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Titel: Hydraulik Ventilsteueraggregat mit Ventildrucksegmenten für
Otto- und Dieselmotoren.
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Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft eine Anlage, die hydraulisch
arbeitet und bei allen herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren serwendot werden kann.
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Es entfallen dadurch, dfe Nockenwelle und deren Lager, die Kipphebel
und Stösselstangen, sowie alle Kleinteile, ebenso der Antrieb der Nockenwelle, wie
Kette, Zahnriemen, Königswelle etc.
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Zweck: Die Hydraulikventilsteueranlage verringert .,e Herstellungkosten
Je nach Anwendung und Konstruktion erheblich, gegenüber der bisher verwendeten Steuersysteme,
außerdem ergeben sich wesentliche andere Vorteile. (siehe Vort,ile) Stand der Technik
Es ist nicht bekannt, daß eine derartige Anlage bisher Verwendung gefunden hat.
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Aufgabe: Die Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde genauste Ventilsteuerzeiten
zu erreichen und die bisher von der Antriebskette, den Kipphebeln Stösselstangen
etc. erzeugten Betriebsgeräusche zu beseitigen. Ebenso soll die Anlage die vielen
größeren und kleineren Einzelteile der herkömmlichen Nockenwellensteuerung ersetzen.
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Lösung: Diese Aufgabe wird dadruch gelöst, indem das Ventilsteueraggregat
außerhalb des Motorblock angebracht wird und durch Rohrleitungen mit den jeweils
erforderlichen Ventildrucksegmenten verbunden wird, die auf dem Zylinderkopf über
den Ventilen in den einzelnen Träger eingebaut sind.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung: Um eine solche Anlage weiter
von wesentlicher Bedeutung nutzbar zu machen, sind nur unwesentliche Änderungen
erforderlich.
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1.) Durch den Einbau eines stufenlos verstellbaren Dreiwegehahnes
zwischen der Ölhauptdruckleitung von der jeweiligen ölpumpe zum Ventilsteueraggregat,
mit einer Öldrucklaufleitung zur Motorölwanne bzw. zum Hydraulikölbehälter.
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Die Be#tätigung des ### Dreiwegehahnes erfolgt bei Fahrzeugen aller
Art vom Führerhaus aus, entweder, mechanisch oder durch ein elektrisch arbeitendes
Betätigungssystem.
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2.) Bei Verwendung von Motoröl ist die Anordnung der Ölansaugleitung
zur jeweiligen Ölpumpe, so zu bestimmen, daß kein Öl die Ansaugleitung mehr erreicht,
wenn der Mindestölstand in der Motorölwanne durch den Verbrennungsvorgang bei den
Motoren erreicht ist. (Ölverbrauch) Erziehbare Vorteile: Durch die Verwendung des
Hydraulikventilsteueraggregats und den dazu verwendeten Ventildrucksegmenten entstehen
folgende Vorteile: 1.) Kostensenkende Herstellung der Anlage, gegenüber der herköm,mlichen
Nockenwell,ensteuerung bei 4takt Otto- und Dieselmotoren.
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2.) Geräuschloser Lauf der Motoren durch das Wegfallen der vielen
kleinen und größeren Antriebsteile der Nockenwellensteuerung.
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3.) Durch den Einbau eines Dreiwegehahnes in der Ölhauptdruckleitung
kann die Ölzufuhr zuni Ventilste'ueraggregat stufenlos geregelt werden, so daß bei
Verstellen des Dreiwegehahnes das Öl zur Ölwanne oder dergleichen zurückfließen
kanne Hierdurch werden die Ventilöffnungen stufenlos verändert oder die Ventile
bleiben evtl. ganz geschlossen, so daß ein Fahrzeug bei abschüssiger Straße automatisch
gebremst wird, da der Motor jetzt als Kompressor arbeitet und keine Leitung abgeben
kann.
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Hierdurch können bei längeren Talfahrten oder ähnliches die herkömmlichen
Bremsen wesentlich geschont werden.
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4.) Durch die Anordnung der Ölansaug- bzw. Zulaufleitung zur jeweils
benutzten Öldruckpumpe in Höhe des Mindestölstands in der Montorölwanne, kann bei
zu niedrigem Ölstand kein Ö1 mehr angesaugt werden bzw. zulaufen
Hierdurch
wird dann kein Druck mehr erzeugt, so daß die Ventile des ,Motors nicht mehr betätigt
werden können. Der jeweilige Motor bleibt daher sofort stehen. Es können wegen Ölmangel
keine Lager-Kolben oder andere Schäden mehr auftreten. Die Lebensdauer der Motoren
wird dadurch wesentlich erhöht, da ohnehin des öfteren aus Ölmangel tiele derartige
Schäden entstehen.
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Bei Verwendung von Hydrauliköl für das Ventilsteueraggregat ist eine
Koppelung eines Schwimmers oder anderes in der Motorölwanne mit einem besonderem
Sicherheitsventil in der Hydraulikanlage erforderlich, damit auch in'einer derartigen
Anlage die Vorteile genutzt werden können, d.h. ist der Mindestölstand in der Motorölwanne
durch den Ublichen Ölverbrauch erreicht,- muß mechanisch oder elektrisch ein Sicherheitsventil
in der Hydraulikanlage betätigt werden, daß den Öldruckkreislauf sofort unterbricht
bzw. umleitet, damit die Steuerung der Ventile sofort unterbrochen wird.
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Beschreibung mehrerer Ausführungsbeisp#iele: Mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben0
Es zeigen: Zeichnung Blatt 1: Kolbensteuerpumpe mit Ventildrucksegment Zeichnung
Blatt 2: Ventilsteueraggregat (Schnittzeichnung) Zeichnung Blatt 3s Ausführung der
Steuerscheiben I u. II Zeichnung Blatt 4: Schleifplatte mit Steuerkanälen Zeichnung
Blatt 5s Träger mit Ventildrucksegment (Schnittzeichnung) Zeichnung Blatt,6: Diagramm
für Ventilsteuerzeiten Blatt 7: Beispiel für erforderliche Ölmengen bei verschiedenen
Kurbelwellendrehzahlen.
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Modell 1: Ventilsteueraggregat Modell 2: Steuerscheibe II mit Steuerlochscheibe
für 4fach veduzierte Drehzahl des Steueraggregats gegenüber der Kurbelwellendrehzahl
Modell 3: Träger mit Ventildrucksegment
1.) Allgemeines: Die neuartige
Anlage ersetzt alle herkömmlichen Teile der bisher üblichen Nockenwellensteuerung.
Es entfallen der gesamte Nockenwellenantrieb, die Nockenwelle und dessen Lager,
Kipphebel, Stösselstangen und alle dazugehörenden Kleinteile.
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Die bisher üblichen Ventile, mit Ferdern etc. bleiben jedoch bestehen,
Es entfallen daher ebenfalls sämtliche, bisher während des Betriebs entstehenden
Geräusche, die von den erwähnten Teilen erzeugt wurden, da die neue Anlage hydraulisch
arbeitet und somit geräuschlos ist.
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Der für das Ventilsteueraggregat benötigte Öldruck soll von einer
Zahnradölpumpe, oder sonstigen leistungsstarken Fördert pumpen erzeugt werden, gegebenenfalls
eine verstärkte Zahnrad~ ölpumpe für die erforderliche Druckumlaufsohmierung des
Motors die in der Lage ist, den jeweilig erforderlichen Druck zu erzeugen. Der Druck
muß jedoch so stark sein, daß er die Druck~ stärke der jeweils verwendeten Ventilrückzugfedern
übertrifft.
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Um möglichst eine gleichmäßige Druckstärke zu erlangen, ist es ratsam,
ein Ölüberdruckventil in der Hauptleitung von der Ölpumpe zum Steueraggregat einzubauen.
Das nicht benötigte Öl kann dsnn wieder zur Ölwanne zurückfließen. Ebenso ist es
ratsam, einen Ölfilter zum Reinigen des Öls zu benutzen, evtl. einen vergrößerten
Ölfilter der ohnehin für die Druckumlaufschmierung des Motors benötigt wird. Die
Benutzung einer leistungsstarken Motorölpumpe wäre für dieeen Zweck die ideale Ausnutzung
der gesamten Anlage, es liegt natürlich an der Druckfestigkeit des Motoröles.
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Ist die Verwendung von herkömmlichen Motorenöl nicht möglich, muß
eine Hydraulikpumpe und das jeweils erforderliche Hydrauliköl benutzt werden. Eine
derartige Anlage erfordert einen gesonderten Ölkreislauf, sowie Behölter und Abdichtungen,
damit sich- die verschiedenen Öle nicht vermischen können.
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Dieses würde die Herstellungskosten natürlich erhöhen, wobei die Verwendung
von Motorenöl die Herstellungskosten der gesamten Anlage weitaus niedriger halten
würd., wie bei der herkömmlichen Nockenwellensteuerung.
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Die jeweils erforderlichen Ölpumpen können auch elektrisch angel trieben
werden, dieses hätte beim Starten des Motor einen kleinen
Vorteil,
wogegen die Pumpe, die von der kurbelwelle durch Zahnräder, Kette oder Schneckenantrieb
angetrieben wird, beim Starten durch den Anlasser mindestens 1 Umdrehung machen
muß, damit der erforderliche Mindestöldruck vorhanden ist.
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Diese Möglichkeiten sind bei der jeweiligen Konstruktion der verschiedenen
Motoren genauestens zu beachten, gegebenenfalls kombi niert anzuwenden bzw. nur
zum Anlassen des Motors zusätzlich eine durch Elektromotor angetriebene Ölpumpe
anzuwenden, die beim Anlaufen des Motors sofort wieder abgeschaltet wird.
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2.) Ventilsteueraggregat und dessen Arbeitsweise: a) Bauart des Ventilsteueraggregats:
siehe Zeichnung Blatt 1, 2, 3, 4.
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Das Aggregat besteht aus folgenden Hauptteilen: siehe Zeichnung Blatt
2, 3, 4 sowie Modell 1 und 2 1.) Gehäuse vorn mit Hauptdruckkammer 2.) Gehäuse hinten
mit Druckkammern zuden Ventildrucksegmenten (Je nach Ventilzahl) 3.) Antriiswelle*.
Kugel- oder Rollenlager und Simmerringe zum Abdichten 4.) 2 Schleifplatten mit Steuerkanälen
(verschraubt mit Gehäuse) 5.) Steuerscheibe I mit Schleifringen und Sprqringen zur
Feinstabdichtung 6.) Steuerscheibe II (wie I) allerdings mit Rücklaufbohrung und
Druckausgleichventil 7.) Druckfeder zwischen den Stuerscheiben I und II 8.) 4 Passbolzen
(1 Bolzen durchbohrt als Steuerkanal (mit Sprengringen gesichert) 9.) Ölanschlüsse
für Zu- und Rücklauf 10,) Staubdecker b) Arbeitsweise des Ventilsteueraggregats:
Antrieb: Der Antrieb erfolgt von dar Kurbelwelle über einen der bisher bekannten
Antriebsmöglichkeiten der Nockenwelle, Da das Ventilsteueraggregat nach Möglichkeit
aber seitlich des jeweiligen Motors angebaut werden soll, ist der tAntriebsweg"
wie
zeBv bei einer obenliegenden Nockenwelle weitaus geringer, so daß z.B4 bei Verwendung
einer Antriebskette deren Länge ziemlich kurz gehalten werden kann.
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Bei der Normalausführung des Steueraggregats ist die gleiche Drehzahl
der bisherigen Nockenwelle erforderlich0 Dieses ergibt sich durch Anzahl der Stenerkanäle
und deren Anordnung.
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Bei dem mitgelieferten Modell 1 wird diese Drehzahl z0B. benötigt.
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Dieses Modell ist für einen 4Zylinder Otto-Motor mit einer ZUndfolge
1-3-4-2 konstruiert. Bei dem Modell sind nur vier Öldruckleitungen vorgesehen für
Jeweils vier Einlaß- und 4Auslaßventile.
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Dieses ergibt sich daraus, daß bei der angenommenen Zündfolge durch
jeweils zwei gleiche Ventilöffnungszeiten zugleich, (wie am Modell sichtbar gemacht)
1Einlaß- und 1Auslaßventil betätigt werden können.
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Hierzu ist Jedoch ein Verteilerstück von der Öldruckleitung des Steueraggregats
zu den Ventildrucksegmenten erforderlich, damit die Ventile gleichzeitig geöffnet
und geschlossen werden. Dieses ist aber nur bei Motoren möglich, deren Steuerzeiten
des jeweiligen Ein- und Auslaßventils in etwa gleich sind, also bei nicht zu schnell
laufenden Motoren. Bei Hochleistungsmotoren sind für jedes Ventil einzelne Öldruckleitungen
vom Ventilsteueraggregat zum Ventildruck" segment erforderlich. Hierdurch ist bei
dem Ventilsteueraggregat eine Änderung der Steuerkanäle nötig, und deren Anzahl
bei 8 Ventilen auf diese Zahl zu erhöhen und den Öffnungsgraden der' Ventile anzupassen.
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Um den Verschleiß an den Ventilsteuerkanälen und den Steuerscheiben
möglichst gering zu halten, kann die Drehzahl des Ventilsteueraggregats durch Anordnung
mehrerer Ventilsteuerkanälen beliebig verringert werden. So z.B. ersichtlich bei
dem mitgeliefertem Modell 2, wo für einen Vierzylindermotor statt 4 bzw. 8 Steuerkanäle,
32 Steuerkanäle angeordnet sind. Dieses verringert die Drehzahl des Ventilsteueraggregats
um das 4fache der Kurbelwellendrehzahl, so z.B. bei 4000 Kurbelwellenumdrehungen
pro Minute sind nur 1000 Umdrehungen des Ventilsteueraggregats erforderlich.
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Das Ventilsteueraggregat kann somit Je nach Erfordernis umkonstrulert
werden. Es können ebenso bei z.B. 12Zylinder-Motoren mehrere Steuerscheiben eingebaut
werden, wobei das Ventilsteueraggregat dementspreehend umkonstruiert wird.
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c) Antriebsweise: Der von einer Öldruckpumpe erzeugte Öldruck wird
in die Hauptöldruckkammer des Ventilsteueraggregats geleitet.
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Von hier aus gelangt das Ö1 durch den Steuerkanal in die Steuerscheibe
I, durch einen Ölkanal (Hohlführungsbolzen) zur Steuerscheibe II, die das Ö1 in
den Jeweils freien Ö1-kanal des Ventildruckgehäuses zu den Jeweiligen Ventildrucksegmenten
leitete Nach Überschneisden des Öldruckkanals durch die Drehzahl der Steuerscheibe
II im Ventildruckgehäuse (Verteilergehäuse) ist in der Steuerscheibe II eine bldrücklaufbohrung
enthalten, die sofort den Setzt nicht mehr benötigten Öldruck im Ventildrucksegment
entweichen läßt; dadurch wird das eben geöffnete Jeweilige Ventil sofort wieder
durch die Ventilrückzugfeder geschlossen0 Das nicht mehr benötigte Öl wird durch
die Bohrung in der Steuerscheibe II in das Ven-" tildruckgehäuse geschleudert; von
wo es durch'd'enfÖlrücklauf-' anschluß zur Jeweiligen Ölwanne zurückfließen kann.
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Es ist evtlO ein Ölüberdruckventil in der Rücklaufbohrung der Steuerscheibe
II einzubauen, damit nicht zu viel Ö1 aus der Leitung bzw0 aus dem Ventildrucksegmene
entweSichen kann0 Dieses Ölüberdruckventil muß Jedoch so- ausgebildet werden, daß
der Öldruck gan; aus dem Ventildrucksegment entweichen kann, damit das jeweilige
Ventil ganz geschlossen wird und keine Ventilschäden durch die Verbrennung entstehen
können.
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Um einen möglichst gleichmäßigen Öldruck in der Hauptöldruckkammer
des Ventilsteueraggregats zu erhalten, ist es evtl.
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erforderlich, eine Öldruckausgleichkammer vor dem Öleintritt in der
Hauptöldruckkammer zu verwenden.
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De,r Jeweils benötigte Öldruck, richtet sich nach der Stärke der
Ventilfedern.
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d) Erforderliche Abdichtungen der rotierenden Steuerscheiben I und
II in dem Gehäuse des Ventilsteueraggregats und anderer Teilet In dem Ventilsteueraggregat
sind Jeweils zwei auswechselbare plangeschliffene Schleifplatten eingeschränkt,
in den ebenfalls die Jeweils erforderlichen Steuerkanäle enthalten sind, damit bei
dem entstehenden Verschleiß das Gehäuse nicht beschädigt wird.
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Die Steuerscheiben I und II werden durch eine Spiralfeder gegen die
Schleifplatten gedrückt, damit das Öl nur durch die Steuer" bohrungen in den Steuerscheiben
entweichen kann und der erforderliche Öldruck erhalten bleibt, Die Spiralfeder zwischen
den Steuerscheiben muß die Druckstärke des Öles übertreffen um somit eine möglichst
gute Abdichtung zu erreichen. Das ohnehin für die Schmierung (Ölfilm) erforderliche
Öl, kann in das Gehäuse des Ventilsteueraggregats entweichen und somit ebenfalls
durch den Rücklaufanschluß abfließen Es ist evtlO ratsam, zusätzliche Dichtringe
bei den Steuerscheiben an deren Dichtungsflächen zu verwenden, (siehe Zeichnung
Blatt 2 u. 3) damit möglichst wenig vom Öldruck verloren gehtp Es können auch andere
Dichtungsmöglichkeiten verwendet werden, ebenso statt einer Druckfeder zwischen
den Steuerscheiben I und II eine andere Druckmöglichkeit, z.B. nach dem Steuerkettenspanner
sich selbst durch Bewegungen auseinanderdrückenden über einen Hebelarm arbeitenden
Spannungssystem, wobei durch ständig zulaufendes Öl der Druck entsteht. Um ein möglichst
stabiles, und nicht in sich selbst arbeitendes Ventilsteueraggregat zu erhalten,
sind die beiden Steuerscheiben mit z0B0 4 schwimmenden Passbolzen (siehe Zeichnung
Blatt 3)verbunden, wobei der eine, wie in Zeichnung Blatt 2 bzw. Modell 1 hohl ist
und als Steuerkanal benutzt wird.
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Die Passbolzen sind gegebenenfalls mit Diohtungsringen zu versehen
und mit Sprengringen zu sicheren, damit die Steuerkanäle nicht beschädigt werden
können.
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Zum Abdichten der Antriebswelle sind jeweils vor den zur Lagerung
verwendeten Kugel- oder Rollenlagern Simmerringe zu verwenden damit kein Öl außerhalb
des Gehäuses gelangen kann.
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3.) Ventildrucksegment und dessen Arbeitsweise: a) Bauart der Ventildrucksegmente:
siehe Zeichnung Blatt 1 und 5 sowie Modell 3 Das Ventildrucksegment besteht aus
folgenden Teilen: 1.) dem Träger mit Befestigungssockel und den benötigten Bohrungen
2.) der Druckbolzenführung und deren Bohrungen für die tberdruckkanäle undder Öldruckzulaufbohrung
3.) dem Druckbolzen (Kolben) mit Ventilspieleinstellschrauben
4.)
einem Gewindering (evtlO Sichenmgsblech) 5.) einer Anschlagschraube für Druckbolzenführung
(evtl. mit Dichtring) 6.) dem Druckanschluß der Ölleitung b) Arbeitsweise der Ventildrucksegmente:
Durch den jeweils gesteuerten Öldruck des Ventilsteueraggregats auf die einzelnen
Ventildrucksegmente erfolgt das Öffnen der Ventile zu dem erwünschten Zeitpunkt.
Das durch Druckleitungen fließende Öl gelangt durch die Bohrung in dem Träger zu
der Druckbblzenführung worauf das Öl durch den vorhandenen Druck den Druckbolzen
nach unten drückt, damit die Ventile nicht zu tief gedrückt werden, sind in dem
Trägerkopf und in der Druckbolzenführung Überdruckkanäle bzw. Bohrungen vorhanden.
Der Druckbolzen (Kolben) kann nur soweit das jeweilige Ventil öffnen bis der Druckbolzen
die Überdruckkanäle freigibt. Das überflüssige 01 fließt nun durch die Überdruckkanäle
auf den darunterliegenden Ventilteller bzw. Ventilschaft0 Um die Schmierung des
Ventilschaftes in dessen Führung zu ermöglichen, muß das überschüssige Öl hierzu
verwendet werden1 und die benutzte 01druckpumpe diesen Ölüberschuß ebenfalls fördern
und dementsprechned förderstark ausgebildet sein.
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Das Spiel zwischen der Druckbolzenführung und dem Druckbolzen (Kolben)
darf nicht zu groß sein, da sonst ein Druckverlust entstehen kann und somit die
Ventile nicht mehr weit genug geöffnet werden0 Da der Druckbolzen aber nur in Öl
arbeitet, ist die Abnutzung sehr gering und die Lebensdauer dementsprechend lang.
Ein evtl. schnelles auswechseln der Druckbolzen und dessen Führung durch zu großer
Abnutzung ist möglich. Die Teile sollen so gebaut werden, daß die Reparaturkosten
sehr niedrig gehalten werden können.
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Die Anschlagschraube auf dem Träger hat außerdem den Zweck, nach
dessen Entfernung ein Ölmanometer dort anschließen zu können, um bei längerer Laufzeit
feststellen zu können, ob ein Leistungsabfall bei dem Jeweiligen Öldruck in der
Ventilsteueranlage während des Laufens festzustellen ist.
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Ebenso muß durch einen besonderen kleinen Meßstab nach entfernen
der Anschlagschraube das Ventilspiel zwischen Öberdruckkanälen und Druckbolzen (bei
abgestelltem Motor) festgestellt werden, gegebenenfalls
eingestellt
werden. Das Ventilspiel kann sich aber kaum wesentlich verstellen, da das Öl sich
dem Druck der Ventilfeder bei öffnen der Rücklaufbohrung in der Steuerscheibe II
des Ventilsteueraggregats anpaßt.
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Die Größe der Druckbolzenführung und des Druckbolzens muß bei der
jeweiligen Konstruktion genauestens berechnet werden und soll möglichst gering gehalten
werden, da die benötigte Ölmenge sonst zu groß wird, (siehe Beispiel Blatt 7 der
Zeichnungen)0 c) Ventildrucksegmente bei Verwendung von einer gesonderten Hydraulikölanlage:
Hierzu ist eine besondere Ölrücklaufleitung erforderlich, so daß die Ventildrucksegmente
an diese angeschlossen werden können und besonders abgedichtet werden müssen, Die
Schmierung der Ventile erfolgt dann durch eine kleine Leitung mit Jeweils einer
Bohrung über dem Ventilschaft bzw.
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Teller, die an dem Motorölkreislauf angeschlossen ist.