginn des Ventilhubs des Gaswechselventils immer einen Leerhub. Die Größe des Leerhubs hängt bei jeder Motordrehzahl von der Länge der Schließzeit des Steuerventils und diese hängt wiederum von der Viskosität/Dichte des Schmieröls ab, welches hier bekanntlich als Hydraulikmittel verwendet wird.
Zum Schließen des Steuerventils eines Reverse-Spring/Freeball-Elements ist eine so genannte kritische Schmierölgeschwindigkeit erforderlich. Diese hängt von der Schmierölviskosität und damit von der Schmieröltemperatur ab. Bei hoher Schmierölviskosität/Dichte, d.h. bei niedriger Schmieröltemperatur, ist die kritische Schmierölgeschwindigkeit niedriger und wird deshalb schneller erreicht, als bei niedriger Schmierölviskosität, also hoher Schmieröltemperatur. Das führt beim Kaltstärt zu einer kürzeren Schließzeit des Steuerventils und damit zu einem geringeren Leerhub als bei dem betriebswarmen Motor. Ein kleiner Leerhub bedeutet jedoch eine große Ventilüberschneidung. Diese hat eine große interne Abgasrückführung zur Folge, die einen unruhigen, niedrigen Leerlauf verursacht. Dieser kann durch Anheben der Leerlaufdrehzahl zwar verbessert werden, jedoch geht das zu Lasten der Schadstoffemission und des Kraftstoffverbrauchs.
Reverse-Spring/Freeball-Elemente der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus den Druckschriften EP 1 298 287 A2 , JP 61-185607 und US 4,054,109 bekannt. Sie zeigen Ausgleichselemente, bei welchen das Steuerventil jeweils als Schließkörper eine Kugel besitzt. Bei diesen vorbekannten Veröffentlichungen ist der Schließkörper in Bohrungen geführt. Da Schmieröl zum Schließen des Steuerventils den Schließkörper umspülen muss, kann der Führungsspalt jedoch nicht beliebig klein gewählt werden. Dadurch ist der Schließkörper nicht ideal geführt, was zu Abweichungen beim Schließverhalten führt. Auf der anderen Seite ist eine Umströmung des Schließkörpers notwendig, um das Schließverhalten definieren zu können. Hier ist eine erhebliche thermische Abhängigkeit des Schließverhaltens gegeben.
Bei Reverse-Spring/Freeball-Elementen ist also der Schließkörper des Steuerventils im Grundkreis des Nockens offen. Zum Schließen des Steuerventils muss ein Volumenstrom am Schließkörper vorbeifließen, der eine Druckdifferenz am Schließkörper bewirkt, wodurch dieser das Steuerventil schließt. Um die Toleranzen des erzeugten Leerhubs gering zu halten, soll der Hub des Schließkörpers möglichst nicht schwanken. Außerdem wirkt sich ein exzentrischer Spalt zwischen dem Schließkörper und der ihn umgebenden Führungswand negativ auf die Strömung aus, wodurch das Schließverhalten ebenfalls beeinflusst wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Führung des Schließkörpers zu erreichen, so dass der Schließkörper aus seiner Bewegungsbahn nicht ausweichen kann. Dadurch soll die Hubtoleranz deutlich eingeschränkt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich der Axialbohrung für den Schließkörper eine enge Führungsfläche mit Unterbrechungen ausgebildet ist, welche einen Volumenstrom von Hydraulikmittel zwischen dem Hochdruckraum und dem Niederdruckraum ermöglichen. Damit trotz der besseren Führung das Schließverhalten nicht beeinträchtigt wird, ist der Schließkörper nach der Erfindung also in unterbrochenen Geometrien geführt.
Die Unterbrechungen können von nutförmigen Kanälen gebildet sein, welche in die an der Axialbohrung befindliche innere Oberfläche des Kolbenbodens eingearbeitet sind.
Der Schließkörper kann an seiner äußeren Oberfläche abstehende, die Unterbrechungen bildende, in Umfangsrichtung in Abständen hintereinander angeordnete und auf die Ventilkappe gerichtete Führungsrippen aufweisen. Es kann auch die Ventilkappe an ihrer inneren Oberfläche Führungsrippen aufweisen, welche die Unterbrechungen bilden. Die Führungsrippen stehen dann an der Ventilkappe in Umfangsrichtung in Abständen hintereinander zu dem Schließkörper hin ab.
Infolge der Kanäle oder Führungsrippen wird eine gute Führung des Schließkörpers erreicht, wobei durch die Unterbrechungen genügend Hydraulikmittel das Steuerventil passieren kann, so dass sich das Schließverhalten nicht verschlechtert. Wenn die Unterbrechungen, durch die das Hydraulikmittel fließt, sich am Schließkörper selbst befinden, ist dieser sinnvollerweise so ausgeführt, dass er sich um seine Hochachse nicht verkippen kann, damit eine saubere Abdichtung am Ventilsitz des Steuerventils erfolgt.
Entsprechende Vorteile können erreicht werden, wenn im Bereich der Axialbohrung an einer engen Führungsfläche für die Steuerventilfeder Unterbrechungen vorgesehen sind, welche einen Volumenstrom von Hydraulikmittel zwischen dem Hochdruckraum und dem Niederdruckraum ermöglichen. Dabei können die Unterbrechungen von nutförmigen Kanälen gebildet sein, welche in die an der Axialbohrung befindliche innere Oberfläche des Kolbenbodens eingearbeitet sind.
Eine enge Führung der Steuerventilfeder bewirkt, dass diese nicht ausknicken kann. Dadurch werden Federkrafttoleranzen und damit Abweichungen im Schließverhalten des Steuerventils verringert. Durch die Unterbrechungen in der Führung der Steuerventilfeder wird die Strömung des Hydraulikmittels nicht behindert, sondern sogar noch verbessert. Die Unterbrechungen dürfen sich jedoch nicht bis in den Ventilsitz erstrecken, damit das Steuerventil sicher abdichten kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1: den Bereich des Steuerventils eines Reverse-Spring/Freeball-Elementes in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, im Längsschnitt;
Figur 2: den Steuerventilbereich in einem durch den Schließkörper verlaufenden Querschnitt gemäß Linie ||-|| der Figur 1;
Figur 3: den Steuerventilbereich in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, im Längsschnitt;
Figur 4: den Steuerventilbereich in einem durch den Schließkörper verlaufenden Querschnitt gemäß Linie IV- IV der Figur 3;
Figur 5: den Steuerventilbereich in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform, im Längsschnitt;
Figur 6: den Steuerventilbereich in einem durch den Schließkörper verlaufenden Querschnitt gemäß Linie VI - VI der Figur 5;
Figur 7: den Steuerventilbereich in einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform, im Längsschnitt;
Figur 8: den Steuerventilbereich in einem durch die Steuerventilfeder verlaufenden Querschnitt gemäß Linie VIII - VIII der Figur 7;
Figur 9: ein Reverse-Spring/Freeball-Element mit einem herkömmlich geführten Schließkörper des Steuerventils, im Längsschnitt.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Das in Figur 9 dargestellte Ventilspielausgleichselement ist als hydraulischer Rollenstößel 1 ausgebildet. Dieser weist ein drehsymmetrisches Gehäuse 2 mit einer am unteren Ende angeordneten, nicht dargestellten Rolle auf. Das Gehäuse 2 besitzt ein abgestuftes Sackloch, welches einen Hochdruckraum 3 bildet und in dem ein hohlzylindrischer Kolben 4 mit Dichtspiel geführt ist. Der Kolben 4 weist einen unteren Kolbenboden 5 und einen oberen Kolbenboden 6 auf. Er ist in ein Kolbenunterteil 7 und ein Kolbenoberteil 9 horizontal aufgeteilt. Unterhalb des unteren Kolbenbodens 5 befindet sich der Hochdruckraum 3. Oberhalb des unteren Kolbenbodens 5 ist ein Niederdruckraum 8 angeordnet, der von dem Innenraum des Kolbens 4 gebildet ist und als Ölvorratsraum dient.
Der Hochdruckraum 3 ist mit dem Niederdruckraum 8 durch eine zentrale Axialbohrung verbunden, die im unteren Kolbenboden 5 angeordnet ist. Sie ist Teil eines mit einer Steuerventilfeder 10 versehenen Steuerventils 11. Dieses erstreckt sich bis in den Hochdruckraum 3 unterhalb des unteren Kolbenbodens 5. Eine Druckfeder 12 stützt sich in einer zentralen Ausnehmung 13 am Boden 14 des Hochdruckraums 3 ab. Sie beaufschlagt den Kolben 4 und damit den gesamten Ventiltrieb mit ihrer Druckkraft. Der obere Kolbenboden 6 weist an seiner Außenfläche 15 eine zentrale konische Einsenkung 16 zur Führung beispielsweise des kugelförmigen Endes 17 einer nicht dargestellten Stößelstange auf. Eine weitere zentrale Axialbohrung 18, die sich in dem oberen Kolbenboden 6 befindet, stellt die Verbindung des Niederdruckraums 8 mit der Schmierölversorgung des Ventiltriebs her. Der Schließkörper 19 dieses Ausgleichselementes ist eine Kugel.
Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Steuerventil 20 ist an einem Kolben 21 eines Ventilspielausgleichselements angebracht. In diesem ist ein Niederdruckraum 22 über eine Axialbohrung 23 mit dem Hochdruckraum 24 des Ausgleichselements verbunden, der sich unterhalb des Kolbenbodens 25 befindet. Die Axialbohrung 23 ist eine Stufenbohrung und bildet einen Ventilsitz 26 für einen als Kugel ausgebildeten Schließkörper 27, dessen Hub 28 in Richtung zum Kolben 21 dort begrenzt ist. In der entgegengesetzten Bewegungsrichtung des Schließkörpers 27 ist der Hub 28 von einer Anschlagfläche 29 einer Ventilkappe 30 begrenzt, welche den Schließkörper 27 umgibt und sich mit einem Flanschbereich zwischen dem Kolbenboden 25 und dem oberen Ende einer Druckfeder 31 des Ausgleichselements befindet. Der Schließkörper 27 befindet sich in einem Längsabschnitt der Axialbohrung 23 und wird dort bei Ausübung des Hubes 28 an der inneren Oberfläche des Kolbenbodens 25 geführt. Die als Führungsfläche 32 wirkende Oberfläche weist mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete, in Achsrichtung sich erstreckende Unterbrechungen auf, so dass dort Kanäle 33 gebildet sind, durch welche Hydraulikmittel an dem Schließkörper 27 vorbeiströmen kann. Die Unterbrechungen befinden sich hier also an dem Kolben. Das Steuerventil 20 wird zunächst von einer Steuerventilfeder 34 in der Öffnungsstellung gehalten. Die Steuerventilfeder 34 ist in der Axialbohrung 23 angeordnet und stützt sich mit einem Ende an dem Kolbenboden 25 und mit dem anderen Ende an dem Schließkörper 27 ab. Infolge des Volumenstroms des Hydraulikmittels am Schließkörper 27 vorbei entsteht am Schließkörper eine Druckdifferenz, deren Druckkraft der Kraft der Steuerventilfeder 34 entgegenwirkt und diese überwindet. Dadurch wird der Schließkörper 27 an dem Ventilsitz 26 angelegt und somit das Steuerventil 20 geschlossen.
Von dieser Ausführung unterscheidet sich das Ausgleichselement nach den Figuren 3 und 4 im Wesentlichen nur dadurch, dass die Unterbrechungen nicht am Kolben, sondern am Schließkörper 35 angeordnet sind. Dieser ist zylindrisch und mit konvex gewölbten Stirnseiten ausgebildet. Er weist an seiner Mantelfläche infolge der Unterbrechungen abstehende Führungsrippen 36 mit Führungsflächen 37 auf, die für die Anlage an der den Schließkörper 35 umgebenden Ventilkappe 30 vorgesehen sind. Dementsprechend ist die Konstruktion des Kolbens 38 mit seiner Axialbohrung 39, seinem Kolbenboden 40 und seinem Steuerventil 41 geringfügig abgewandelt.
Bei der ähnlichen Ausführung nach den Figuren 5 und 6 wird der Schließkörper 42 ebenfalls von einer Führungsfläche 43 einer Ventilkappe 44 geführt, wobei die Unterbrechungen hier an der Ventilkappe 44 angeordnet sind. Bei diesem Steuerventil 45 sind daher an der inneren Oberfläche der Ventilkappe 44 mehrere Führungsrippen 46 ausgebildet.
Schließlich zeigen die Figuren 7 und 8 eine Ausführung, bei welcher am Kolben 47 Unterbrechungen für die Steuerventilfeder 48 vorgesehen sind. In dem die Steuerventilfeder 48 enthaltenden Bereich der Axialbohrung 49, welche den Kolbenboden 50 durchdringt und den Niederdruckraum 22 mit dem Hochdruckraum 24 verbindet, sind bei diesem Steuerventil 51 die Unterbrechungen an der inneren Oberfläche des Kolbenbodens 50 vorgesehen. An der Führungsfläche 52 für das Steuerventil 48 befinden sich daher mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Kanäle 53 für den Durchtritt des Hydraulikmittels.

Bezugszahlenliste

1: Rollenstößel
2: Gehäuse
3: Hochdruckraum
4: Kolben
5: unterer Kolbenboden
6: oberer Kolbenboden
7: Kolbenunterteil
8: Niederdruckraum
9: Kolbenoberteil
10: Steuerventilfeder
11: Steuerventil
12: Druckfeder
13: Ausnehmung
14: Boden
15: Außenfläche
16: konische Einsenkung
17: kugelförmiges Ende
18: Axialbohrung
19: Schließkörper
20: Steuerventil
21: Kolben
22: Niederdruckraum
23: Axialbohrung
24: Hochdruckraum
25: Kolbenboden
26: Ventilsitz
27: Schließkörper
28: Hub
29: Anschlagfläche
30: Ventilkappe
31: Druckfeder
32: Führungsfläche
33: Kanal
34: Steuerventilfeder
35: Schließkörper
36: Führungsrippe
37: Führungsfläche
38: Kolben
39: Axialbohrung
40: Kolbenboden
41: Steuerventil
42: Schließkörper
43: Führungsfläche
44: Ventilkappe
45: Steuerventil
46: Führungsrippe
47: Kolben
48: Steuerventilfeder
49: Axialbohrung
50: Kolbenboden
51: Steuerventil
52: Führungsfläche
53: Kanal

Claims

Hydraulisches Ventilspielausgleichselement für den Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, welches als Reverse-Spring/Freeball-Element ausgebildet ist, mit einem zylindrischen Gehäuse, einem darin mit Dichtspiel geführten zylindrischen Kolben (21, 38) und einem Steuerventil (20, 41, 45), welches zwischen einem Niederdruckraum (22) des Kolbens (21, 38) und einem Hochdruckraum (24) des Gehäuses an einem Kolbenboden (25, 40) angeordnet ist und einen Schließkörper (27, 35, 42) aufweist, der bei Ausführung eines Hubes (28) in der Schließrichtung gegen die Wirkung einer Steuerventilfeder (34) an einem eine Axialbohrung (23, 39) des Kolbenbodens (25, 40) umgebenden Ventilsitz (26) und in der Öffnungsrichtung an einer Anschlagfläche (29) einer den Schließkörper (27, 35, 42) umgebenden Ventilkappe (30, 44) anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Axialbohrung (23, 39) für den Schließkörper (27, 35, 42) eine enge Führungsfläche (32, 37, 43) mit Unterbrechungen ausgebildet ist, welche einen Volumenstrom von Hydraulikmittel zwischen dem Hochdruckraum (24) und dem Niederdruckraum (22) ermöglichen.
Ausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen von nutförmigen Kanälen (33) gebildet sind, welche in die an der Axialbohrung (23) befindliche innere Oberfläche des Kolbenbodens (25) eingearbeitet sind.
Ausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (35) an seiner äußeren Oberfläche abstehende, die Unterbrechungen bildende, in Umfangsrichtung in Abständen hintereinander angeordnete und auf die Ventilkappe (30) gerichtete Führungsrippen (36) aufweist.
Ausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkappe (44) an ihrer inneren Oberfläche die Unterbrechungen bildende, in Umfangsrichtung in Abständen hintereinander zu dem Schließkörper (42) hin abstehende Führungsrippen (46) aufweist.
Hydraulisches Ventilspielausgleichselement für den Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, welches als Reverse-Spring/Freeball-Element ausgebildet ist, mit einem zylindrischen Gehäuse, einem darin mit Dichtspiel geführten zylindrischen Kolben (47) und einem Steuerventil (51), welches zwischen einem Niederdruckraum (22) des Kolbens (47) und einem Hochdruckraum (24) des Gehäuses an einem Kolbenboden (50) angeordnet ist und einen Schließkörper (27) aufweist, der bei Ausführung eines Hubes (28) in der Schließrichtung gegen die Wirkung einer Steuerventilfeder (48) an einem eine Axialbohrung (49) des Kolbenbodens (50) umgebenden Ventilsitz (26) und in der Öffnungsrichtung an einer Anschlagfläche (29) einer den Schließkörper (27) umgebenden Ventilkappe (30) anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Axialbohrung (49) an einer engen Führungsfläche (52) für die Steuerventilfeder (48) Unterbrechungen vorgesehen sind, welche einen Volumenstrom von Hydraulikmittel zwischen dem Hochdruckraum (24) und dem Niederdruckraum (22) ermöglichen.
Ausgleichselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen von nutförmigen Kanälen (53) gebildet sind, welche in die an der Axialbohrung (49) befindliche innere Oberfläche des Kolbenbodens (50) eingearbeitet sind.