DE3808542A1 - Ventiltrieb fuer ein gaswechselventil einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1. Ein derartiger Ventiltrieb, wie er in der DE-OS 29 49 413, F 01 L 1/16, beschrieben ist, bietet gegenüber der üblichen alleinigen Ver­ wendung einer mechanischen Ventilschließfeder insbesondere den Vorteil, daß die Reibungskräfte zwischen dem Nocken und seiner Auflagefläche an einem Tas­ senstößel oder dergleichen bei niedrigen Drehzahlen erheblich verringert sind. Während nämlich bei alleinigem Vorhandensein einer mechanischen Ventilschließ­ feder diese so stark bemessen sein muß, daß sie mit Sicherheit eine Auflage zwischen Nocken und Tassenstößel oder dergleichen bei der höchsten zu erwar­ tenden Maschinendrehzahl sicherstellt, sie also hinsichtlich der erforderli­ chen Schließkräfte bei niedrigen Drehzahlen erheblich überdimensioniert ist, bietet die kräftemäßige Parallelschaltung einer derartigen mechanischen Schließfeder und einer pneumatischen Schließfeder, deren pneumatischer Druck mit zunehmender Drehzahl vergrößert wird, den Vorteil, daß die mechanische Schließfeder nur im Hinblick auf die verhältnismäßig niedrigen erforderlichen Schließkräfte bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt zu werden braucht, während die bei höheren Drehzahlen erforderlichen zusätzlichen Schließkräfte erst beim Auftreten dieser Drehzahlwerte durch entsprechende Druckbeaufschlagung der pneumatischen Schließfeder erzeugt werden.

Bei der in der zitierten Offenlegungsschrift beschriebenen Konstruktion wird bei geschlossenem Ventil eine Belüftungsbohrung für den pneumatischen Druck­ raum durch den Tassenstößel freigegeben, so daß dann der Druckraum auf Atmo­ sphärendruck gebracht wird; bei Beginn der Öffnungsbewegung des Ventils wird diese Belüftungsbohrung durch den Tassenstößel überdeckt, so daß der Druckraum gegen das Äußere abgeschlossen und der Druck in ihm mit zunehmender Öffnungs­ bewegung des Ventils infolge dann zunehmender Verkleinerung des Druckraums er­ höht wird. Zwar kann ein Teil der im pneumatischen Druckraum enthaltenen Luft über eine drehzahlabhängig verstellbare Drosselbohrung in einen kleinen abge­ schlossenen Speicherraum entweichen, jedoch erfolgt die Druckerzeugung in dem pneumatischen Druckraum während jeder Öffnungsbewegung des Ventils durch die Volumenänderung des Druckraums selbst.

Nun dient die Schließfederanordnung nicht nur schlechthin dem sicheren Bewegen des Ventils in seine Schließstellung, sondern sie soll während des gesamten Nockenhubs den Kontakt zwischen dem Nocken und seiner Auflagefläche am Tassen­ stößel oder dergleichen sicherstellen, um unerwünschte Relativbewegungen zwi­ schen Nocken und Ventil auszuschalten. Die Lösung dieser Aufgabe erfordert die Einhaltung eines bestimmten Verlaufs der von der Schließfederanordnung erzeug­ ten Rückstellkräfte über dem Verlauf des Nockenhubs bzw. der gewünschten Ven­ tilbewegung. Um während der Wirksamkeit der Nockenflanken diesen Kraftverlauf annähernd sicherzustellen, ist ein Druckverlauf im pneumatischen Druckraum er­ forderlich, der bei der bekannten Einrichtung zu einer relativ hohen Druckspit­ ze bei maximaler Öffnungsstellung des Ventils führt, das heißt zu Druckwerten, die erheblich oberhalb des maximal erforderlichen Druckwerts liegen, so daß die Konstruktion zwar bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine Vorteile ge­ genüber der alleinigen Verwendung einer mechanischen Schließfeder bietet, je­ doch bei hohen Drehzahlen der Verlauf des Drucks im pneumatischen Druckraum über dem Drehwinkel des Nockens nicht der gewünschten Kurve entspricht.

Bekanntgeworden ist auch ein V 6-Motor der Firma Renault, der vollständig ohne Ventilfedern ausgerüstet ist. Dieser wohl nur für Rennwagen konzipierte Motor enthält anstelle von Ventilfedern ein pneumatisches Drucksystem mit einer Stickstoff-Druckflasche, deren Inhalt unter hohem Druck steht und die mit Steuerkolben an jedem der 24 Ventile der Maschine in Druckverbindung steht. Hier erfolgt also zwar eine Druckerzeugung nicht durch Verkleinerung von ven­ tilindividuellen Druckräumen während der Öffnungsphase des jeweiligen Ventils, jedoch ist eine derartige Konstruktion unter vollständigem Verzicht auf mecha­ nische Ventilfedern für übliche Motoren nicht brauchbar, da schon bei durch Lec­ kagen bedingtem erheblichen Druckabfall die üblicherweise in hängender Ausfüh­ rung vorgesehenen Ventile in ihre Öffnungsstellung gehen und durch Berührung mit dem Kolben der arbeitenden Maschine zerstört werden würden.

Ähnliches gilt für aus don DE-OS 20 09 461 und 34 00 192, F 01 L 9/02, bekann­ ten rein hydraulisch, das heißt wiederum unter Verzicht auf mechanische Ventil­ federn, arbeitende Ventiltriebe. Bei diesen Konstruktionen wird zwar der hy­ draulische Druck in einem hydraulischen Druckraum jedes Ventils durch äußere Maßnahmen drehzahlabhängig verändert, jedoch muß infolge der Inkompressibili­ tät und der Trägheit des verwendeten Drucköls bezweifelt werden, daß derartige Konstruktionen bei sehr hohen Motordrehzahlen noch arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, also mit einer sowohl eine (schwache) mechanische Schließfeder als auch eine pneumatische Schließfeder in kräfte­ mäßiger Parallelschaltung enthaltenden Schließfederanordnung, zu schaffen, die unter Verwendung einfacher Mittel einen Verlauf der auf den Ventilschaft in Richtung Schließen des Ventils während der Nockendrehung ausgeübten Kraft be­ sitzt, der dem theoretisch erforderlichen Verlauf gut angenähert ist, insbe­ sondere hohe Kraftspitzen bei maximal geöffnetem Ventil vermeidet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung be­ schreiben die Unteransprüche.

In Abweichung von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik ist bei der Er­ findung der pneumatische Druckraum bei Maschinendrehzahlen, die innerhalb eines vorgegebenen niedrigen Drehzahlbereichs liegen, dauernd belüftet, so daß dann kein Druckaufbau im Druckraum erfolgt; die pneumatische Schließfeder ist inner­ halb dieses niedrigen Drehzahlbereichs also praktisch abgeschaltet und wir­ kungslos. Erst bei Überschreiten eines Drehzahlwerts, bei dem die mechanische Schließfeder infolge ihrer Auslegung noch mit Sicherheit die erforderliche Ventilbewegung sicherstellt, erfolgt unter Abschaltung dieser Belüftung des pneumatischen Druckraums die Verbindung desselben mit einer äußeren Druckquel­ le, sei es einem Druckerzeuger oder einem Druckspeicher. Auch dann erfolgt aber praktisch keine Druckerzeugung durch Verringerung des Volumens des pneumati­ schen Druckraums des jeweiligen Ventils, da dieser nach wie vor mit der äuße­ ren Druckquelle in Verbindung steht, also nicht, wie bei dem eingangs behan­ delten Stand der Technik, praktisch für sich ein abgeschlossenes pneumatisches System bildet. Hierdurch wird, insbesondere bei Unterstützung durch die Maß­ nahmen nach Patentanspruch 6, auch bei hohen Drehzahlwerten, das heißt bei Wirksamkeit der pneumatischen Schließfeder, eine gute Annäherung des Verlaufs der von der gesamten Schließfederanordnung einschließlich mechanischer Schließ­ feder erzeugten Schließkraft über der Nockendrehung sichergestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand des in den Fig. 1 und 2 für verschiedene Betriebszustände wiedergegebenen Axialschnitts durch eine Ventilanordnung erläutert.

Das im Zylinderkopf 1 in üblicher Weise längsverschiebbar geführte Ventil 2 mit dem Ventilschaft 3 wird mittels des von der Maschine selbst angetriebenen Nockens 4 zeitweilig in eine Öffnungsstellung und durch die Ventilfederanord­ nung 5 zeitweilig in eine Schließstellung bewegt; die Schließfederanordnung dient auch dazu, während der gesamten Nockenbewegung diesen in Kontakt mit der ihm zugeordneten Auflagefläche 6 am Tassenstößel 7 zu halten.

Im Bereich niedriger Maschinendrehzahlen genügt hierzu die entsprechend ausge­ legte, kegelförmige mechanische Schließfeder 8, die sich mit ihrem oberen Ende am ventilschaftfesten Kolben 9, der dicht vom Tassenstößel 7 aufgenommen ist, dagegen mit ihrem unteren Ende an der Bodenfläche 10 des nach oben vom Kolben 9 begrenzten Druckraums 11 abstützt. Während der vom Tassenstößel 7 oberhalb des Kolbens 9 umschlossene Raum durch die Belüftungsbohrung 12 dauernd belüf­ tet ist, steht der Druckraum 11, der einen wesentlichen Bestandteil einer zu­ sätzlichen pneumatischen Schließfeder bildet, nur in einem unteren Drehzahlbe­ reich über den Belüftungskanal 13 mit der Atmosphäre in Verbindung. Bereits an dieser Stelle sei eingefügt, daß die Belüftungskanäle 13 zumindest mehrerer, zu unterschiedlichen Zeiten öffnender und schließender Ventile durch den Längs­ kanal 14 in Strömungsverbindung stehen.

In dem erwähnten niedrigen Drehzahlbereich befindet sich der Schieber 15 unter der Wirkung der ihm zugeordneten Feder 16 in der in Fig. 1 gezeichneten Stel­ lung, in der er den Belüftungskanal 13 freigibt, ihn also mit der Belüftungs­ öffnung 17 verbindet. In diesem unteren Drehzahlbereich, für den die mechani­ sche Ventilfeder 8 ausgelegt ist, sperrt nämlich das drehzahlabhängig ange­ steuerte Drucksteuerventil 18 die Druckleitung 19 gegenüber dem Luft- oder Gas­ druckspeicher 20 ab, so daß der Schieber 15 praktisch nur unter der Wirkung der ihm zugeordneten Feder 16 steht.

Man kann sagen, daß in dem unteren Drehzahlbereich das Schließen des Ventils bzw. der Kontakt zwischen dem Nocken 4 und der Auflagefläche 6 in absolut üb­ licher Weise allein durch die mechanische Schließfeder 8 sichergestellt wird.

Sobald aber die Drehzahl der Brennkraftmaschine aus dem niedrigen Drehzahlbe­ reich hinauswandert, erfolgt über das Drucksteuerventil 18 die Herstellung ei­ ner Verbindung zwischen der Druckleitung 19 und dem Druckspeicher 20, so daß die auf die Oberseite des Schiebers 15 ausgeübte Druckkraft die Kraft seiner Feder 16 übersteigt und der Schieber in die Stellung 15′ verschoben wird, in der er die Verbindung zwischen der Belüftungsleitung 13 und der Belüftungs­ öffnung 17 unterbindet (Fig. 2). Gleichzeitig wird eine Verbindung zwischen der Belüftungsleitung 13 und der Druckleitung 19 hergestellt, so daß auch im Druckraum 11 nunmehr ein erheblich erhöhter Druck herrscht, der auf dem Kolben 9 lastet und demgemäß Schließkräfte auf das Ventil 2 ausübt. Dieser im wesent­ lichen konstante Druck liegt während der gesamten Nockenbewegung an und über­ lagert sich den von der mechanischen Schließfeder 8 ausgeübten Kräften, wo­ durch der erwünschte Verlauf der auf das Ventil in Schließrichtung ausgeübten Kräfte über der Nockendrehung erzielt wird.

Infolge der Tatsache, daß jetzt die in Schließrichtung wirkenden Kräfte weit­ gehend durch die pneumatische Schließfeder erzeugt werden, ist es möglich, die mechanische Schließfeder 8 relativ schwach und damit massearm auszuführen. Das bedeutet zum einen, daß in dem niedrigen Drehzahlbereich die Reibung zwischen Nocken 4 und Auflagefläche 6 relativ klein ist, und zum anderen, daß der Bei­ trag der Feder zur bewegten Masse des Ventiltriebs kleingehalten werden kann. Zur Verringerung der Bauhöhe besitzt die Feder 8 Kegelform, so daß ihre Win­ dungen im zusammengedrückten Zustand in einer Ebene liegen.

Durch die mittels des Kanals 14 gegebene Verbindung der mehreren Ventilen zu­ geordneten Belüftungskanäle 13 erfolgt ein zusätzlicher Druckausgleich zwischen den diesen Ventilen zugeordneten pneumatischen Druckräumen 11.

Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird das Drucksteuerventil 18 als Druckminderer mit drehzahlabhängig veränderbarer Wirkung ausgebildet, so daß nach Wirksamwerden des Druckraums 11, also nach Bewegung des Schiebers 15 in seine in Fig. 2 wiedergegebene Position 15′, mit weiter steigender Drehzahl auch der Druck im Druckraum 11 zunehmend vergrößert werden kann. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise die Reibung zwischen dem Nocken 4 und seiner Aufla­ gefläche 6 auch bei Drehzahlen oberhalb des niedrigen Drehzahlbereichs auf das unbedingt erforderliche Maß zu beschränken.

Infolge Einmündung der Belüftungsleitung 13 in den Druckraum 11 im Bereich sei­ ner Bodenfläche 10 kann Lecköl bei niedrigen Maschinendrehzahlen leicht abflie­ ßen; bei Wirksamwerden der pneumatischen Schließfeder wird es durch den Spalt der Tassenstößelführung nach oben geblasen.

Mit der Erfindung ist also ein Ventiltrieb geschaffen, der einerseits die durch die Schließfederanordnung hervorgerufenen Belastungen durch Reibung und beweg­ te Massen auf ein Minimum reduziert, andererseits aber die Möglichkeit bietet, innerhalb eines großen Drehzahlbereichs der Maschine eine einwandfreie Kontakt­ gabe zwischen dem Nocken und einem dessen Hub auf das Ventil übertragenden Bau­ teil (Tassenstößel) zu erzielen.

Claims (8)

1. Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit einem Ventilöffnungskräfte auf den Ventilschaft ausübenden rotierenden Nocken und einer Ventilschließkräfte auf den Ventilschaft ausübenden Schließfe­ deranordnung, die in kräftemäßiger Parallelschaltung eine mechanische Schließfeder und eine diese in einem pneumatischen Druckraum, der durch einen ventilschaftfesten Kolben begrenzt ist und seine Größe mit dem Ven­ tilhub ändert, aufnehmende pneumatische Schließfeder enthält, der Mittel zur Einstellung derart von der Maschinendrehzahl abhängiger pneumatischer Druckwerte im Druckraum zugeordnet sind, daß nur in einem niedrigen Dreh­ zahlbereich die Ventilschließbewegungen durch die entsprechend schwach ausgelegte mechanische Schließfeder, dagegen bei höheren Drehzahlen zu­ nehmend durch die pneumatische Schließfeder hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine drehzahlabhängig betätigte Schaltvor­ richtung (15, 16, 18) enthalten, die bei Überschreiten des niedrigen Dreh­ zahlbereichs einen im niedrigen Drehzahlbereich freigegebenen Belüftungs­ kanal (13) für den pneumatischen Druckraum (11) sperrt und diesen mit einem zumindest mehreren der Ventile (2) der Maschine gemeinsamen pneumatischen Druckspeicher (20) oder -erzeuger verbindet.

2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrich­ tung einen Schieber (15) enthält, der durch Federkraft (16) in eine erste Stellung, in der er den Belüftungskanal (13) freigibt, dagegen in eine zwei­ te Stellung, in der er den Belüftungskanal (13) sperrt, durch gegensinnige Beaufschlagung mit dem Druck des Druckspeichers (20) oder -erzeugers über ein drehzahlabhängig betätigtes Drucksteuerventil (18) verschiebbar ist.

3. Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksteuer­ ventil als drehzahlabhängiger Druckminderer (18) zur Einstellung mit zu­ nehmender Drehzahl steigender Druckwerte im pneumatischen Druckraum (11) ausgebildet ist.

4. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Belüftungskanal (13) vom tiefsten Bereich (10) des pneumatischen Druck­ raums (11) abgeht.

5. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ventilschaftfeste Kolben (9) dicht von einem Tassenstößel (7) aufgenom­ men und der Raum zwischen diesem und dem Kolben (9) belüftet (12) ist.

6. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatischen Druckräume (11) zumindest mehrerer Ventile (2) der Ma­ schine, die zu unterschiedlichen Zeiten schließen, in druckaustauschender Verbindung (14) stehen.

7. Ventiltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrich­ tung (15, 16, 18) diesen mehreren Ventilen (2) gemeinsam ist.

8. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schließfeder (8) kegelförmig ausgebildet ist.