DE102005040959A1

DE102005040959A1 - Hubvariabler Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005040959A1
Application number: DE200510040959
Authority: DE
Inventors: Franz Kreil
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-08
Also published as: EP1760278A3; EP1760278A2

Abstract

Hubvariabler Ventiltrieb (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern mit gleichwirkenden Gaswechselventilen (6), wobei jedem Zylinder zumindest eine Gaswechselventil-Betätigungseinheit (1') zugeordnet ist, bestehend aus einem Zwischenhebel (2), der einerseits schiebebeweglich auf einer Kulissenbahn (3') einer Kulisse (3) gelagert ist und andererseits eine Arbeitskurve (4) aufweist, wobei die Arbeitskurve (4) über ein Zwischenelement (5) mit einem Gaswechselventil (6) in Wirkverbindung steht, wobei eine erste Stellvorrichtung (7) zum Drehen des Zwischenhebels (2) um einen kulissennahen Punkt (8) gegen eine Federkraft eines Federelementes (9) vorgesehen ist, wobei der Zwischenhebel (2) mit einer zweiten Stellvorrichtung (10) entlang der Kulissenbahn (3a) verschiebbar ist, wobei die zweite Stellvorrichtung (10) zumindest einen ersten Einstellpunkt für einen Teilhub und zumindest einen zweiten Einstellpunkt für einen Vollhub des Gaswechselventils (6) aufweist und wobei die zweite Stellvorrichtung (10) einer Gaswechselventil-Betätigungseinheit (1') eines Zylinders einen dritten Einstellpunkt für einen Nullhub des Gaswechselventils (6) aufweist. DOLLAR A Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist in einfacher Art und Weise eine Zylinderabschaltung für eine Brennkraftmaschine realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen hubvariablen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie geht von der deutschen Patentanmeldung DE 101 23 186 aus. In dieser ist eine Ventiltriebsvorrichtung zur variablen Hubverstellung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine beschrieben. Bei der Ventiltriebsvorrichtung steht das Gaswechselventil unter Zwischenschaltung der Rolle eines Rollenschlepp- oder Rollenkipphebels mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung, der gaswechselventilseitig eine Steuerbahn mit einer Teilhubkurve und einer Hubkurve aufweist. Auf der dem Gaswechselventil abgewandten Seite ist der Schwenkhebel über eine Rolle auf einer Kulisse schiebebeweglich gelagert. Der Schwenkhebel ist einerseits kulissennah über diese Rolle von einer Stellvorrichtung entlang der Kulissenbahn verschiebbar, um einen Ventilhub einzustellen. Auf der der Stellvorrichtung abgewandten Seite steht der Schwenkhebel kulissenfern über eine zweite Rolle mit dem Nocken einer Nockenwelle in Wirkverbindung, zur Betätigung des Gaswechselventils, wobei die Gaswechselventilbetätigung gegen die Federkraft einer Feder erfolgt. Zur Erzielung einer rein rotatorischen Bewegung des Schwenkhebels um seinen Schwingdrehpunkt, den Rollenmittelpunkt der auf der Kulisse abgestützten Rolle, ist die Kulisse eine Kreisbahn mit einem Radius „R" um die Drehachse der Rolle des Rollenschlepp- oder Rollenkipphebels. Die beschriebene Ventiltriebsvorrichtung kann allen gleich wirkenden Gaswechselventilen (Einlass- und/oder Auslassgaswechselventilen) sämtlicher Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet werden.

Da der beschriebene Ventiltrieb keine Nachteile aufweist, liegt die Aufgabe darin, einen gattungsgemäßen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Zylinderabschaltung weiterzubilden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die zweite Stellvorrichtung einer Gaswechselventil-Betätigungseinheit eines Zylinders einen dritten Einstellpunkt für einen Nullhub des Gaswechselventils aufweist.

Wenn ohnehin ein bereits vollvariabler, mechanischer Ventiltrieb in der Brennkraftmaschine verbaut ist, ist der vorgeschlagene Mehraufwand zur Stilllegung definierter Gaswechselventile sehr gering. Somit ergibt sich ein äußerst effizienter Weg um auf einfachste Weise eine Zylinderabschaltung, d. h. die Stilllegung der Gaswechsel-Einlassventile eines Zylinders der Brennkraftmaschine, zu realisieren, da lediglich die Gaswechsel-Auslassventile mit separaten Mitteln stillzulegen sind. Selbstverständlich kann auch auslassseitig ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb vorgesehen werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass auch im Zustand der Zylinderabschaltung die Laststeuerung der Brennkraftmaschine durch eine Variabilität des Einlassgaswechselventilhubes dargestellt wird. Dies bedeutet gegenüber „Schwarz/Weiß"-Methoden, wie z. B. die Verwendung einer Drosselklappe zur Laststeuerung, ein zusätzliches Kraftstoffeinsparpotential.

Die zweite Stellvorrichtung kann gemäß Patentanspruch 2 eine Kurvenscheibe sein, wobei ein bisher nicht genutzter Kurvenabschnitt eine Nullhub kontur aufweist. In weiteren Ausführungsvarianten können als Stellvorrichtungen auch Schieberlösungen, wie Linearschieber, realisiert werden. Hierbei kann die Lageverschiebung des Zwischenhebels beispielsweise hydraulisch und/oder elektromechanisch durch die Linearbewegung eines Schiebers oder Stellelementes dargestellt werden.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 bietet die einfachste Form der Fertigung einer Kurvenscheibe für einen erfindungsgemäßen hubvariablen Ventiltrieb. Ferner wird ein harmonischer Übergang zwischen den unterschiedlichen Betriebsarten, Teillast-Volllast-Zylinderabschaltung, erzielt. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung sind zwei Betriebsarten des vollvariablen Ventiltriebs möglich. Die Steuerung der Zylinderabschaltung über den Vollhub oder über den Teilhub des Gaswechselventils. Beide vorgeschlagenen Varianten bieten jeweils spezifische Vorteile. Findet die Umschaltung vom zweiten Kurvenabschnitt in den dritten Kurvenabschnitt statt, d. h. bei maximalem Gaswechselventilhub, so wird in diesem Bereich die Brennkraftmaschine über ein separates Drosselorgan, wie beispielsweise eine Drosselklappe, kurzfristig gedrosselt. Diese Form der Abschaltung einzelner Zylinder bringt insbesondere Akustikvorteile. Die einfachere Umschaltung erfolgt vom ersten Kurvenabschnitt in den dritten Kurvenabschnitt. Dies ist insofern von Vorteil, da die Zylinderabschaltung im Bereich einer niederen Last bzw. im Bereich der Abgabe einer niederen Leistung stattfindet, einem Betriebszustand also, bei dem ohnehin eine Zylinderabschaltung erfolgen soll. Nachteilig bei dieser Ausgestaltung ist jedoch der kurze Hubübergang vom Teilhub in den Nullhub, der nur in einem bestimmten Zeitfenster von ca. 300 ms realisiert werden kann. Während dieser kurzen Zeitspanne fällt die Drehzahl der Brennkraftmaschine in etwa auf Leerlaufdrehzahl ab, wodurch ein zur ersten Variante vergleichsweise unruhiger Übergang zu der Zylinderabschaltung erfolgt.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 gestattet die optimale Hubsteuerung des Gaswechselventils.

Die Anordnung der zweiten Stellvorrichtungen an eine gemeinsame Welle gemäß Patentanspruch 5 reduziert den Fertigungsaufwand und somit die Kosten des erfindungsgemäßen Ventiltriebs.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen hubvariablen Ventiltrieb;
2 zeigt die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen hubvariablen Ventiltrieb für zwei Zylinder einer Brennkraftmaschine.
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen hubvariablen Ventiltrieb 1 für eine Brennkraftmaschine mit Blick auf eine erste Gaswechselventil-Betätigungseinheit 1' die, wie in 2 besser erkennbar, eine zweite Gaswechselventil-Betätigungseinheit 1' gemäß dem Stand der Technik fast vollständig überdeckt. Aufbau und Funktion sind für beide Gaswechselventil-Betätigungseinheiten 1', 1' bis auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung identisch. Jede Gaswechselventil-Betätigungseinheit 1', 1' ist für die Betätigung eines gleichwirkenden Gaswechselventils 6 der Brennkraftmaschine vorgesehen.
Der in einem Zylinderkopf 11 angeordnete hubvariable Ventiltrieb 1 besteht im wesentlichen aus einem Zwischenhebel 2, der einerseits mit einer Rolle schieberollbeweglich auf einer Kulissenbahn 3' einer Kulisse 3 gelagert ist und andererseits eine Arbeitskurve 4 aufweist, die in eine Teilhubkurve 4' und eine Vollhubkurve 4' aufgeteilt ist, wobei die Arbeitskurve 4 über ein Zwischenelement 5, einem Rollenschlepphebel, mit einem Gaswechselventil 6 in Wirkverbindung steht. Ferner ist eine erste Stellvorrichtung 7, ein Nocken einer Nockenwelle, zum Drehen des Zwischenhebels 2 um einen kulissennahen Punkt 8, ein Drehmittelpunkt der auf der Kulisse abgestützten Rolle, gegen eine Federkraft eines Federelementes 9 vorgesehen. Der Zwischenhebel 2 ist mit einer zweiten Stellvorrichtung 10, einer Kurvenscheibe, entlang der Kulissenbahn 3' über die den Zwischenhebel 2 auf der Kulisse abstützenden Rolle verschiebbar. Im Hintergrund der zweiten Stellvorrichtung 10 ist eine Kontur einer aus dem Stand der Technik bekannten zweiten Stellvorrichtung 10' einer zweiten Gaswechselventil-Betätigungseinheit 1' erkennbar. Die zweite Stellvorrichtung 10 weist erfindungsgemäß einen ersten Einstellpunkt für einen Teilhub und einen zweiten Einstellpunkt für einen Vollhub und einen dritten Einstellpunkt für einen Nullhub des Gaswechselventils 6 auf. Jeder Einstellpunkt ist durch einen Kurvenpunkt eines Kreissegmentes der Kurvenscheibe dargestellt. Die Kurvenscheibe ist in einen ersten Kurvenabschnitt 12, einen zweiten Kurvenabschnitt 13 und einen dritten Kurvenabschnitt 14 aufgeteilt. Der erste Einstellpunkt ist ein erster Kurvenpunkt 12' auf dem Außenumfang des ersten Kurvenabschnittes 12 und entspricht einem Teilhub des Gaswechselventils 6. Der zweite Einstellpunkt ist ein zweiter Kurvenpunkt 13' auf dem Außenumfang des zweiten Kurvenabschnittes 13' und entspricht einem Vollhub des Gaswechselventils 6. Der dritte Einstellpunkt ist ein dritter Kurvenpunkt 14' auf dem Außenumfang des dritten Kurvenabschnittes 14 und entspricht einem Nullhub oder einer Stilllegung des Gaswechselventils 6.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die zweite Stellvorrichtung 10 anstelle einer Kurvenscheibe auch durch lineare Stelleinrichtungen ersetzt werden, die unterschiedliche Anschläge bzw. Rasteinrichtungen aufweisen, entsprechend dem Nullhub, dem Teilhub und dem Vollhub des Gaswechselventils 6.
Bei der dargestellten Ausgestaltung geht der dritte Kurvenabschnitt 14 stetig in den ersten Kurvenabschnitt 12 und den zweiten Kurvenabschnitt 13 über. Wie oben beschrieben sind hierdurch zwei unterschiedliche Betriebsweisen mit ihren jeweils spezifischen Vorteilen möglich.
2 zeigt die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen hubvariablen Ventiltrieb 1 für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlassgaswechselventilen und zwei Auslassgaswechselventilen je Zylinder. Für gleiche Bauelemente gelten die gleichen Bezugszeichen wie in 1. Dargestellt ist ein Abschnitt des Zylinderkopfes 11, einlassseitig mit einer ersten Gaswechselventil-Betätigungseinheit 1' mit zwei erfindungsgemäß ausgestalteten zweiten Stellvorrichtungen 10, sowie zwei zweiten Stellvorrichtungen 10' für eine zweite nicht näher dargestellte Gaswechselventil-Betätigungseinheit 1', wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die zweiten Stellvorrichtungen 10, 10' sind auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet und sind für jeweils ein Einlassgaswechselventil vorgesehen. Auslassseitig weist der Zylinderkopf einen konventionellen Ventiltrieb auf, der nicht weiter erläutet wird.
Erfindungsgemäß weisen die zweiten Stellvorrichtungen 10 einen ersten Kurvenabschnitt 12, einen zweiten Kurvenabschnitt 13 sowie einen dritten Kurvenabschnitt 14 auf.
Da die zweiten Stellvorrichtungen 10, 10' an die gemeinsame Welle 15 angeordnet sind, wird zum Antrieb bzw. zur Verdrehung der gemeinsamen Welle 15 zur Laststeuerung der Brennkraftmaschine nur ein einziges Antriebselement benötigt.
Zusammengefasst bietet die erfindungsgemäße Weiterbildung des gattungsbildenden hubvariablen Ventiltriebs 1 folgende Vorteile:
Da ohnehin bereits ein vollvariabler mechanischer Ventiltrieb vorhanden ist, ist der bauliche Mehraufwand zur Stilllegung definierter Gaswechselventile 6, vorzugsweise der Einlassgaswechselventile, sehr gering. Somit ergibt sich ein äußerst effizienter Weg, um eine Zylinderabschaltung für eine Brennkraftmaschine zu realisieren. Selbstverständlich können auch die Auslassgaswechselventile mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung still gelegt werden. Auslassseitig können jedoch auch andere, billigere Mittel zur Stilllegung eingesetzt werden, beispielsweise schaltbare hydraulische Ventilspielausgleichselemente oder auch Schaltschlepphebel oder andere Schaltelemente. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin begründet, dass auch im Zustand der Zylinderabschaltung die Laststeuerung durch eine Variabilität des Einlassgaswechselventilhubes dargestellt werden kann. Dies bedeutet gegenüber „Schwarz/Weiß"-Methoden, nur Vollhub oder Nullhub der Gaswechselventile 6, ein zusätzliches Kraftstoffeinsparpotential. Um dies zu erzielen, wird im Ausführungsbeispiel in einfacher Weise die Steuerkontur auf der zweiten Stellvorrichtung 10 erfindungsgemäß erweitert. Dies geschieht durch eine Erweiterung des wirksamen Winkelbereichs der Steuerkontur des zweiten Stellelementes 10. Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der übliche Arbeitsbereich auf dem Exzenternocken der zweiten Stellvorrichtung 10 auf kleiner oder gleich 180° beschränkt. Durch die Ausweitung des Arbeitskurvenbereiches auf größer 180°, d. h. auf bis zu 360°, wird erreicht, dass die Gaswechselventile der abzuschaltenden Zylinder stillgelegt werden können, wohingegen die Gaswechselventile 6 der nicht abzuschaltenden Zylinder ihre volle Hubvariabilität beibehalten. In anderen Ausführungsbeispielen, wie z. B. bei hydraulischen und/oder elektromechanischen linearen arbeitenden zweiten Stellvorrichtungen 10, kann dies beispielsweise durch die Einbringung weiterer Anschläge bzw. Rasteinrichtungen erfolgen.

1: Hubvariabler Ventiltrieb
1': erste Gaswechselventil-Betätigungseinheit
1': zweite Gaswechselventil-Betätigungseinheit
2: Zwischenhebel
3: Kulisse
3': Kulissenbahn
4: Arbeitskurve
4': Teilhubkurve
4': Vollhubkurve
5: Zwischenelement
6: Gaswechselventil
7: erste Stellvorrichtung
8: kulissennaher Punkt
9: Federelement
10, 10': zweite Stellvorrichtung
11: Zylinderkopf
12: erster Kurvenabschnitt
12': erster Kurvenpunkt
13: zweiter Kurvenabschnitt
13': zweiter Kurvenpunkt
14: dritter Kurvenabschnitt
14': dritter Kurvenpunkt
15: gemeinsame Welle

Claims

Hubvariabler Ventiltrieb (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern mit gleichwirkenden Gaswechselventilen (6), wobei jedem Zylinder zumindest eine Gaswechselventil-Betätigungseinheit (1') zugeordnet ist, bestehend aus – einem Zwischenhebel (2), der einerseits schiebebeweglich auf einer Kulissenbahn (3') einer Kulisse (3) gelagert ist und andererseits eine Arbeitskurve (4) aufweist, wobei – die Arbeitskurve (4) über ein Zwischenelement (5) mit einem Gaswechselventil (6) in Wirkverbindung steht, wobei – eine erste Stellvorrichtung (7) zum Drehen des Zwischenhebels (2) um einen kulissennahen Punkt (8) gegen eine Federkraft eines Federelementes (9) vorgesehen ist, wobei – der Zwischenhebel (2) mit einer zweiten Stellvorrichtung (10) entlang der Kulissenbahn (3') verschiebbar ist, wobei – die zweite Stellvorrichtung (10) zumindest einen ersten Einstellpunkt für einen Teilhub und zumindest einen zweiten Einstellpunkt für einen Vollhub des Gaswechselventils (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stellvorrichtung (10) einer Gaswechselventil-Betätigungseinheit (1') eines Zylinders einen dritten Einstellpunkt für einen Nullhub des Gaswechselventils (6) aufweist.
Hubvariabler Ventiltrieb nach Patentanspruch 1, wobei die zweite Stellvorrichtung (10) eine Kurvenscheibe ist und der erste Einstellpunkt ein erster Kurvenpunkt (12') auf einem ersten Kurvenabschnitt (12) und der zweite Einstellpunkt ein zweiter Kurvenpunkt (13') auf einem zweiten Kurvenabschnitt (13) der Stellvorrichtung (10) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Einstellpunkt zumindest ein dritter Kurvenpunkt (14') auf einem dritten Kurvenabschnitt (14) der Stellvorrichtung (10) ist.
Hubvariabler Ventiltrieb nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kurvenabschnitt (14) stetig in den zweiten Kurvenabschnitt (13) und/oder in den ersten Kurvenabschnitt (12) übergeht.
Hubvariabler Ventiltrieb nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskurve (4) eine Teilhubkurve (4') und eine Vollhubkurve (4') aufweist.
Hubvariabler Ventiltrieb nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Stellvorrichtungen (10) von zumindest zwei Zylindern an eine gemeinsame Welle (15) angeordnet sind.