DE102005012081B4

DE102005012081B4 - Variable mechanische Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005012081B4
Application number: DE102005012081.4A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Volpert Bastian; Prof. Dr.-Ing. Flierl Rudolf; Dipl.-Ing. Mohr Mark
Original assignee: Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: DE102005012081A1

Abstract

Variable mechanische Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine mit einer untenliegenden Nockenwelle (1) zur Einstellung eines Ventilhubes und einer Öffnungs-, Schliess- und Steuerzeit mindestens eines Gaswechselventils (19), wobei mittels der Nockenwelle (1) über mindestens eine Stößelstange (9) und ein Übertragungsgetriebe angetriebene Kipp- oder Schwinghebel (16) das mindestens eine Gaswechselventil (19) betätigen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenhebel (11) über ein Gelenk (10) mit der Stößelstange (9) so verbunden ist, dass der auf einer fest stehenden Achse (12) drehbar gelagerte Zwischenhebel (11) durch die Nockenwelle (1) angetrieben bewegbar ist, wobei über eine Arbeitskurve (13) der Kipp- oder Schwinghebel (16) bewegbar ist, über den das mindestens eine Gaswechselventil (19) geöffnet und/oder geschlossen wird, und wobei an einem an der Stößelstange (9) vorgesehenen Stößel (6) eine Exzenterwelle (5) zur Verstellung der Phasenlage, des Hubes, und der Öffnungszeit des Gaswechselventils (19) bei gleichzeitiger spielfreier Verstellung vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine variable mechanische Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine mit einer untenliegenden Nockenwelle zur Einstellung eines Ventilhubes und einer Öffnungs-, Schliess- und Steuerzeit mindestens eines Gaswechselventils, wobei mittels der Nockenwelle über mindestens eine Stößelstange und ein Übertragungsgetriebe angetriebene Kipp- oder Schwinghebel das mindestens eine Gaswechselventil betätigen als Zusatz zur DE 10 2005 010 182.8 .
Unter der gleichen Ausgangsproblematik, die in der Hauptanmeldung beschrieben ist, dass bei den bekannten variablen mechanischen Ventiltrieben mit beispielsweise untenliegender Nockenwelle in üblicher Weise weder die Steuerzeit noch der Ventilhub oder die Ventilöffnungsdauer stufenlos variiert werden kann, und diese Ventiltriebe einen zusätzlichen Hebel verwenden, der die Bewegung der Stoßstange auf ein Zwischenglied überträgt, welches für die Variabilität der Ventilhubkurven verantwortlich ist, und dass dieses Zwischenglied sehr aufwendig geführt oder gelagert wird, so das sich mehr Bauteile und Gelenkt bzw. Kontaktstellen ergeben und dadurch eine größere Toleranz- sowie eine Steifigkeitsproblematik und zusätzlich höhere Systemkosten entstehen (siehe hierzu beispielsweise DE 103 14 683 A1 ), wird zum Zwecke der dort beschriebenen Aufgabenstellung als konkretisierte Lösung vorgeschlagen, dass ein Zwischenhebel über ein Gelenk mit einer Stößelstange so verbunden ist, dass der auf einer fest stehenden Achse drehbar gelagerte Zwischenhebel durch eine Nockenwelle angetrieben bewegbar ist, wobei über eine Arbeitskurve der Kipp- oder Schwinghebel bewegbar ist, über den das mindestens eine Gaswechselventil geöffnet und/oder geschlossen wird, und wobei an einem an der Stößelstange vorgesehenen Stößel eine Exzenterwelle zur Verstellung der Phasenlage, des Hubes, und der Öffnungszeit des Gaswechselventils bei gleichzeitiger spielfreier Verstellung vorgesehen sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung wird darin gesehen, dass gegenüber der Hauptanmeldung eine feststehende Achse für den Zwischenhebel vorgesehen ist, wodurch im Vergleich zur Hauptanmeldung der Zwischenhebel nicht durch mehrere Kontakte geführt ist, was Vorteile für die Ventiltriebsdynamik bringt. Außerdem reduziert sich durch diese Führung auf einer Achse die Zahl der Bauteile und damit die bewegte und nicht bewegte Masse im Ventiltrieb sowie die Bauhöhe des Ventiltriebes.
Vorteilhaft ist die Exzenterwelle über einen Anlenkpunkt mit dem Stößel verbunden.
In vorteilhafter Weise ist der Stößel zumindest zusätzlich als Schwinghebel ausgebildet.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Zwischenhebel über die Arbeitskurve ein Zwischenglied bewegt, über das mindestens ein Gaswechselventil betätigt wird und dass die Ventilhübe, die Ventilöffnungszeit und die Phasenlage des Hubmaximums in einem bestimmten Abhängigkeitsverhältnis zueinander veränderbar sind.
Für einige Ausführungsformen des mechanisch variablen Ventiltriebs ist es vorteilhaft, dass die fest stehenden Achsen für benachbarte Zwischenhebel nicht zueinander-fluchtende Positionslagen im Zylinderkopf aufweisen.
Bei Zylinderköpfen insbesondere für Dieselmotoren ist es vorteilhaft, dass die Zwischenhebel und die Hebel von benachbarten Gaswechselventilen im Zylinderkopf unterschiedliche Geometrien bezüglich der fest stehenden Achse im Zylinderkopf aufweisen. Damit können insbesondere bei Ventiltrieben mit Ein- und Auslasskanälen, die für Drallbewirkung relativ zur Längsachse des Zylinderkopfes nicht symmetrisch ausgeführt sind, die Antriebsmittel des variablen Ventiltriebs für die Gaswechselventile den Geometrieverhältnissen der Gaswechselkanäle angepasst werden, wodurch unterschiedliche Hebelgeometrien vorteilhaft sind.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass für den Kraftschluss des Übertragungsgetriebes an den Hebeln je nach Geometrie die Federn entfallen oder dass für den Kraftschluss des Übertragungsgetriebes an den Zwischenhebeln oder am Stößel je nach Geometrie Federn vorgesehen sind. Ein weiterer großer Vorteil der neuen variablen mechanischen Ventilsteuerung besteht darin, dass sowohl der Ventilhub, die Ventilöffnungszeit als auch die Phasenlage des Hubmaximums in einem bestimmten Abhängigkeitsverhältnis zueinander spielfrei veränderbar sind. Je nach Lage der Längsachse der Stößelstange in Relation zur Mittelachse der Nockenwelle kann bei variabler Verstellung des Stößels oder eines entsprechend gestalteten vorgesehenen Schwinghebels das Maximum der variablen Ventilhubkurvenschar in der Phase verschoben werden.
Wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen in der kompakten Gestalt des Übertragungsgetriebes, dass zwischen Nockenantrieb und Ventilbetätigung insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit untenliegender Nockenwelle angeordnet ist. Weiterhin wird durch die Kopplung des Gelenkes am Zwischenhebel mit der Stößelstange ein vollvariabler Ventiltrieb erzielt, bei dem die Anzahl der Bauteile des Übertragungsgetriebes sehr gering ist und durch die geringe Anzahl der Bauteile die Systemreibung des Übertragungsgetriebes minimiert wird. Das dynamische Verhalten des Ventiltriebs wird durch Wegfall von Kontaktstellen optimiert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen bestehen darin, dass auch für die neue technische Lösung einfach die Option für einen sekundären Nocken gegeben ist.
Eine weitere reibungsminimierte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die fest stehende Achse des Zwischenhebels wälzgelagert ist, um einen reibungsarmen Betrieb des Übertragungsgetriebes vorzusehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten, in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines variablen Ventiltriebs eines Gaswechselventils mit untenliegender Nockenwelle in Seitenansicht;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines variablen Ventiltriebs eines Gaswechselventils mit untenliegender Nockenwelle in Seitenansicht;
3 ein Ausführungsbeispiel einer Ventilhubschar des variablen Ventiltriebes mit konstantem Ventilöffnungszeitpunkt;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventilhubschar des variablen Ventiltriebes mit konstantem Ventilschließzeitpunkt.

1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel einen variablen Ventiltrieb, bestehend aus einer Nockenwelle 1, einem Stößel 6, einer Stößelstange 9, einem Übertragungsgetriebe mit einem Gelenk 10, über den ein Zwischenhebel 11 mit der Stößelstange 9 so verbunden ist, dass der auf einer fest stehenden Achse 12 drehbar gelagerte Zwischenhebel 11 durch die Nockenwelle 1 angetrieben bewegbar ist und über eine Arbeitskurve 13 ein Hebel 16 bewegbar ist, über den die Gaswechselventile 19 geöffnet und/oder geschlossen werden.
Der Nockenhub wird gemäß 1 über den Stößel oder Schwinghebel 6 und eine gelenkig, mit dem Stößel oder Schwinghebel 6 verbundene Stößelstange 9 über das Gelenk 10 auf den Zwischenhebel 11 übertragen, wobei der Stößel oder Schwinghebel 6 auch als reiner Schwinghebel vorgesehen ist. Sowohl der Stößel als auch der Schwinghebel 6 können entweder über einen Gleit- oder einen Rollenkontakt mit einem Nocken der Nockenwelle 1 in Berührung stehen. Die Stößelstange 9 ist über ein Kugel-, Dreh-, Drehschubgelenk als Gelenk oder Kontakt 8 mit dem Stößel 9 verbunden. Ausgelenkt durch den Nockenhub der Nockenwelle 1 oder eines Sekundärnockens 2 schwenkt der Zwischenhebel 11 um die fest stehende Achse 12, so dass eine an einem Hebel 16 drehbar gelagerte Hebelrolle 14 auf einer Arbeitskurve 13 des Zwischenhebels 11 abläuft.
Über die Verstellung einer Exzenterwelle 5 mit ihrem Anlenkpunkt 7 wird die Stößelstange 9 bewegt und mit dieser der Zwischenhebel 11 relativ um die fest stehende Achse 12 geschwenkt und somit die Relativposition des Zwischenhebels 11 und dessen Arbeitskurve 13 zur Hebelrolle 14 geändert. Abhängig von dieser Positionierung kommen unterschiedliche Bereiche der Arbeitskurve 13 mit der Hebelrolle 14 in Kontakt. Befindet sich die Hebelrolle 14 in Kontakt mit dem Nullhubbereich der Arbeitskurve 13 wird, trotz Schwenken des Zwischenhebels 11, keine Bewegung des Hebels 16 erzeugt und somit auch nicht ein Gaswechselventil 19 betätigt. Befindet sich die Hebelrolle 14 in Kontakt mit dem Hubbereich der Arbeitskurve 13, wird der Hebel 16 und mit ihm auch das Gaswechselventil 19 betätigt. Je länger die Hebelrolle 14 durch Verstellung des Zwischenhebels 11 auf dem Nullhubbereich abrollt, desto kürzer rollt sie im Hubbereich und desto kleiner wird der Ventilhub bis hin zum Nullhub, wenn nur der Nullhubbereich der Arbeitskurve 13 während des Nockenhubes abgefahren wird. Außerdem verkürzt sich symmetrisch zum maximalen Nockenhub die Öffnungszeit des Ventils. Durch die Verschiebung der Position des Stößel oder Schwinghebel 6 zur der Mittelachse der Nockenwelle 3 verschiebt sich das Hubmaximum der Ventilhubkurvenschar je nach Verschiebungsrichtung zu einem früheren oder späteren Steuerzeitenzeitpunkt. Um einen Kraftschluss zwischen allen Bauteilen gewährleisten zu können, kann es notwendig sein Federn, wie z.B. Federn 15 einzufügen. Die Art, Anzahl und Positionierung der Federn 15 hängt von der Konfiguration und Auslegung des Übertragungsgetriebes ab, wobei für den Kraftschluss des Übertragungsgetriebes entweder an den Zwischenhebeln 11 oder am Stößel oder Schwinghebel 6 je nach Geometrie Federn 15 vorgesehen sind.
Je nach Lage und Anzahl der fest stehenden Achsen 12 fluchtend bzw. nicht fluchtend zueinander kommen unterschiedliche Geometrien der Zwischenhebel 11 und/oder Hebel 16 zum Einsatz. Insbesondere für Dieselmotoren sind damit die Freiheitsgrade zur Gestaltung der Gaswechselkanäle groß.
Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des variablen Ventiltriebs betätigt statt des Kipphebels 16 über die Hebelrolle 13 ein Zwischenglied 20, das mindestens zwei Gaswechselventile 19 betätigt. Das Zwischenglied kann als Ventilbrücke ausgebildet sein.
In 3 und 4 sind Ventilhubscharen für die Gaswechselventile 19 des variabeln Ventiltriebs mit dem Ventilbub über dem Nockenwinkel für verschiedene Ausführungsbeispiele der variablen Ventilsteuerung und Stellungen des Verstellelementes, das von dem Stößel oder Schwinghebel 6, der Exzenterwelle 5 und dem Anlenkpunkt 7 gebildet wird, dargestellt.
Je nach Lage der Achse des Stößels 6 bezogen auf die Mittelachse der Nockenwelle 3 stellt sich die Lage der Hubmaxima bzw. die Öffnungs- oder Schließzeitpunkte der Gaswechselventilerhebungen über dem Nockenwinkel dar. Die in 3 dargestellte Hubkurvenschar zeigt einen Gaswechselventilhubverlauf mit konstantem Ventilöffnungszeitpunkt und die in 4 dargestellte Hubkurvenschar stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des variablen Ventiltriebs mit konstantem Ventilschließzeitpunkt dar, wobei diese beiden Auslegungsergebnisse als Ausführungsbeispiele für die jeweilige erreichbare Variation der Ventilhubkurvenschar als Extrem-Auslegungen anzusehen sind, und Auslegungen zwischen diesen Gaswechselventilhubkurvenscharen sind ebenfalls darstellbar.
Bezugszeichenliste

1: Nocken
2: Sekundärnocken
3: Mittelelachse der Nockenwelle
4: Nockenfolger
5: Exzenterwelle
6: Stößel oder Schwinghebel
7: Anlenkpunkt
8: Gelenk oder Kontakt
9: Stößelstange
10: Gelenk
11: Zwischenhebel
12: Fest stehende Achse
13: Arbeitskurve
14: Hebelrolle
15: Feder
16: Kipp- oder Schwinghebel
17: Hebeldrehpunkt
18: Hydraulisches Ventilspielausgleichselement
19: Gaswechselventil
20: Zwischenglied

Claims

Variable mechanische Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine mit einer untenliegenden Nockenwelle (1) zur Einstellung eines Ventilhubes und einer Öffnungs-, Schliess- und Steuerzeit mindestens eines Gaswechselventils (19), wobei mittels der Nockenwelle (1) über mindestens eine Stößelstange (9) und ein Übertragungsgetriebe angetriebene Kipp- oder Schwinghebel (16) das mindestens eine Gaswechselventil (19) betätigen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenhebel (11) über ein Gelenk (10) mit der Stößelstange (9) so verbunden ist, dass der auf einer fest stehenden Achse (12) drehbar gelagerte Zwischenhebel (11) durch die Nockenwelle (1) angetrieben bewegbar ist, wobei über eine Arbeitskurve (13) der Kipp- oder Schwinghebel (16) bewegbar ist, über den das mindestens eine Gaswechselventil (19) geöffnet und/oder geschlossen wird, und wobei an einem an der Stößelstange (9) vorgesehenen Stößel (6) eine Exzenterwelle (5) zur Verstellung der Phasenlage, des Hubes, und der Öffnungszeit des Gaswechselventils (19) bei gleichzeitiger spielfreier Verstellung vorgesehen sind.
Variable mechanische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (5) über einen Anlenkpunkt (7) mit dem Stößel (6) verbunden ist.
Variable mechanische Ventilsteuerung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (6) zumindest zusätzlich als Schwinghebel ausgebildet ist.
Variable mechanische Ventilsteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenhebel (11) über die Arbeitskurve (13) ein Zwischenglied (20) bewegt, über das mindestens ein Gaswechselventil (19) betätigt wird.
Variable mechanische Ventilsteuerung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass fest stehenden Achsen (12) für benachbarte Zwischenhebel (11) nicht zueinander fluchtende Positionslagen im Zylinderkopf aufweisen.
Variable mechanische Ventilsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenhebel (11) und die Kipp- oder Schwinghebel (16) von benachbarten Gaswechselventilen (19) im Zylinderkopf unterschiedliche Geometrien bezüglich der fest stehenden Achsen (12) im Zylinderkopf aufweisen.
Variable mechanische Ventilsteuerung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kraftschluss des Übertragungsgetriebes an den Zwischenhebeln (11) oder am Stößel (6) je nach Geometrie Federn (15) vorgesehen sind.