MORELLI, Nicola (Langestr. 24, Fürth, 90762, DE)
Patentansprüche
1. Drosselventil (12) für eine Brennkraftmaschine (3) mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung (1 ) zur variablen Betätigung eines in Schließrichtung fe- derkraftbeaufschlagten Gaswechselventils (2), welche Ventilsteuerung (1 ) eine gaswechselventilferne Antriebsseite (4) mit einer hydraulischen Geberkammer (5) und eine gaswechselventilnahe Abtriebsseite (6) mit einer hydraulischen Nehmerkammer (7) aufweist, die über einen Nebenstrom- pfad (1 1 ) und einen Hauptstrompfad (10) hydraulisch mit der Geberkam- mer (5) kommuniziert, wobei das Drosselventil (12) einen ortsfest im Ne- benstrompfad (1 1 ) eingesetzten, zylindrischen Ventilträger (14) mit einem durch den Ventilträger (14) verlaufenden Drosselquerschnitt (17) und mit einem durch den Ventilträger (14) verlaufenden Zuflussquerschnitt (16) sowie mit einem plattenartigen Verschlusskörper (18) aufweist, welcher Verschlusskörper (18) an einer der Nehmerkammer (7) zugewandten
Stirnfläche (20) des Ventilträgers (14) angelenkt ist und in Richtung der Nehmerkammer (7) öffnet, so dass der Zuflussquerschnitt (16) in einer ersten Position des Verschlusskörpers (18) verschlossen und in einer zweiten Position des Verschlusskörpers (18) geöffnet ist, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Auslenkung des Verschlusskörpers (18) in Richtung der Nehmerkammer (7) durch ein mit dem Verschlusskörper (18) in dessen zweiter Position zusammenwirkendes Anschlagelement (19) begrenzt ist.
2. Drosselventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (18) im wesentlichen die Form eines Ringstücks aufweist, das an seinem ersten Endabschnitt (22) am Ventilträger (14) angelenkt ist, mit seinem zweiten Endabschnitt (24) den Zuflussquerschnitt (16) verschließt und mit einem Zwischenabschnitt (25) mit dem Anschlagelement (19) zusammenwirkt.
3. Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das An- schlagelement (19) als in Richtung der Nehmerkammer (7) abgewinkelt oder gebogen verlaufende, längliche Zunge ausgebildet ist, deren erster Endabschnitt (21 ) gemeinsam mit dem ersten Endabschnitt (22) des Verschlusskörpers (18) mittels eines Niets (23) am Ventilträger (14) befestigt ist und deren zweiter Endabschnitt (26) mit dem Zwischenabschnitt (25) des Verschlusskörpers (18) zusammenwirkt.
4. Drosselventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (18) federnd mit in Richtung des Zuflussquerschnitts (16) wirksamer Vorspannung ausgebildet ist.
5. Drosselventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (18) federnd mit in Richtung des Anschlagelements (19) wirksamer Vorspannung ausgebildet ist.
6. Drosselventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die der Nehmerkammer (7) zugewandte Stirnfläche (20) die Bodenfläche (28) einer zur Nehmerkammer (7) hin offenen, hohlzylindrischen Ausnehmung (27) im Ventilträger (14) ist, wobei das Anschlagelement (19) und der Ver- Schlusskörper (18) stets vollständig innerhalb der axialen Erstreckung der
Innenmantelfläche (29) der Ausnehmung (27) verlaufen. |
Bezeichnung der Erfindung
Drosselventil für eine Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Drosselventil für eine Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung zur variablen Betätigung eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils. Die Ventilsteuerung weist eine gaswechselventilferne Antriebsseite mit einer hydraulischen Geberkammer und eine gaswechselventilnahe Abtriebsseite mit einer hydraulischen Nehmerkam- mer auf, die über einen Nebenstrompfad und einen Hauptstrompfad hydraulisch mit der Geberkammer kommuniziert. Dabei weist das Drosselventil einen ortsfest im Nebenstrompfad eingesetzten, zylindrischen Ventilträger mit einem durch den Ventilträger verlaufenden Drosselquerschnitt und mit einem durch den Ventilträger verlaufenden Zuflussquerschnitt sowie mit einem plattenartigen Verschlusskörper auf, der an einer der Nehmerkammer zugewandten Stirnfläche des Ventilträgers angelenkt ist und in Richtung der Nehmerkammer öffnet, so dass der Zuflussquerschnitt in einer ersten Position des Verschlusskörpers verschlossen und in einer zweiten Position des Verschlusskörpers geöffnet ist.
Hintergrund der Erfindung
Bei elektrohydraulischen Ventilsteuerungen kommen zur Erzeugung akustisch und mechanisch akzeptabler Aufsetzgeschwindigkeiten der Gaswechselventile in der Regel sogenannte hydraulische Ventilbremsen zum Einsatz. Diese basie- ren auf dem Prinzip, dass das in der finalen Schließphase des Gaswechselventils aus der Nehmerkammer zu verdrängende Hydraulikmittelvolumen nur noch vergleichsweise langsam über einen definierten Drosselquerschnitt in Richtung der Geberkammer entweichen kann. Entsprechend wird das Gaswechselventil
kurz vor Erreichen des Ventilsitzes auf eine definierte Aufsetzgeschwindigkeit abgebremst.
Während hydraulische Ventilbremsen in diversen konstruktiven Ausgestaltun- gen im Stand der Technik bekannt sind, geht ein als hydraulische Ventilbremse dienendes Drosselventil der eingangs genannten Art aus der als gattungsbildend betrachteten US 5,577,468 hervor. Das dort im Nebenstrompfad ortsfest eingesetzte Drosselventil dient der gedrosselten Entleerung der Nehmerkammer in der finalen Schließphase des Gaswechselventils, indem dann sowohl der durch den Ventilträger verlaufende Zuflussquerschnitt von Verschlusskörpern als auch der Hauptstrompfad verschlossen sind und das Hydraulikmittel lediglich über den durch den Ventilträger verlaufenden Drosselquerschnitt aus der Nehmerkammer entweichen kann. Demgegenüber lässt das Drosselventil in der initialen öffnungsphase des Gaswechselventils zugunsten einer hohen öff- nungsbeschleunigung eine drosselarme und somit schnelle Befüllung der Nehmerkammer zu, indem dann der Zuflussquerschnitt bereits vor dem öffnen des Hauptstrompfades geöffnet ist.
Obwohl die Verwendbarkeit solcher elektrohydraulischer Ventilsteuerungen unter Großserienbedingungen in erster Linie von der zuverlässigen Einhaltung der vorgegebenen Ventilaufsetzgeschwindigkeiten und der damit zusammenhängenden Steuerzeitenkonstanz und folglich von der reproduzierbaren und lebensdauerfesten Funktion des Drosselventils abhängt, kann der Fachmann der zitierten Druckschrift lediglich entnehmen, dass es sich bei dem dort vorge- schlagenen Drosselventil um einen scheibenförmigen Ventilträger mit Verschlusskörpern in Form von am Ventilträger nicht näher definiert angelenkten Ventilklappen handelt. In Konkretisierung bedeutet dies, dass bei einem solchen Drosselventil ein hinsichtlich Weg und Geschwindigkeit definierter öff- nungs- und Schließverlauf der Ventilklappen nicht gegeben ist und folglich ins- besondere ein erhöhtes Ausfallrisiko des Drosselventils infolge mechanischer überdehnung mit anschließendem Abreißen der mit dem Gaswechselventil hochfrequent öffnenden und schließenden Ventilklappen besteht.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drosselventil der eingangs genannten Art konstruktiv so fortzubilden, dass dessen Funktion innerhalb der für Brennkraftmaschinen üblichen Lebensdauererwartung zuverlässig eingehalten wird. Darüber hinaus soll das Drosselventil als Großserienbauteil möglichst kostengünstig herstellbar sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Auslenkung des Verschlusskörpers in Richtung der Nehmerkammer durch ein mit dem Verschlusskörper in dessen zweiter Position zusammenwirkendes Anschlagelement begrenzt ist. Demnach ist der Betrag des Hubes oder des Verschwenk- winkeis des Verschlusskörpers zwischen dessen erster und zweiter Position durch das Anschlagelement definiert, so dass ein mechanisches überdehnen des Verschlusskörpers infolge unkontrolliert überhöhter öffnungshübe bzw. öffnungswinkel verhindert wird. Gleichzeitig wird auch ein eventuell bestehendes Kollisionsrisiko eines zu weit öffnenden Verschlusskörpers mit dem in der Nehmerkammer oszillierenden und das Gaswechselventil betätigenden Nehmerkolben ausgeschlossen.
In Weiterbildung der Erfindung soll der Verschlusskörper im wesentlichen die Form eines Ringstücks aufweisen, das an seinem ersten Endabschnitt am Ven- tilträger angelenkt ist, mit seinem zweiten Endabschnitt den Zuflussquerschnitt verschließt und mit einem Zwischenabschnitt mit dem Anschlagelement zusammenwirkt. Gegenüber einem gerade ausgebildeten Verschlusskörper weist der ringstückförmige Verschlusskörper bei konstantem Durchmesser des Ventilträgers eine größere gestreckte Länge auf. Hierdurch wird die relative Durch- biegung des Verschlusskörpers, d.h. dessen Durchbiegung pro Längeneinheit, zugunsten einer erhöhten Dauerbruchfestigkeit deutlich verringert.
Dabei kann es im Hinblick auf eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit
des Drosselventils vorgesehen sein, dass das Anschlagelement als in Richtung der Nehmerkammer abgewinkelt oder gebogen verlaufende, längliche Zunge ausgebildet ist, deren erster Endabschnitt gemeinsam mit dem ersten Endabschnitt des Verschlusskörpers mittels eines Niets am Ventilträger befestigt ist und deren zweiter Endabschnitt mit dem Zwischenabschnitt des Verschlusskörpers zusammenwirkt. Als Alternative zu der vorgeschlagenen Nietverbindung können selbstverständlich auch gleichwirkende Verbindungstechniken, wie beispielsweise Verschrauben, Verkleben, Verschweißen, etc., vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Verschlusskörper federnd mit in Richtung des Zuflussquerschnitts wirksamer Vorspannung ausgebildet sein. Eine solche Federcharakteristik des Verschlusskörpers führt dazu, dass der Zuflussquerschnitt lediglich bei zwischen der Geberkammer und der Nehmerkammer herrschenden Differenzdrücken, die die Federvorspannung des Ver- Schlusskörpers überwinden, geöffnet ist. Ein sich hieraus ergebender Vorteil besteht beispielsweise darin, dass bei abgestellter Brennkraftmaschine ein ungewolltes Eindringen von Luft- oder Gasblasen in die Nehmerkammer infolge eines Hydraulikmittelabflusses aus der Nehmerkammer durch den dann verschlossenen Zuflussquerschnitt verhindert wird.
Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Verschlusskörper federnd mit in Richtung des Anschlagelements wirksamer Vorspannung ausgebildet ist. Im Gegensatz zu der vorgenannten Federcharakteristik unterstützt die in Richtung des Anschlagelements wirksame Vorspannung des Verschlusskör- pers einen schnelleren Druckaufbau in der Nehmerkammer in der initialen öffnungsphase des Gaswechselventils, da es in diesem Fall nicht erforderlich ist, zunächst die Federvorspannung eines drucklos geschlossenen Verschlusskörpers zu überwinden. Eine weitere alternative Federcharakteristik kann außerdem auch darin bestehen, dass sich die drucklose Ruhelage des Verschluss- körpers zwischen dessen erster und zweiter Position befindet, wobei der Verschlusskörper weder den Zuflussquerschnitt verschließt noch am Anschlagelement anliegt.
Schließlich soll die der Nehmerkammer zugewandte Stirnfläche die Bodenfläche einer zur Nehmerkammer hin offenen, hohlzylindrischen Ausnehmung im Ventilträger sein, wobei das Anschlagelement und der Verschlusskörper stets vollständig innerhalb der axialen Erstreckung der Innenmantelfläche der Aus- nehmung verlaufen. Einerseits schützt diese konstruktive Ausgestaltung sowohl den empfindlichen Verschlusskörper als auch das Anschlagelement vor beschädigenden mechanischen Einwirkungen während der Herstellung, des Transports und der Montage des Drosselventils. Andererseits kann sowohl die axiale Erstreckung des kleinen Drosselquerschnitts als auch des Zuflussquer- Schnitts zugunsten einer kostengünstigen Herstellbarkeit des Ventilträgers bzw. einer geringen Drosselwirkung des Zuflussquerschnitts klein gehalten werden, während die Außenmantelfläche des Ventilträgers eine ausreichende Höhe aufweist, wie sie beispielsweise für einen dauerfesten Pressverband des Drosselventils im Nebenstrompfad erforderlich ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drosselventils als Einzelteil und im Verbund mit einer elekt- rohydraulischen Ventilsteuerung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
Figur 1 einen für die Darstellung der Erfindung wesentlichen Ausschnitt der elektrohydraulischen Ventilsteuerung;
Figur 2 das Drosselventil gemäß Figur 1 im Querschnitt;
Figur 3 das Drosselventil gemäß Figur 1 in der Untersicht und
Figuren 4 bis 7 die Funktionsweise des Drosselventils bei verschiedenen
Arbeitspositionen der elektrohydraulischen Ventilsteuerung gemäß Figur 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher Ausschnitt einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung 1 zur variablen Betätigung eines Gaswechselventils 2 offenbart. Dargestellt ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine 3, in welchem auf einer gaswechselventilfernen Antriebsseite 4 eine hydraulische Geberkammer 5 und auf einer gaswechselventilnahen Abtriebsseite 6 eine hydraulische Nehmerkammer 7 verlaufen. Zur Betätigung des in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils 2 in öffnungs- richtung dient ein in der Nehmerkammer 7 längsbeweglich gelagerter Nehmerkolben 8, der an seiner dem Gaswechselventil 2 abgewandten Stirnseite 9 zyklisch mit Hydraulikmitteldruck beaufschlagt wird. Wie noch an späterer Stelle ausführlich erläutert, kommunizieren die Nehmerkammer 7 und die Geberkammer 5 über einen Hauptstrompfad 10 und einen Nebenstrompfad 1 1 hydraulisch miteinander. Dabei dient ein im Nebenstrompfad 1 1 ortsfest eingesetztes Drosselventil 12 als hydraulische Ventilbremse, indem es das Gaswechselventil 2 in der finalen Schließphase, d.h. kurz vor Erreichen der dargestellten Schließposition auf eine unter akustischen und mechanischen Gesichtspunkten vorgegebene Aufsetzgeschwindigkeit abbremst.
Das mittels eines Pressverbands in einer Bohrung 13 des Zylinderkopfs befestigte Drosselventil 12 geht detaillierter aus den nachfolgend beschriebenen Figuren 2 und 3 hervor. Das in Figur 2 im Querschnitt dargestellte Drosselventil 12 weist einen zylindrischen Ventilträger 14 auf, der mit seiner Außenmantelflä- che 15 in die vorgenannte Bohrung 13 (Figur 1 ) eingepresst ist. Axial durch den Ventilträger 14 verlaufen ein drosselarmer Zuflussquerschnitt 16 und ein Drosselquerschnitt 17, die jeweils als Längsbohrung mit einem großen Durchmesser bzw. einem demgegenüber deutlich kleineren Durchmesser ausgebildet sind. Während der Drosselquerschnitt 17 eine permanente hydraulische Verbindung zwischen der in Figur 2 unterhalb des Drosselventils 12 verlaufenden Nehmerkammer 7 und der oberhalb verlaufenden Geberkammer 5 herstellt, ist der Zuflussquerschnitt 16 in Abhängigkeit der momentanen Druckverhältnisse in der Geberkammer 5 und der Nehmerkammer 7 geöffnet oder von einem plattenar-
tigen Verschlusskörper 18 verschlossen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Drosselventils 12 ist der Verschlusskörper 18 federnd mit in Richtung des Zuflussquerschnitts 16 wirksamer Vorspannung ausgebildet, so dass der Zuflussquerschnitt 16 erst oberhalb einer Druckdifferenz zwischen der Geber- kammer 5 und der Nehmerkammer 7 geöffnet wird, welche die Vorspannung des Verschlusskörpers 18 übersteigt. Zur Begrenzung der Auslenkung des Verschlusskörpers 18 zwischen dessen erster Position, in der der Zuflussquerschnitt 16 verschlossen ist und dessen zweiter Position, in der der Zuflussquerschnitt 16 geöffnet ist, dient ein in der zweiten Position wirksames Anschlag- element 19 für den Verschlusskörper 18. Dieses hier als längliche Zunge ausgebildete Anschlagelement 19 verläuft abgewinkelt in Richtung der Nehmerkammer 7 und ist wie der Verschlusskörper 18 an einer der Nehmerkammer 7 zugewandten Stirnfläche 20 des Ventilträgers 14 angelenkt derart, dass ein erster Endabschnitt 21 des Anschlagelements 19 gemeinsam mit einem ersten Endabschnitt 22 des Verschlusskörpers 18 mittels eines Niets 23 am Ventilträger 14 befestigt ist.
Wie aus der in Figur 3 dargestellten Untersicht des Drosselventils 12 ersichtlich - in Figur 2 ist der Drosselquerschnitt 17 zur besseren Veranschaulichung in den Querschnitt hineingedreht dargestellt - weist der Verschlusskörper 18 gegenüber dem als längliche Zunge ausgebildeten Anschlagelement 19 die Form eines Ringstücks auf, das mit seinem zweiten Endabschnitt 24 den Zuflussquerschnitt 16 verschließt und mit einem Zwischenabschnitt 25 mit dem zweiten Endabschnitt 26 des Anschlagelements 19 zusammenwirkt. Um das Drossel- ventil 12 vor ungewollter mechanischer Einwirkung zu schützen, die zur Beschädigung des Verschlusskörpers 18 oder des Anschlagelements 19 während der Herstellung, des Transports oder des Einpressvorgangs des Drosselventils 12 in den Zylinderkopf führen kann, weist der Ventilträger 14 eine hohlzylindri- sche Ausnehmung 27 auf, deren Bodenfläche 28 identisch mit der der Nehmer- kammer 7 zugewandten Stirnfläche 20 ist, so dass der daran angelenkte Verschlusskörper 18 und das Anschlagelement 19 stets vollständig innerhalb der axialen Erstreckung der Innenmantelfläche 29 (Figur 2) der Ausnehmung 27 verlaufen.
Die Funktionsweise des Drosselventils 12 ist nachfolgend anhand der Figuren 4 bis 7 erläutert. Zur Vereinfachung wurde dabei auf die Darstellung der das Gaswechselventil 2 in Schließrichtung beaufschlagenden Ventilfeder 30 (Figur 1 ) verzichtet. Die in Figur 4 dargestellte initiale öffnungsphase des Gaswechselventils 2 wird dadurch eingeleitet, dass das von einem hier nicht dargestellten Nocken einer Nockenwelle oder von einer ebenfalls nicht dargestellten Hydraulikpumpe mit Hochdruck beaufschlagte Hydraulikmittel zunächst nur über den Nebenstrompfad 1 1 von der Geberkammer 5 durch den geöffneten Zu- flussquerschnitt 16 in die Nehmerkammer 7 gefördert wird und den Nehmerkolben 8 in öffnungsrichtung des Gaswechselventils 2 verlagert.
In einer weiter geöffneten Stellung des Gaswechselventils 2 gemäß Figur 5 gelangt das Hydraulikmittel sowohl über den Nebenstrompfad 1 1 als auch über den Hauptstrompfad 10 in die Nehmerkammer 7. Der Hauptstrompfad 10 um- fasst in diesem Ausführungsbeispiel eine mit der Geberkammer 5 kommunizierende Außenringnut 31 in einer den Nehmerkolben 8 lagernden Führungsbuchse 32 und einen die Außenringnut 31 mit der Nehmerkammer 7 verbindenden Hydraulikmitteldurchlass 33, der erst zum Ende der initialen öffnungsphase des Gaswechselventils 2 von der Stirnseite 9 des Nehmerkolbens 8 freigegeben wird.
Der in Figur 6 dargestellte Schließvorgang des Gaswechselventils 2 wird durch Reduzierung des in der Geberkammer 5 herrschenden Hydraulikmitteldrucks eingeleitet, so dass die über den Nehmerkolben 8 auf die Nehmerkammer 7 wirkende Kraft der Ventilfeder 30 ein Druckgefälle in Richtung der Geberkammer 5 erzeugt. Dabei wird der Zuflussquerschnitt 16 vom Verschlusskörper 18 verschlossen und das aus der Nehmerkammer 7 verdrängte Hydraulikmittel fließt nahezu ausschließlich über den Hauptstrompfad 10 zurück in die Geber- kammer 5. Der gleichzeitig über den im Nebenstrompfad 1 1 angeordneten Drosselquerschnitt 17 abfließende Hydraulikmittelstrom kann in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden.
Wie schließlich aus Figur 7 hervorgeht, setzt die Funktion der hydraulischen Ventilbremse im Drosselventil 12 erst mit Beginn der finalen Schließphase des Gaswechselventils 2 ein, wenn der Hydraulikmitteldurchlass 33 von der Stirnseite 9 des Nehmerkolbens 8 vollständig verschlossen ist. Ab dieser Stellung des Nehmerkolbens 8 kann das in der Nehmerkammer 7 eingeschlossene Hydraulikmittelvolumen bei nach wie vor verschlossenem Zuflussquerschnitt 16 nur noch vergleichsweise langsam über den Drosselquerschnitt 17 und den Neben- strompfad 1 1 in die Geberkammer 5 zurückfließen. Die damit einhergehende Verzögerung des Nehmerkolbens 8 führt zu einem sanften Aufsetzen des Gas- wechselventils 2 am Ventilsitz 34 mit akustisch unauffälliger und hinsichtlich der mechanischen Ventiltriebsbelastung unbedenklicher Aufsetzgeschwindigkeit.
Liste der Bezugszahlen
1 elektrohydraulische Ventilsteuerung
2 Gaswechselventil 3 Brennkraftmaschine
4 Antriebsseite
5 Geberkammer
6 Abtriebsseite
7 Nehmerkammer 8 Nehmerkolben
9 Stirnseite des Nehmerkolbens
10 Hauptstrompfad
11 Nebenstrompfad
12 Drosselventil 13 Bohrung
14 Ventilträger
15 Außenmantelfläche
16 Zuflussquerschnitt
17 Drosselquerschnitt 18 Verschlusskörper
19 Anschlagelement
20 Stirnfläche des Ventilträgers
21 erster Endabschnitt des Anschlagelements
22 erster Endabschnitt des Verschlusskörpers 23 Niet
24 zweiter Endabschnitt des Verschlusskörpers
25 Zwischenabschnitt des Verschlusskörpers
26 zweiter Endabschnitt des Anschlagelements
27 Ausnehmung 28 Bodenfläche
29 Innenmantelfläche der Ausnehmung
30 Ventilfeder
31 Außenringnut
Führungsbuchse Hydraulikmitteldurchlass Ventilsitz