Ventilsteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine 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 Al 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 auf- beziehungsweise 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.