DE102005029831A1

DE102005029831A1 - Hydraulisches Ventilspielausgleichselement (HVA)

Info

Publication number: DE102005029831A1
Application number: DE102005029831A
Authority: DE
Inventors: Donald Troy Haefner
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US7237520B2; US20060016410A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement (HVA) für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: DOLLAR A - Ein Gehäuse (1) weist eine Sackbohrung (2) auf, in der ein Kolben (3) mit Dichtspiel geführt ist, der in Druckkontakt mit einem Ventilbetätigungselement (6) und dessen Nocken steht; DOLLAR A - der Kolben (3) begrenzt zusammen mit der Sackbohrung (2) einen Hochdruckraum (4), während sich oberhalb des Kolbens (3) ein Niederdruckraum (5) befindet; DOLLAR A - die Druckräume (4, 5) sind durch zumindest eine zentrale Axialbohrung im Kolben (3) verbunden, die durch ein im Kolben (3) angeordnetes Steuerventil beherrscht ist. DOLLAR A Eine Möglichkeit, ein Steuerventil zu schaffen, das keiner Steuerventilfeder bedarf, besteht darin, dass das Steuerventil als Wechselventil (11) ausgebildet ist, mit einem im Inneren des Kolbens (3) leichtgängig geführten Ventilkörper (12), der zur Beherrschung einer oberen und einer unteren zentralen Axialbohrung (14, 15) dient und dessen Schließbewegung die Relativbewegung des Kolbens (3) gegenüber dem Ventilkörper (12) ist, der aufgrund seiner Massenträgheit praktisch still steht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10.

Hintergrund der Erfindung

Hydraulische Ventilspielausgleichselemente dienen dem Ausgleich des Spiels, das sich durch Verschleiß oder Wärmedehnung zwischen den Übertragungselementen des Nockenhubs auf die Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors bildet. Auf diese Weise sollen ein geräusch- und verschleißarmer Ventiltrieb und eine weitest mögliche Übereinstimmung von Nockenerhebungskurve und Ventilhubkurve erreicht werden.

In der EP 1 298 287 A2 ist ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors offenbart, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

– ein Gehäuse weist eine Sackbohrung auf, in der ein Kolben mit Dichtspiel geführt ist, der in Druckkontakt mit einem Ventilbetätigungselement und dessen Nocken steht;
– der Kolben begrenzt zusammen mit der Sackbohrung einen Hochdruckraum, während sich oberhalb des Kolbens ein Niederdruckraum befindet;
– die Druckräume sind durch zumindest eine zentrale Axialbohrung im Kolben verbunden, die durch ein im Kolben angeordnetes Steuerventil beherrscht ist.

Derartige Steuerventile sind als Rückschlagventile ausgebildet. Sie besitzen eine Steuerventilkugel, die von einer Steuerventilfeder beaufschlagt ist. Bei der Standardbauweise des Steuerventils wird die Steuerventilfeder in Schließrichtung beaufschlagt. Dadurch ist das Steuerventil überwiegend geschlossen und es entfällt ein Leerhub des Ventilspielausgleichselements. Es besteht sogar die Gefahr des Aufpumpens desselben und eines negativen Ventilspiels.

Diese Nachteile werden von Steuerventilen vermieden, deren Steuerventilfeder die Steuerventilkugel in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Hydraulische Ventilspielausgleichselemente mit einem derartigen Steuerventil werden wegen der umgekehrten Anordnung der Steuerventilfeder hydraulische Reverse Spring-Ventilausgleichselemente (RSHVA) oder wegen des in der Grundkreisphase offenen Steuerventils „Normally Open Lash Adjusters" (NOLA) genannt. RSHVA's zeichnen sich durch einen positiven Einfluss auf die Thermodynamik, die Schadstoffemission und die mechanische Beanspruchung des Verbrennungsmotors aus und werden deshalb in zunehmendem Maße eingesetzt.

Da das RSHVA erst durch den mit Beginn der Nockenerhebung einsetzenden, vom Hoch- zum Niederdruckraum fließenden Schmierölstrom durch hydrodynamische und hydrostatische Kräfte geschlossen wird, besitzt das RSHVA vor Beginn des Ventilhubs immer einen Leerhub. Dessen Größe hängt von der Motordrehzahl und der Länge der Schließzeit des RSHVA's und diese wiederum von der Viskosität bzw. Temperatur des Schmieröls ab. Wird ein konstanter Leerhub gewünscht, sind aufwändige Maßnahmen am Steuerventil erforderlich.

Ein weiteres Problem des RSHVA's wird anhand der Auslegung der Ventilkörperfeder der gattungsbildenden EP 1 298 287 A2 gezeigt. Diese Ventilkörperfeder ist so ausgelegt, dass das Ventil zwischen dem Hoch- und Niederdruckraum bei Montage des RSHVA's einen Fluidaustausch erlaubt, jedoch bei Druckanstieg im Hochdruckraum gegen die Federkraft der Ventilkörperfeder rasch möglichst schließt. Diese Federkraft muss demnach relativ niedrig sein. Deshalb kann der kugelförmige Verschließkörper durch mögliche seitliche Anströmung in Rotation versetzt und mit der Ventilkörperfeder seitlich verlagert werden. Dadurch werden die Schließkraft der Ventilkörperfeder und als Folge davon der Leerhub des RSHVA's verändert. Im Extremfall kann die Ventilkörperfeder in den Sitzspalt des Steuerventils gelangen, was zu weiteren Variationen des Leerhubs und zur Verstimmung oder sogar zum Totalausfall des RSHVA's und zur Zerstörung der Ventilkörperfeder führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement zu schaffen, das die Vorteile der im Stand der Technik aufgeführten Lösung aufweist, aber deren Nachteile vermeidet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.

Da die obere und untere zentrale Axialbohrung des Kolbens allein durch dessen Relativbewegung gegenüber dem stillstehenden, massenträgen Ventilkörper beherrscht werden, benötigt das Wechselventil keine Steuerventilfeder. Es ist daher robuster und zuverlässiger als ein Standard-HVA oder ein RSHVA. Trotz fehlender Reverse Spring sind die beiden zentralen Axialbohrungen im Kolben bei stehendem Motor und im Grundkreisbereich des Nockens bei laufendem Motor geöffnet. Dadurch ist ein Ölaustausch zwischen den Druckkammern und damit eine einfache Montage des erfindungsgemäßen HVA's möglich.

Ein interessantes Merkmal des Wechselventils besteht darin, dass dieses aufgrund der beiden zentralen Axialbohrungen und dem doppelseitig wirkenden Ventilkörper den Ölstrom in beide Richtungen sperren kann. Während bei Abwärtsbewegung des Kolbens, wie sie bei jedem Ventilhub eintritt, die obere zentrale Axialbohrung geschlossen wird, findet eine Schließung der unteren zentralen Axialbohrung bei plötzlichem Spiel im Ventiltrieb statt. Dadurch wird der Kolben veranlasst sich unter der Federkraft der im Hochdruckraum befindlichen Druckfeder nach oben zu bewegen. Auf diese Weise kommt die untere Dichtfläche des ruhenden Ventilkörpers mit dem unteren Flachsitz des Kolbens in Berührung und schließt die untere zentrale Axialbohrung. So wird ein weiteres Ausdehnen des HVA's begrenzt und dessen Aufpumpen verhindert. Deshalb können mit dem erfindungsgemäßen Wechselventil die gleichen Vorteile bezüglich Thermodynamik, Schadstoffemission und Motorbeanspruchung wie bei einem RSHVA erreicht werden.

Es bietet Fertigungsvorteile, wenn der Ventilkörper kreiszylindrisch ausgebildet und in einer axialen Mittenbohrung geführt ist, die die beiden zentralen Axialbohrungen verbindet.

Vorteilhaft ist, dass durch Zusammenwirken von vorzugsweise flachen Dichtflächen der Stirnseiten des Ventilkörpers mit flachen Dichtflächen der Schultern des Kolbens der Ölstrom durch die zentralen Axialbohrungen bzw. zwischen den Druckräumen steuerbar ist. Die flachen Dichtflächen bieten Fertigungs- und Bauraumvorteile.

Aus Fertigungs- und Montagegründen ist es von Vorteil, dass der Kolben ein Oberteil und ein Unterteil aufweist, die beide gleich ausgebildet sind und die nach Bearbeitung ihrer Innenkontur und nach Einbau des Ventilkörpers spiegelbildlich und druckdicht verbunden werden.

Durch großzügig bemessene axiale Strömungskanäle am Ventilkörper wird der selbe beim Schließvorgang des Wechselventils mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit umströmt. Dadurch tritt auch bei erhöhter Viskosität des Schmieröls nur geringe Flüssigkeitsreibung am Ventilkörper auf, so dass allein die Kolbenbewegung in Verbindung mit der trägen Masse des Ventilkörpers den Schließvorgang bestimmen. Dadurch wird der Einfluss der Ölviskosität bzw. der Öltemperatur auf den Schließvorgang des Wechselventils weitgehend ausgeschaltet.

Die axialen Strömungskanäle können als vier, am Umfang des kreiszylindrischen Ventilkörpers gleichmäßig verteilte Axialnuten mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein.

Alternativ besteht die Möglichkeit, dass zur Bildung von axialen Strömungskanälen an den Enden eines alternativen, kreiszylindrischen Ventilkörpers vier radial angeordnete Führungselemente vorgesehen sind, zwischen denen sich die Strömungskanäle befinden.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Zur Stabilisierung der axialen Lage des Ventilkörpers sind im Inneren eines anderen Kolbens zwei gleiche, konzentrisch angeordnete und axial gegenüberliegende Vorspannfedern vorgesehen, die die Stirnseiten des Ventilkörpers mit Druck beaufschlagen und den selben bei geöffnetem Wechselventil in einer Mittellage zwischen zwei Dichtflächen des Kolbens halten. Auf diese Weise wird auch bei starker Beschleunigung z. B. durch Stoßbelastung der HVA eine gleichmäßige Schließzeit des Wechselventils erreicht. Die Vorspannfedern sind im Vergleich zu den Steuerventilfedern des Standard-Steuerventils oder des RSHVA's robust und langlebig ausgebildet.

Es ist von Vorteil, dass der Kolben verstärkte Kolbenböden mit inneren Ringnuten aufweist, die koaxial zu den zentralen Axialbohrungen angeordnet sind und zur Unterbringung der Vorspannfedern dienen. Auf diese Weise ist der für die Unterbringung der Vorspannfedern erforderliche Raum geschaffen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.
Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes hydraulisches Ventilspielausgleichselement mit Wechselventil und freibeweglichem Ventilkörper;
2 einen Querschnitt durch den Ventilkörper von 1;
3 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes HVA ähnlich dem von 1, jedoch mit Vorspannfedern für den Ventilkörper;
4 eine Ansicht eines modifizierten Ventilkörpers;
5 einen Querschnitt durch den Ventilkörper von 4.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes HVA, das ein Gehäuse 1, mit einer Sackbohrung 2 aufweist, in der ein Kolben 3 mit Dichtspiel geführt ist. Der Kolben 3 begrenzt zusammen mit der Sackbohrung 2 einen Hochdruckraum 4, während sich oberhalb des Kolbens 3 ein Niederdruckraum 5 befindet. Der Kolben 3 steht in Druckkontakt mit einem Ventilbetätigungselement 6, das beispielsweise als Schlepphebel ausgebildet ist und von einem nicht dargestellten Nocken angetrieben wird.
Im Hochdruckraum 4 befindet sich eine Druckfeder 7, die den Kolben 3 druckbeaufschlagt, um das Ventilspiel zu minimieren. Im Kolbeninneren befindet sich ein Wechselventil 11, das einen kreiszylindrischen Ventilkörper 12 aufweist, der in einer axialen Mittenbohrung 13 leichtgängig geführt ist und der eine obere und eine untere zentrale Axialbohrung 14, 15 beherrscht. Der Kolben 3 besteht aus einem Oberteil 8 und einem Unterteil 9, die gleich ausgebildet und spiegelverkehrt angeordnet sind. Sie werden nach Einbau des Ventilkörpers 12 in einer Trennebene 10 druckdicht verbunden.
Der Ventilkörper 12 besitzt auf seinen Stirnseiten 16, 17 flache Dichtflächen 18, 19, die mit Dichtflächen 20, 21 auf Schultern 22, 23 des Kolbens 3 zusammenarbeiten, um den Ölstrom zwischen den Druckräumen 4, 5 zu steuern.
Am Umfang des Ventilkörpers 12 sind, wie auch aus 2 hervorgeht, vier gleichmäßig verteilte, axiale Nuten 24 vorgesehen. Diese dienen der Strömungsverbindung zwischen den beiden zentralen Axialbohrungen 14, 15 und zwischen den Druckräumen 4, 5. Der rechteckige Querschnitt der Nuten 24 bietet dem Ölstrom einen geringen Strömungswiderstand.
Die erfindungsgemäße HVA funktioniert folgendermaßen:
Im Grundkreisbereich des Nockens sind die Druckräume 4, 5 des HVA's drucklos, so dass sich der Ventilkörper 12 zwischen den Dichtflächen 20, 21 der Schultern 22, 23 des Kolbens 3 befindet und ein Ölstrom zwischen den Druckräumen 4, 5 möglich ist. Die dadurch mögliche Ölumströmung des Ventilkörpers 12 ist so gering, dass dadurch dessen Position kaum beeinflusst wird. Sobald jedoch der Nocken beginnt das Ventilbetätigungselement zu beaufschlagen, stützt sich dieses auf dem Kolben 3 ab und veranlasst dessen Abwärtsbewegung. Da der Ventilkörper 12 seine Position im Inneren des Kolbens 3 aufgrund seiner Massenträgheit im wesentlichen beibehält, kommt es kurz über lang zu einer Berührung seiner Dichtfläche 18 mit der Dichtfläche 20 der Schulter des Kolbens 3. Dadurch wird die obere zentrale Axialbohrung 14 geschlossen und das HVA wird hydraulisch steif.
Nach Durchlaufen der Nockenhubkurve gelangt der Nocken wieder in seinen Grundkreisbereich, wo sich der Innendruck des Hochdruckraums 4 entspannt. Mit Beginn des neuen Nockenhubs kann der nächste Takt des Verbrennungsmotors beginnen.
Ein besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen HVA's besteht darin, dass das Wechselventil 11 in beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens 3 sperrt. Sollte sich z. B. im Grundkreisbereich des Nockens eine plötzliche Vergrößerung des Ventilspiels ergeben, versucht die Druckfeder 7 den Kolben 3 nach oben zu bewegen und damit den Hochdruckraum aufzupumpen. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 kommt es bald zu einer Berührung der Dichtfläche 19 des in Ruhe befindlichen Ventilkörpers 12 mit der Dichtfläche 21 der Schulter 28 des Kolbens 3, wodurch die untere zentrale Axialbohrung 15 geschlossen wird und dadurch ein weiteres Aufpumpen des Hochdruckraums 4 verhindert wird.
In 3 ist eine Variante des HVA's der 1 im Längsschnitt dargestellt. Während in 1 der Ventilkörper 12 sich frei zwischen den Dichtflächen 20, 21 des Kolbens 3 bewegen kann, wird der Ventilkörper 12' der 3 durch zwei gleiche, entgegengerichtete Vorspannfedern 29, 30 in Mittellage zwischen den Dichtflächen 20', 21' des Kolbens 3' gehalten. Dadurch ist die Ausgangs position des Ventilkörpers 12' immer gleich, auch wenn der Verbrennungsmotor als Ganzes größeren Beschleunigungen unterworfen ist.
Ansonsten ist die Funktionsweise des Kolbens 3' gleich der des Kolbens 3.
Zur Unterbringung der Vorspannfedern 29, 30 ist der Kolbenboden 27', 28' des Kolbens 3' gegenüber dem Kolbenboden 27, 28 des Kolbens 3 verstärkt. Die Vorspannfedern 29, 30 sind in inneren Ringnuten 25, 26 untergebracht, die koaxial zu den zentralen Axialbohrungen 14', 15' im Kolbenboden 27', 28' angeordnet sind.
In 4 ist eine Ansicht und in 5 ein Längsschnitt eines kreiszylindrischen Ventilkörpers 12a dargestellt. Dieser weist an beiden Enden vorzugsweise vier radiale Führungselemente 31 auf, die mit dem selben einstückig ausgebildet sind. Zwischen den Führungselementen 31 ist ausreichend Strömungsquerschnitt vorgesehen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Öls am Ventilkörper 12a und deren Einfluss auf dessen Position gering zu halten.

1: Gehäuse
2: Sackbohrung
3, 3': Kolben
4: Hochdruckraum
5: Niederdruckraum
6: Ventilbetätigungselement
7: Druckfeder
8: Oberteil
9: Unterteil
10: Trennfuge
11, 11': Wechselventil
12, 12', 12a: Ventilkörper
13: axiale Mittenbohrung
14, 14': obere zentrale Axialbohrung
15, 15': untere zentrale Axialbohrung
16: Stirnseite
17: Stirnseite
18: Dichtfläche
19: Dichtfläche
20, 20': Dichtfläche
21, 21': Dichtfläche
22: Schulter
23: Schulter
24: Axialnut
25: Ringnut
26: Ringnut
27, 27': Kolbenboden
28, 28': Kolbenboden
29: Vorspannfeder
30: Vorspannfeder
31: Führungselement

Claims

Hydraulisches Ventilspielausgleichselement (HVA) für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: – ein Gehäuse (1) weist eine Sackbohrung (2) auf, in der ein Kolben (3) mit Dichtspiel geführt ist, der in Druckkontakt mit einem Ventilbetätigungselement (6) und dessen Nocken steht; – der Kolben (3) begrenzt zusammen mit der Sackbohrung (2) einen Hochdruckraum (4), während sich oberhalb des Kolbens (3) ein Niederdruckraum (5) befindet; – die Druckräume (4, 5) sind durch zumindest eine zentrale Axialbohrung im Kolben (3) verbunden, die durch ein im Kolben (3) angeordnetes Steuerventil beherrscht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil als Wechselventil (11) ausgebildet ist, mit einem im Inneren des Kolbens (3) leichtgängig geführten Ventilkörper (12), der zur Beherrschung einer oberen und einer unteren zentralen Axialbohrung (14, 15) dient und dessen Schließbewegung die Relativbewegung des Kolbens (3) gegenüber dem Ventilkörper (12) ist, der aufgrund seiner Massenträgheit praktisch still steht.
HVA nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Abwärtsbewegung des Kolbens (3) die obere und durch dessen Aufwärtsbewegung die untere zentrale Axialbohrung (14, 15) schließbar sind.
HVA nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärtsbewegung des Kolbens (3) durch den Nocken und dessen Aufwärtsbewegung durch eine im Hochdruckraum (4) angeordnete Druckfeder (7) erfolgt.
HVA nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (12) kreiszylindrisch ausgebildet und in einer axialen Mittenbohrung (13) geführt ist, die die beiden zentralen Axialbohrungen (13, 14) verbindet.
HVA nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zusammenwirken von vorzugsweise flachen Dichtflächen (18, 19) der Stirnseiten (16, 17) des Ventilkörpers (12) mit flachen Dichtflächen (20, 21) der Schultern (22, 23) des Kolbens (3) der Ölstrom durch die zentralen Axialbohrungen (14, 15) hindurch bzw. zwischen den Druckräumen (4, 5) steuerbar ist.
HVA nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) ein Oberteil (8) und ein Unterteil (9) aufweist, die beide gleich ausgebildet und nach Einbau des Ventilkörpers (12) spiegelbildlich und druckdicht verbunden werden.
HVA nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Ventilkörpers (12) axiale Strömungskanäle angeordnet sind, die zur Strömungsverbindung der oberen und unteren zentralen Axialbohrungen (14, 15) dienen.
HVA nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als axiale Strömungskanäle vorzugsweise vier, am Umfang des kreiszylindrischen Ven tilkörpers (12, 12') gleichmäßig verteilte Axialnuten (24) mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt vorgesehen sind.
HVA nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von axialen Strömungskanälen an den Enden eines alternativen, kreiszylindrischen Ventilkörpers (12a) vorzugsweise vier radial angeordnete Führungselemente (31) vorgesehen sind, zwischen denen sich die Strömungskanäle befinden.
HVA nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren eines Kolbens (3') zwei gleiche, zentrisch angeordnete und axial gegenüberliegende Vorspannfedern (29, 30) vorgesehen sind, die die Stirnseiten (16', 17') des Ventilkörpers (12') mit Druck beaufschlagen und den selben bei geöffnetem Wechselventil (11') in einer Mittellage zwischen zwei Dichtflächen (20, 21) des Kolbens (3') halten.
HVA nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3') verstärkte Kolbenböden (27', 28') mit inneren Ringnuten (25, 26) aufweist, die koaxial zu den zentralen Axialbohrungen (14', 15') angeordnet sind und zur Unterbringung der Vorspannfedern (29, 30) dienen.