AT508871B1

AT508871B1 - Variabler ventiltrieb mit verstellbaren nockenwellenantrieb und kipphebeln

Info

Publication number: AT508871B1
Application number: ATA1613/2009A
Authority: AT
Inventors: Franz Ing Kutschi
Original assignee: Franz Ing Kutschi
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2012-12-15
Also published as: AT508871A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb mit einem verstellbaren Nockenwellenantrieb und Kipphebeln für die Ventilsteuerung von Verbrennungskraftmotoren, wobei für die variable Ventilsteuerung eines Zylinders ein Einlasskipphebel (1, 19) zum Öffnen bzw. Schließen eines Einlassventils (2) und ein Auslasskipphebel (3, 28) zum Öffnen bzw. Schließen eines Auslassventils (4) gemeinsam in einem Mehrfachgelenklager (5, 29), als Verbindungsstruktur zwischen dem Einlasskipphebel (1) und dem Auslasskipphebel (3, 18) und dem Befestigungsbolzen (26), gelagert sind, und die Betätigung des Einlasskipphebels (1, 19) und Auslasskipphebels (3, 18) durch eine elektromotorisch angetriebene Nockenscheibe (15) erfolgt.

Description

österreichisches Patentamt AT 508 871 B1 2012-12-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen variablen Ventiltrieb mit einem verstellbaren Nockenwellenantrieb und Kipphebeln für die Ventilsteuerung von Verbrennungskraftmotoren.

[0002] Aus der DE 103 58 936 A1 ist ein elektrischer Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor bekannt, der auf dem Drehaktuatorprinzip beruht. Ein axial verschieblich angeordnetes Ventil wird durch eine Schließfeder in der Schließstellung vorgespannt. Am Schaftende des Ventils ist ein Kipphebel angeordnet. Ferner ist eine Steuerwelle mit einem auf dem Kipphebel wirkenden Nocken vorgesehen. Zum Antrieb der Steuerwelle ist ein Elektromotor vorgesehen. Dieser Ventiltrieb ist jedoch lediglich zum Öffnen bzw. Schließen eines einzigen Ventils je Zylinder des Verbrennungsmotors geeignet. Aus der GB 837,665 ist ein Ventilmechanismus bekannt, bei welchem zwei Kipphebel jeweils in einem eigenen Kugellager gelagert sind. In der US 4,686,945, GB 2 448 326 A, GB 2 448 326 A und GB 2 082 718 A sind weitere Ventilvorrichtungen offenbart, bei welchen zur Lagerung von Kipphebeln separate Lager vorgesehen sind. In konventionellen Verbrennungsmotoren erfolgt die Steuerung der Ein - und Auslassventile über eine Nockenwelle welche mit der halben Kurbelwellendrehzahl dreht, wobei zur Verbesserung der Gas Wechselprozesse variable Ventilsteuerungen entwickelt wurden. Bei den bekannten variablen Ventilsteuerungen handelt es sich um Systeme welche eine Variabilität am Nockenwellenantrieb oder eine Variabilität zwischen Nocken und Ventil aufweisen. Nockenwellen - Verstelleinrichtungen mit einer Variabilität am Nockenwellenantrieb mit mechanischer, hydromechanischer und hydraulischer Funktionsweise sind bekannt. Da mechanische Winkelverstelleinrichtungen sehr aufwendig und störanfällig sind, haben sich die hydraulischen stufenlos wirkenden Nockenwellenversteller nach dem Flügelzellenprinzip und dem hydraulischen Kettenspannprinzip durchgesetzt. Nachteilig an diesen Systemen ist, dass durch die hohen Anforderungen nach Reduzierung der Schadstoffe und des Kraftstoffverbrauchs hauptsächlich Motoren mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen je Zylinder sowie mit einer oder zwei obenliegenden Nockenwellen gebaut werden. Dadurch müssen die Zylinderköpfe immer aufwendiger und höherwertiger gebaut werden. Dies schlägt sich auf die hohen Herstellkosten und auf das Motorgewicht nieder. Zur Kostenreduzierung dieser aufwendigen Bauarten sind auch Ausführungen bekannt wo nur die Einlassventile durch variable Nockenwellenversteller gesteuert werden. Ventilsteuerungen mit einer Variabilität zwischen Nocken und Ventil mit elektromagnetischer oder elektromotorischer Funktionsweise sind weiters bekannt. Elektromagnetische Aktuatoren mit Umschwingprinzip und Hybridschrittmotoren weiche auf den Ventilschaft wirken, haben sich nicht durchgesetzt, da die erforderlichen Kräfte nicht oder nur mit großen Aufwand erreicht werden können. Vollvariable elektromotorische Ventilsteuerungen mit Linearmotoren und rotatorischen Aktuatoren wurden vom Institut für Automatisierung der Hochschule Harz entwickelt. Nachteilig an den plattenförmigen Linearmotoren (Moving - Magnet - Prinzip) ist, dass diese immer nur für ein Ventil angewendet werden können und dadurch viel Platz benötigen. An den plattenförmigen rotatorischen Aktuatoren ist es Nachteilig, dass diese nur Zylinderübergreifend angewendet werden können. Auf Grund begrenzter Ressourcen und immer strenger werdenden Emisionsrichtlinien sind zukünftig Motoren mit variabler oder vollvariabler Ventilsteuerung unumgänglich. Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen variablen oder vollvariablen zylinderbezogenen Ventiltrieb zu schaffen, der die oben erwähnten Nachteile in einfacher und kostengünstiger Weise beseitigt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ventiltrieb gemäß Anspruch 1 vorgesehen, wonach für die variable Ventilsteuerung eines Zylinders, der Einlasskipphebel und der Auslasskipphebel gemeinsam in einem Mehrfachgelenklager, als Verbindungsstruktur zwischen den Einlasskipphebel und dem Auslasskipphebel und dem Befestigungsbolzen, gelagert sind, und die Betätigung des Einlasskipphebels und Auslasskipphebels durch eine elektromotorisch angetriebene Nockenscheibe erfolgt. Dadurch ergibt sich der erfindungsgemäße Vorteil, dass durch eine neue Verbindungsstruktur zwischen Kipphebeln und Befestigung und einem elektromotorischen Antrieb einer Nockenscheibe, eine Platz sparende und Kostengünstige variable oder vollvariable zylinderbezogene Ventilsteuerung möglich ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der 1 /7 österreichisches Patentamt AT 508 871 B1 2012-12-15

Einlasskipphebel und der Auslasskipphebel aus Blech gelenkbildend ausgeführt sind und mit einem Innenring das erfindungsgemäße Mehrfachgelenklager bilden.

[0003] Dadurch wird ein Höchstmass an Gewichtseinsparung und Gestaltungsmöglichkeit für alle in Frage kommenden Zyliderkopfausführungen gewährleistet. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Auslasskipphebel eine radial angeordnete Kugelpfanne, der Einlasskipphebel eine radial angeordnete Kugelkalotte und eine Kugelpfanne, und das der Innenring eine radial angeordnete Kugelkalotte aufweisen, und dass die Einlas - und Auslasskipphebeln je einen Nockentaster und je eine oder mehrere Ventilbetätigungen mit seitlichen Führungslappen aufweisen. Wodurch eine kostengünstige Herstellung der Einlas -und Auslasskipphebeln durch Kaltumformung von Blech oder eines nahtlosen Rohres möglich ist. Weiters ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Kugelpfannen, Kugelkalotten, Nockentaster, Aktuatortaster, die Ventilbetätigungen sowie die Führungslappen beschichtet ausgeführt sind wodurch Lagerbüchsen entfallen und optimale Gleitpaarungen mit hoher Lebensdauer gebildet werden können. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht dann, wenn die Einlass -und Auslasskipphebeln aus einem Leichtmetall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff ausgeführt sind und Gleitelemente aufweisen, sodass zur Gewichtsreduzierung die heute vorhandenen hochwertigen Leichtmetalle, Kunststoffe und Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden können. Als weiter vorteilhaft erweist es sich beim Einsatz von Leichtmetall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoffen, wenn der Einlasskipphebel an einem Zwischenring und der Auslasskipphebel an einem Außenring des erfindungsgemäßen Mehrfachgelenklagers angeordnet sind. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht dann, wenn die zylinderbezogene Nockenscheibe elektromotorisch, vorzugsweise mit einem Schrittmotor, Servomotor oder einem Aktuator angetrieben wird und ein variables öffnen und schließen der Einlass - und Auslassventile durch eine vorgegebene Beschleunigung oder Verzögerung der vorgegebenen Drehbewegung der Nockenscheibe erfolgt, wodurch eine zylinderbezogene variable Ventilsteuerung gewährleistet wird.

[0004] Erfindungsgemäß ist für eine vollvariable Ventilsteuerung vorgesehen, dass der Einlasskipphebel und der Auslasskipphebel durch einen Aktuatorkipphebel betätigt werden, wodurch die Ein - und Auslassventile variabel geöffnet und geschlossen werden können und auch der Ventilhub variabel ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung besteht in der flexiblen radialen oder axialen Anordnung der elektromotorischen Antriebe mit der erfindungsgemäßen Nockenscheibe. Für die einfache Einstellung des erforderlichen Ventilspiels ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Innenring und dem Befestigungsbolzen Distanzscheiben und zwischen den elektromotorischen Antrieben und der Auflage am Ventilkopf auch Distanzscheiben vorgesehen sind. Für den Umbau vorhandener Motorkonzepte erweist es sich als sehr vorteilhaft, dass die erfindungsgemäßen Ein - und Auslasskipphebeln mit einer durch Zahnriemen oder Steuerketten angetriebenen obenliegenden Nockenwelle betätigt werden können. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass zur Regelung und Steuerung der elektromotorischen Antriebe hochwertige bestehende Regel - und Steuermodule verwendet werden können.

[0005] Bevorzugte nicht einschränkende Ausführugsformen der vorgelegten Erfindung werden beispielshalber und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung: [0006] Fig. 1 einen variablen Ventiltrieb erster Ausführungsform im Längsschnitt.

[0007] Fig. 2 einen variablen Ventiltrieb zweiter Ausführungsform im Längsschnitt.

[0008] Fig. 3 einen vollvariablen Ventiltrieb dritter Ausführungsform im Längsschnitt.

[0009] Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist der erfindungsgemäße variable Ventiltrieb im Wesentlichen ein Mehrfachgelenklager (5) bestehend aus einem Innenring (9), den gelenksbildenden Einlasskipphebel (1) und Auslasskipphebel (3) sowie einen radial zum Befestigungsbolzen (26) angeordneten elektromotorischen Antrieb (14) mit drehfest verbundener Nockenscheibe (15) auf. 2/7 österreichisches Patentamt AT 508 871 B1 2012-12-15 [0010] Es ist weiters ersichtlich, dass der Auslasskipphebel (3) eine radial angeordnete Kugelpfanne (6), der Einlasskipphebel (1) eine radial angeordnete Kugelkalotte (7) und eine Kugelpfanne (8), und das der Innenring (9) eine radial angeordnete Kugelkalotte (10) und die Nockenscheibe (15) eine Einlassnocke (17) und eine Auslassnocke (16) aufweisen. Wie dargestellt werden das Einlassventil (2) und das Auslassventil (4) durch die Ventilbetätigungen (11) und Nockentaster (12) der Einlasskipphebel (1) und Auslasskipphebel (3) und durch eine verzögerte oder beschleunigte Drehbewegung der Nockenscheibe (15) variabel geöffnet und geschlossen. Wie dargestellt wird durch verändern der zwischen den Innenring (9) und dem Befestigungsbolzen (26) angeordneten Distanzscheibe (13) das Ventilspiel eingestellt.

[0011] Fig.2 zeigt den erfindungsgemäßen variablen Ventiltrieb in einer Leichtmetall - oder Kunststoffausführung, wobei ersichtlich ist, dass das Mehrfachgelenklager (29) aus einem Innenring (31), einem Zwischenring (22) und einem Außenring (23) besteht und das der Einlasskipphebel (19) am Zwischenring (22) und der Auslasskipphebel (18) am Außenring (22) angeordnet ist. Es ist weiters ersichtlich, dass der Einlasskipphebel (19) und der Auslasskipphebel (18) für die Nockentastung die Gleitelemente (20) und für die Ventilbetätigung die Gleitelemente (21) aufweisen. Wie dargestellt sind für die Ventilspieleinstellung am radial zum Befestigungsbolzen (26) angeordneten Elektromotorischen Antrieb (14) die Distanzscheiben (25) zusätzlich angeordnet. Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltrieb in einer Blechausführung, wobei ersichtlich ist, dass radial zum Befestigungsbolzen (26) ein rotatorischer Aktuator (28) mit einem drehfest verbundenen Aktuatorkipphebel (27) angeordnet ist, und dass das Einlassventil (2) und das Auslassventil (4) durch die am Einlasskipphebel (1) und Auslasskipphebel (3) angeordneten Aktuatortaster (30) und Ventilbetätigungen (11) vollvariabel geöffnet und geschlossen werden. BEZUGSZEICHENLISTE: (1) Einlasskipphebel (2) Einlassventil (3) Auslasskipphebel (4) Auslassventil (5) Mehrfachgelenklager (6) Kugelpfanne (7) Kugelkalotte (8) Kugelpfanne (9) Innenring (10) Kugelkalotte (11) Ventilbetätigung (12) Nockentaster (13) Distanzscheibe (14) Elektromotorischer Antrieb (15) Nockenscheibe (16) Auslassnocke (17) Einlassnocke (18) Auslasskipphebel (19) Einlasskipphebel (20) Gleitelement (21) Gleitelement (22) Zwischenring (23) Außenring (24) Führungslasche (25) Distanzscheibe (26) Befestigungsbolzen (27) Aktuatorkipphebel (28) Aktuator (29) Mehrfachgelenklager (30) Aktuatortaster (31) Innenring 3/7

Claims

österreichisches Patentamt AT 508 871 B1 2012-12-15 Patentansprüche 1. Variabler Ventiltrieb mit einem verstellbaren Nockenwellenantrieb und Kipphebeln für die Ventilsteuerung von Verbrennungskraftmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass für die variable Ventilsteuerung eines Zylinders ein Einlasskipphebel (1, 19) zum Öffnen bzw. Schließen eines Einlassventils (2) und ein Auslasskipphebel (3, 28) zum Öffnen bzw. Schließen eines Auslassventils (4) gemeinsam in einem Mehrfachgelenklager (5, 29), als Verbindungsstruktur zwischen dem Einlasskipphebel (1) und dem Auslasskipphebel (3, 18) und dem Befestigungsbolzen (26), gelagert sind, und die Betätigung des Einlasskipphebels (1, 19) und Auslasskipphebels (3, 18) durch eine elektromotorisch angetriebene Nockenscheibe (15) erfolgt.
2. Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskipphebel (1, 19) und der Auslasskipphebel (3, 18) in einem gemeinsamen Drehpunkt gelagert sind.
3. Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskipphebel (1) und der Auslasskipphebel (3) aus Blech gelenksbildend ausgeführt sind und mit einem Innenring (9) das Mehrfachgelenklager (5) bilden.
4. Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskipphebel (3) eine radial angeordnete Kugelpfanne (6), der Einlasskipphebel (1) eine radial angeordnete Kugelkalotte (7) und eine Kugelpfanne (8), und ein Innenring (9) eine radial angeordnete Kugelkalotte (10) aufweisen.
5. Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskipphebel (1) und der Auslasskipphebel (3) je einen Nockentaster (12) und je eine oder mehrere Ventilbetätigungen (11) mit seitlichen Führungslappen (24) aufweisen.
6. Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskipphebel (19) und der Auslasskipphebel (18) aus Leichtmetall, Kunststoff oder einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
7. Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskipphebel (19) und der Auslasskipphebel (18) Gleitelemente (20) und (21) aufweisen.
8. Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskipphebel (19) am Zwischenring (22) und der Auslasskipphebel (18) am Außenring (23) des Mehrfachgelenklagers (29) angeordnet sind.
9. Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zylinderbezogene Nockenscheibe (15) elektromotorisch, vorzugsweise mit einem Schrittmotor, Servomotor oder einem Aktuator (14), angetrieben wird.
10. Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskipphebel (1) und der Auslasskipphebel (3) durch einen Aktuatorkipphebel (27) eines rotatorischen Aktuators (28) betätigt werden. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7