-
Es
ist allgemein bekannt, dass beim Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen
neben Zünd- und Kraftstoffzufuhrkonzepten
auch Gaswechselorgane und darunter die am meisten im Motorenbau verbreiteten
Hubventilsteuerungen die Schlüsselrolle spielen.
-
Anfang
der 80er-Jahre, durch Transfer moderner Elektronik und Computertechnik
in die Produktion von Großserienmotoren,
ist es den Motorenbauern gelungen zunächst bei Otto- und später auch bei
Dieselmotoren die Abgasschadstoffemission drastisch zu senken und
die Effizienz und das Instationärverhalten
kontinuierlich zu verbessern.
-
Zunächst aber
profitierten nur die Zünd-
und Kraftstoffanlagen gemeinsam mit modernen Ansauganlagen, Auspuffanlagen
und anderen Baugruppen von der neuen Entwicklungswelle. Miteinander
vernetzt und von Prozessoren überwacht
und gesteuert, bildeten die Komponenten gemeinsam maßgeschneiderte,
komplexe und leistungssteigernde Antriebskonzepte.
-
Der
Ventiltrieb mit seinen Elementen und deren Anordnung konnte sich
kontinuierlich und zeitgemäß mit Vertretern,
wie z.B. Mehrventiltechnik, obenliegende Nockenwellen oder Zahnriemenantrieb
weiter entwickeln.
-
Das
inzwischen weit über
100 Jahre alte Steuerungsprinzip mit fixen Ventilhub- und Steuerzeiten
dagegen galt noch vor wenigen Jahren, trotz der Tatsache, dass die
ersten Überlegungen
zum Thema „variable
Ventilsteuerung" bereits
aus der Wende zum 20. Jahrhundert datieren, mit wenigen Ausnahmen
als absoluter Standard.
-
Ungeachtet
dessen, der Gedanke, das alte Steuerprinzip bezwingen zu können, gewann
immer mehr an Gewicht und schon vor mehreren Jahren begannen die
Entwickler intensiv nach einer brauchbaren Alternative zu suchen.
-
Hohe
Beteiligung bei der Weiterentwicklung schaffte große Anzahl
und Vielfalt an Vorschlägen. Um
Steuerungsvariabilität
des Hubes und/oder der Steuerzeiten zu erreichen, schreckte man
auch nicht vor Ideen zurück,
deren Realisierungsaufwand bei oft nur begrenzten Möglichkeiten
erheblich groß war.
-
Auf
verschiedenen Wegen wurde die Weiterentwicklung konsequent voran
getrieben.
-
Lösungen mit
elektrohydraulischem und elektromagnetischem Wirkprinzip, s.g. freie
Ventilsteuerungen, die zwar bis heute aus verschiedenen Gründen keine
Serienreife erlangen konnten, haben trotzdem einen wichtigen Beitrag
zum Verständnis der
komplexen Vorgänge
während
des Betriebs einer Brennkraftmaschine mit variablen Hub- und/oder Steuerzeiten
geleistet.
-
Mit
Hilfe moderner Untersuchungsmethoden gelang es, die vielseitigen
Möglichkeiten
des aktiven Eingreifens in den Verbrennungsprozess einer Brennkraftmaschine
durch Ventilfunktionsveränderung
ausführlich
zu erforschen und deren Auswirkungen detailliert auszuwerten.
-
Es
war klar, dass vor allem die Ottomotoren von dem vorhandenen Potenzial
profitieren könnten.
-
Mit
ständig
wachsender Popularität
und Verbreitung der Mehrventiltechnik und der daraus resultierenden
Verwendung von zwei obenliegenden Nockenwellen, stiegen auch die
Anwendungschancen für
variable Ventilsteuerungen erheblich.
-
Durch
eine derartige Verknüpfung
war es einerseits möglich
die Einlass- und Auslassfunktionen des Ventiltriebes von einander
zu trennen, was für
die effektive Umsetzung der variablen Maßnahmen unerlässlich war,
andererseits konnte durch Strömungsquerschnittvergrößerung die
Effizienz noch mal gesteigert werden.
-
Alle
diese wichtigen Faktoren zusammen führten dazu, dass einige Hersteller,
wie z.B. Mercedes oder Honda, mit ihren Lösungen in Serie gingen und
damit eine Wende einleiteten. Mercedes realisierte eine einfache
Lösung,
die nur als Steuerzeitenverstellung der Einlassventile ausgelegt
war.
-
Zwischen
der Nockenwelle und dem Kettenantriebszahnrad wurde ein s.g. Phasenwandler
mit Schrägverzahnung
eingesetzt.
-
Ein
durch einen Elektromagnet gesteuerter Öldruck bewirkte eine axiale
Verschiebung eines der schrägverzahnten
Elemente und damit auch eine relative Verdrehung der Einlassnockenwelle
zu der Auslassnockenwelle.
-
Trotz
relativ einfachen Aufbaus und einfacher Funktionsweise war eine
Anpassung des Systems an die wechselnden Betriebsbedingungen problematisch.
-
Weil
die Öffnungs-
und Schließzeit
der Einlassventile nur gemeinsam um gleiche Winkel in die Endpositionen
nach früh
oder nach spät
verstellt werden konnte, waren die Folgen je nach Motordrehzahl und
Last mal positiv, mal negativ.
-
Mit
der Veränderung
der Öffnungszeiten
kam es z.B. zwangsweise zur Veränderung
der Überschneidungs-/Spülphase,
was zum Teil zu negativen Auswirkungen auf die innere Abgasrückführung und damit
auch auf den Verbrennungsprozess führte.
-
Um
die negativen Nebeneffekte so gering wie möglich zu halten, musste die
Einlassnockenwelle innerhalb des ganzen Drehzahlbereiches und lastabhängig mehrmals
vor und zurück
verstellt werden.
-
Trotz
allen Schwierigkeiten und bescheidenen Möglichkeiten dieses Systems
erreichte Mercedes mit einem V8 Motor deutlichen Leistungs- und Drehmomentzuwachs
bei gleichzeitiger Verbesserung der Abgaswerte.
-
Mit
einer Lösung
von Honda konnten gleichzeitig die Hubgröße und die Steuerzeiten der
Einlass- und Auslassventile je nach Last und Drehzahl stufenweise
mit Hilfe von schaltbaren Schlepphebeln verstellt werden.
-
Eine
Veränderung
der Steuerungsfunktionen erfolgte durch den Wechsel der zur Verfügung stehenden
Kraftschlussverbindung zwischen dem Ventil und einer der zur Auswahl
stehenden Nocken, deren Höhe
und Anordnungswinkel auf der Nockenwelle unterschiedlich war.
-
Mit
vier Ventilen, sechs Nocken und entsprechend sechs Schlepphebeln
mit zwei integrierten öldruckgesteuerten
Schaltmechanismen pro Zylinder, ist vor allem die Zylinderkopfkonstruktion
mit zwei obenliegenden Nockenwellen eines vierzylindrigen Reihenmotors
sehr aufwendig gewesen.
-
Ungeachtet
dessen erreichte Honda im Jahr 1989 mit der als 1,6i VTEC-Motor
bekannten Lösung auf
Anhieb die sehr hohe spezifische Leistung von rund 100 PS/Liter.
-
Beispiele
wie diese haben die Tauglichkeit für die Serie bewiesen und einige
Vorteile der variablen Ventilsteuerungen konnten in der Alltagspraxis angewendet
und bestätigt
werden.
-
Es
waren aber längst
nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft und
die Suche nach einer Lösung,
mit möglichst
vielen variablen Ventilfunktionen und möglichst ohne Kompromisse, ging
weiter. Eine praktische Umsetzung eines mittlerweile klar definierten Ziels,
bei dem ein Ottomotor nur mit Ventilfunktionen und ohne Drosselklappe
effizient geregelt werden sollte, war zu diesem Zeitpunkt aber weiterhin
nicht möglich.
-
Auch
wenn die Entwickler im Stande waren, die zu erwartenden Vorteile
detailliert vorherzusehen, setzten ungelöste Probleme, wie z.B. stufenlose
Verstellung der Hubgröße oder Öffnungsdauer
der Ventile, die Grenzen des Machbaren fest und es war zu diesem
Zeitpunkt nicht abzusehen, wann und mit welchem Mittel der Durchbruch
gelingen könnte (Buch „Mehrventilmotoren" von Gert Hack und
Fritz Indra, Motorbuch-Verlag Stuttgart, 1. Auflage 1991, Seiten
179-191 und 206-211).
-
In
den folgenden Jahren hat sich bei der Serienproduktion nichts grundlegendes
verändert
und die Motorenbauer haben auf bewährte Technik gesetzt, indem
sie vor allem das einfache Prinzip der Steuerzeitenverstellung nutzten.
-
Diese
anfänglich
von Mercedes verwendete Technologie ist auch von anderen Firmen übernommen
und auf verschiedenen Wegen weiter entwickelt worden.
-
Durch
mehrere Varianten und Ausführungen vertreten,
konnte sich diese Nockenwellenverstelltechnik dynamisch verbreiten
und die Führungsposition
auf dem Markt annehmen.
-
Erst
nach der Jahrtausendwende frischte Porsche mit einem modernen Boxer-Motor
die Entwicklung der variablen Ventilsteuerungen in neuer Qualität auf.
-
Der
neue Porsche 911 Turbo, zum ersten Mal mit Wasserkühlung und
Vierventiltechnik umgesetzt, erreichte hohe Leistung und hohe Alltagstauglichkeit
bei deutlich geringerem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Abgasemissionen.
-
Die
günstigen
Verbrauchswerte oder der größere Drehmomentzuwachs
im unteren Drehzahlbe reich konnten vor allem durch Einsatz eines
s.g. VarioCam Plus Systems auf der Einlassseite erreicht werden,
wobei ein schaltbarer Tassenstößel, aus
DE 199 13 290A1 bekannt,
eine zentrale Rolle spielte.
-
Im
Gegensatz zum VTEC-Motor von Honda konnten hier die Steuerzeiten
und die Hubgröße voneinander
unabhängig
verstellt werden, was die Ausführung
von mehreren Steuergesetzen möglich machte.
-
Die
Umstellung der Nockenwelle durch einen Phasenwandler und Umschaltung
des Hubes durch den schaltbaren Tassenstößel wurde mit Öldruck betätigt und
es standen zwei Steuerzeiten mit Früh- und Spätstellung und zwei Hubgrößen mit
einem 3 mm-kleinen und einem 10 mm-großen Hub zur Verfügung.
-
Die
Kompensierung der abrupten Durchflussquerschnittsveränderungen
bei der Umschaltung des Hubes ist von der elektrisch verstellbaren
Drosselklappe als zusätzliche
Aufgabe übernommen
worden.
-
Durch
verschiedene Schaltkombinationen der variablen Funktionen konnten
unterschiedliche, der jeweiligen Situation angepasste, Steuerungsstrategien
entwickelt und im Betrieb gezielt umgesetzt werden.
-
Mit
dieser Variante der variablen Ventilsteuerung war es möglich, viel
effizienter in den Verbrennungsprozess einzugreifen und man ist
dem Ziel, einen Ottomotor drosselklappenfrei regeln zu können, einen
Schritt näher
gekommen.
-
Diese
erweiterte Zielsetzung konnte aber nur mit erheblichem Aufwand realisiert
werden.
-
Die
komplizierte Konstruktion des aus mehreren Teilen zusammengesetzten
und nur für
ein einzelnes Ventil zuständigen
schaltbaren Tassenstößels forderte
einen ebenfalls aufwendigen und speziellen Aufbau des zusammenwirkenden,
dreiteiligen Einlassnockens.
-
Auch
bei der Fertigung war es in beiden Fällen erforderlich, eine erhöhte Präzision und
eine besondere Oberflächenbehandlung
anzuwenden.
-
Außerdem waren,
um die VarioCam Plus Technik in das Gesamtsteuerungskonzept zu integrieren,
zusätzliche Ölkanäle und die
Erweiterung der Sensorik und Aktuatorik nötig.
-
Allen
Maßnahmen
zur Folge musste schließlich
der schnellen Verarbeitung und Verwertung der vergrößerten,
komplexen Datenmenge mit einer neuen Ausbaustufe des Steuergerätes Rechnung
getragen werden (Zeitschrift „MTZ
Motorentechnische Zeitschrift" Jahrgang
61 in dem Heft 11/2000 auf den Seiten 730 bis 745).
-
Im
Jahre 2001 schaffte BMW mit dem s.g. VALVETRONIC System einen Durchbruch
in der Entwicklung variabler Ventilsteuerungstechnik und setzte
zum ersten Mal einen drosselklappenfrei geregelten Ottomotor in
Serienproduktion um.
-
Die
Umsetzung dieses Prinzips war vor allem Dank eines aus
DE 199 13 742 A1 bekannten,
im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordneten Vorrichtung
zur Hubverstellung eines Gaswechselventils möglich, wobei die Tatsache,
dass die Größe des Hubes
von Null bis maximal stufenlos verstellt werden konnte, eine Schlüsselrolle
spielte.
-
Diese
Vorrichtung besteht aus über
einem Einlassventil angeordneten Hubübertragungselement/Schlepphebel,
das/der in Linienberührung
mit einer Ventilsteuerbahn steht, deren Profil aus einer Leerhub-
und Hubkurve zusammengesetzt ist, und wobei die beiden Kurven ein
unteres schwenkbares Ende eines Schwenkhebels bilden.
-
Ebenfalls
in Linienberührung
ist das obere Ende des Schwenkhebels auf der Leerhubkurvenseite
mit einer/einem Kurvenscheibe/Exzenter, einer dreh- und fixierbaren
Steuerwelle/Exzenterwelle und auf der Hubkurvenseite zwischen den
beiden Hebelenden im oberen Bereich der unteren Hälfte mit
einem Nocken einer parallel zur Steuerwelle angeordneten Nockenwelle.
Der Schwenkhebel hängt
auf zwei zueinander parallel angeordneten Anlenkhebeln.
-
Die
beiden oberen bügelförmigen Anlenkhebelenden
sind koaxial und drehbeweglich auf der Steuerwelle/Exzenterwelle
gelagert, während
die beiden unteren Enden durch einen Gelenkbolzen mit dem Schwenkhebel
verbunden sind.
-
Die
Anordnung des Gelenkbolzen in dem Schwenkhebel ist durch einen Anlenkpunkt
definiert, der sich im unteren Bereich der oberen Hälfte auf
der Leerhubkurvenseite befindet.
-
Eine
vorgespannte Rückholfeder
wirkt von der Leerhubkurvenseite auf das untere Ende des Schwenkhebels
und sorgt für
dessen Permanentkontakt mit dem Nocken der Nockenwelle und gleichzeitig
durch Hebelarmwirkung auch mit der/dem Kurvenscheibe/Exzenter der
Steuerwelle/Exzenterwelle.
-
Um
die Zusammenwirkung zu optimieren und die Reibungskräfte zu minimieren
ist der Schwenkhebel mit Steuerwellen-/Exzenterwellen- und Nockenwellenrolle
ausgerüstet.
-
Die
Ventilsteuerbahn wirkt ebenfalls auf eine im Hubübertragungselement/Schlepphebel
integrierte Rolle, die nach oben ragt und zwischen den beiden Enden
des Elementes, die nach unten auf der einer Seite als Ventilbetätigungsfläche und
auf der anderer Seite als Auflagefläche für ein Ventilspielausgleichselement
ausgebildet sind, angeordnet ist.
-
Die
periodische Schwenkbewegungsgröße der Ventilsteuerbahn
des Schwenkhebels hängt
mit der festen Größe der Erhebungskurve
des Nockens zusammen und ist im Wesentlichen immer gleich.
-
Die
Verstellung der Hubgröße erfolgt
durch Verdrehung der Steuerwelle/Exzenterwelle mit der/dem Kurvenscheibe/Exzenter,
die eine seitliche Verlagerung des oberen Endes sowie des ganzen Schwenkbereiches
des unteren Schwenkhebelendes bewirkt.
-
Es
kann damit gezielt ein Zusammenwirkungsmodus der Steuerbahnkurve
mit der Rolle des Hubübertragungselementes
bestimmt werden, wobei für
eine minimale bis maximale Ventilhubausführung eine entsprechende Einsatzkombination
der Leerhubkurve mit der Hubkurve, und für einen Nullhub ein selektiver
Einsatz der Leerhubkurve einstellbar ist.
-
Bei
etwas genauerer Betrachtung dieser Vorrichtung, insbesondere deren
durch eine spezielle Konstruktion geprägten Wirkungsweise, fällt es auf, dass
jeder Hubgröße ein bestimmtes
Ventilöffnungsdauerfenster
zugeordnet ist und die beiden Werte zusammenhängend können nur gemeinsam vergrößert oder
verkleinert werden.
-
Folglich
ist es nachvollziehbar, dass die Steuerzeiten bei einem Hubverstellungsvorgang ebenfalls
betroffen sind.
-
Da
dabei die Nockenspreizung aber nicht mitverstellt werden kann, ist
dies zunächst
als „negativer
Nebeneffekt" zu
bewerten.
-
Wenn
man in diesem Zusammenhang bei einem festen Nockenspreizungswert
beispielsweise eine Größthubperiode
mit einer Kleinsthubperiode des selben Ventils vergleicht, kommt
zwangsweise dabei raus, dass das Ventil bei dem größten Hub
sehr viel früher öffnet und
sehr viel später
schließt,
als bei dem kleinsten Hub.
-
Konsequenterweise
sind auch die Differenzwerte zwischen den beiden Öffnungszeitpunkten
und zwischen den beiden Schließungszeitpunkten – in Kurbelwellenwinkeln
ausgedrückt – so groß, dass
es möglich
wäre, nur
einem sehr kleinen Hubgrößenspektrum,
die für
einen optimalen Gaswechselprozess notwendigen Voraussetzungen zu
garantieren.
-
Bei
Hubgrößenwerten,
die außerhalb
dieses Optimums liegen, wäre
die Verschiebung der Öffnungszeit
des Einlassventils oder ggf. auch der Schließzeit des Auslassventils zu
groß,
um daraus eine funktionsfähige Überschneidungs-/Spülphase bilden
zu können.
-
Das
Ausmaß der
möglichen
Fehlfunktionen in diesem Bereich wird z.B. bei Ausführung einer Kleinsthubperiode
mit einer auf Volllast/Maximalhub abgestimmten Nockenspreizung besonders
deutlich.
-
Diese
Parameterkombination stellt nämlich eine
Extremsituation dar, in der die Bildungsmöglichkeit einer Überschneidungs-/Spülphase gänzlich ausgeschlossen
ist.
-
Unter
diesen Umständen
wird es offensichtlich, dass die praktische Umsetzung der Hubgrößenvariabilität, unabhängig davon,
ob auf der Einlass- oder Auslassseite, nur in Verbindung mit einer
variabel gestaltbaren Nockenspreizung möglich ist.
-
Demzufolge
ist durch eine Aufrüstung
des Ventiltriebes mit einer Nockenwellenverstellung die Möglichkeit
gegeben, die funktionellen Defizite/„negativen Nebeneffekte" der Hubverstellvorrichtung auszugleichen.
-
Mit
dieser notwendigen Erweiterungsmaßnahme ist aber nicht nur die
angestrebte Korrigierbarkeit der für die Überschneidungs-/Spülphasegestaltung
so wichtigen Steuerzeiten möglich,
sondern gleichzeitig auch eine Beeinflussung der Partnersteuerzeit
des jeweils in dieser Kombination betrachteten Einlass- oder Auslassventils
in erheblichem Maße.
-
Diese
spezielle Verhaltensweise der Partnersteuerzeiten bietet äußerst nützliche
Eigenschaften, die wirkungsvoll verwertet werden können, insbesondere
als eine Grundlage zur Umsetzung des Verfahrens eines „früheren Einlassschlusses".
-
Dem
Beispiel folgend, lässt
sich mit der auf Volllast abgestimmten Einlassseite als Ausgangszustand,
bei einem Wechsel zur Teillastabstimmung, die Veränderung
der Parameter in zwei separat betrachteten Schritten darstellen.
-
Im
ersten Schritt wird zunächst
die Ventilhubgröße den Anforderungen
gerecht verkleinert, woraus sich automatisch eine dementsprechende
Verkleinerung der Ventilöffnungsdauerfenstergröße ergibt,
was wiederum konsequenterweise zu einer gegensinnigen Zueinanderverschiebung
der Steuerzeiten führt.
-
De
facto wird dabei erstmals die Öffnungszeit
nach Spät
und die Schließzeit
nach Früh
verstellt. Im zweiten Schritt dagegen werden die Steuerzeiten samt
Nockenspreizung direkt und gleichsinnig durch den Nockenwellenversteller
verschoben, wobei, um wieder das Optimum für die Überschneidungs-/Spülphasegestaltung
zu schaffen, die Öffnungszeit
um einen entsprechenden Korrekturwert zurück nach Früh verstellt wird und weil bei
einer konstant gehalteneren Ventilhubgröße die Partnersteuerzeiten
fest zusammenhängen,
gestalten sich dabei die Schließzeitenverstellungsparameter
identisch.
-
Diese
Beispielausführung
zeigt deutlich ein besonderes Parallelverhalten der Schließzeitverschiebung
zu der Hubgrößenveränderung,
die dem Prinzip der drosselklappenfreien Lastregelung zur Funktion
verhilft.
-
Entscheidend
dabei ist, dass einer einfachen Verkleinerung der Hubgröße eine
zweifache Schließzeitverstellung
folgt, die in dem ersten sowie zweiten Schritt nach Früh ausgerichtet
ist. Durch diesen Umstand kann das Einlassventil viel früher schließen und
somit auch die Regelbarkeit sowie Effizienz des Gaswechselprozesses
erheblich steigern.
-
Ferner,
um in einem reellen Betriebsmodus mit ständig schwankendem Lastanteil
die Fehlfunktionen zu vermeiden, erscheint es besonders sinnvoll, auch
um nebenbei fließende Übergangsphasen
zu erreichen, die Verstellungsschritte praktisch gleichzeitig und
möglichst
stufenlos auszuführen.
-
Die
Reihenfolge der Schritte würde
dabei ihre Bedeutung verlieren, die Korrektur-/An-passungslogik
dagegen bliebe in dem gesamten Variabilitätsspektrum der beiden Verstellsysteme
verbindlich und als übergeordnete
Steuerungsstrategie bestehen.
-
Eine
Anwendung solcher Strategie bedingt ein klares Verhaltensmuster
der Steuerzeiten und Hubgröße eines
Ventils.
-
Demnach
würde ein
Einlassventil im wesentlichem um so später/früher schließen, je größer/kleiner sein eingestellter
Hubwert ist.
-
Der Öffnungszeitpunkt
dagegen würde
in jeder Hubperiode, unabhängig
von der Hubgröße, tendenziell
seine Position konstant halten.
-
Die
Hubgrößenverstellvorrichtung
und der Nockenwellenversteller müssen
hier als Steuerungsstellglieder klassifiziert werden, zwischen denen
keine direkte Verbindung besteht und dessen Einstellungen im Betrieb
praktisch durchgehend neu koordiniert werden müssen.
-
Das
lässt zusätzlich auch
die Anforderungen an die Verstellungs- und Betätigungstechnik steigern, wobei
mehr präzise
Schnelligkeit und Flexibilität
eine besonders große
Rolle spielen. Um in punkto Nockenwellenverstellung die erforderliche
Funktionalität der
Ventilsteuerungsvariabilität
auf der Einlassseite des neuen BMW-Motors zu erreichen und um die Restgassteuerung
zu sichern, muss die Auslassnockenwelle ebenfalls nach Bedarf verstellt
werden.
-
Es
kommt ein s.g. Doppel-VANOS System zum Einsatz, bei dem die Verdrehung
der beiden Nockenwellen durch jeweils einen motoröldruckbeaufschlagten
Flügelzellenversteller
geregelt wird.
-
Dieses
System ermöglicht
eine stufenlose Veränderung
der Einlass- und Auslassnockenspreizung in einem Verstellbereich
von jeweils 60° KW und
somit auch eine Steuerzeitenanpassung des Einlass- und Auslassventils,
entsprechend der gewählten
Einlasshubgröße.
-
Die
Kombination der Hub- und Nockenwellenverstellung von BMW bietet
einerseits eine beispiellose Funktionalität auf dem Sektor der variablen Ventilsteuerungstechnik,
steigert aber andererseits die Komplexität des gesamten Konzepts enorm.
-
Um
die Steuerung der beiden Nockenwellenversteller und der, durch einen
Elektromotor mit Schneckengetriebe, betätigbaren Steuer-/Exzenterwelle,
sowie einer immer noch vorhandenen, aber nur auf Hilfs- oder Notfunktionen
beschränkten
und im Normalbetrieb von der Lastregelung ausgeschlossenen Drosselklappe
zu realisieren, müssten
schon bei den Entwicklungsmethoden völlig neue Wege beschritten
und erarbeitet werden.
-
Die
Erhöhung
der Stellgliederzahl auf vier, die den Gaswechselprozess regeln
und deren spezielle Wirkungsweise brachte einen dramatischen Anstieg
der möglichen
Einstellkombinationen mit sich, was die Anforderungen an das Motorsteuerungssystem
in großem
Maße steigerte.
-
Aus
diesen Gründen
war es notwendig, ebenfalls die Sensorik und Aktuatorik, sowie Hardware
und Software erheblich zu erweitern, wobei in Anbetracht der neuen
Herausforderungen die Ingenieure nur begrenzt auf Altbewährtes zurückgreifen konnten
und viele Komponenten neu entwickelt werden mussten.
-
Um
die sehr große
Datenmenge von den vielen in Frage kommenden Netzsystemen/Komponenten
permanent zu erfassen und sie dann schnell auszuwerten, sowie schließlich in
präzise
und logisch aufeinander abgestimmte Steuerbefehle verwandeln zu
können,
mussten auch einige neuentwickelte Datenverarbeitungsmethoden und
Rechenmodelle, wie das „Inverse
Fühlungsmodell" oder das „Adaptive physikalisch-neuronale
Korrekturmodell" in
das System appliziert werden.
-
Diese
hochkomplexen Strukturen bilden einige der wichtigsten Funktionsfähigkeiten
der Motorsteuerung, deren Wirkung letztendlich die effektive Beherrschung
von zunehmender Systemkomplexität, sowie
die maximale Ausschöpfung
des großen
Potenzials der VALVETRONIC erst möglich macht.
-
Außerdem muss
die reelle Umsetzung der Systemmechanik ebenfalls als umfangreiche,
technische Herausforderung angesehen werden.
-
Der
bauliche, sowie konstruktive Aufwand ist speziell für die Realisierung
des variablen Ventilhubes besonders groß.
-
Bei
der 4-zylindrigen Variante braucht jeder der acht Einlassventile
des BMW-Motors eine eigene Hubverstellvorrichtung, deren Wirkungsweise
und Konstruktionsstruktur durch komplexe, geometrische Zusammenhänge geprägt ist.
-
Und
um die notwendige Ausführbarkeit
von kleinsten und maßgenauen
Ventilhuben sicher zu stellen, müsste
konsequenterweise auch der Präzisionsstandard
für die
Fertigung und Montage einiger Bauteile drastisch angehoben werden.
-
Beispielsweise
müssen
für die
Bearbeitung der Ventilsteuerbahn des Schwenkhebels Toleranzwerte
eingehalten werden, die sonst nur bei einer Dieseleinspritzanlagenproduktion üblich sind.
Ferner ist zu bemerken, dass es den Ingeunieren nur durch gestalterisch
aufwendiges Zusammenwachsen der Maschinenbau-, Steuerungs- und Regelungstechnik, sowie
des Elektrik/Elektronik Know-hows möglich war, die mit der Umsetzung
der drosselklappenfreien Lastregelung eines Ottomotors zusammenhängenden
Aufgaben und Probleme sicher zu lösen. Somit setzte BMW durch
Ausstattung ihrer hauseigenen Motorenfamilie mit der VALVETRONIC-technologie neue
Maßstäbe für die Entwicklung
und Produktion von neuen Verbrennungsmotoren. Dabei konnten trotz
in jeder Hinsicht komplizierter und aufwendiger Bauweise die verfolgten
Optimierungsziele erreicht werden.
-
So
konnte z.B. mit der ersten 4-zylindrigen Version für das BMW
3er Compact Model im Allgemeinen ein erheblicher Leistungs- und
Drehmomentzuwachs bei gleichzeitiger Kraftstoffverbrauchsreduzierung
in zweistelliger Höhe
erreicht werden.
-
Darüber hinaus
konnten auch umweltpolitisch so wichtige Spitzenwerte bei der Abgasemissionsreduzierung
erreicht werden, sowie weitere verbraucherrelevante Vorteile, wie
ungewöhnliche Spontaneität, robustes
Betriebsverhalten, hohe Laufruhe oder exzellentes Kaltstartverhalten.
-
Nach
der erfolgreichen Einführung
der VALVETRONIC-Technologie bei den Vierzylinder-Motoren folgten
bald Acht- und Zwölfzylinder-Motoren
bis konsequenterweise auch die letzten der BMW Otto-Motorenfamilie,
nämlich
die Reihensechszylinder-Motoren im Jahre 2004, die jedoch schon
mit einer neuüberarbeiteten
Entwicklungsstufe der VALVETRONIC ausgerüstet worden sind (Zeitschrift „MTZ Motortechnische
Zeitschrift" insbesondere Jahrgang
62 in den Heften: 6/2001 auf den Seiten 450 bis 463 sowie 482 bis
489; 7-8/2001 auf den Seiten 516 bis 527 sowie 570 bis 579; 9/2001
auf den Seiten 630 bis 640; 10/2001 auf den Seiten 826 bis 835 und
im Jahrgang 65 in den Heften: 11/2004 auf den Seiten 868 bis 880;
12/2004 auf den Seiten 1008 bis 1017 sowie im Jahrgang 66 in Heft
9/2005 auf den Seiten 650 bis 658).
-
Unter
der sonst sehr großen
Anzahl der Offenlegungsschriften, die sich mit der variablen Regelung
der Funktionen eines Hubventils während des Betriebes einer Verbrennungskraftmaschine
befassen, wurde auch in
DE
32 13 565 A1 eine Lösung
zur Verstellung der Steuerzeiten vorgeschlagen, bei der vorgesehen
war, dies zunächst
durch spezielle Konstruktionsgestaltung, sowie Anordnung und sich
daraus ergebender Zusammenwirkung eines über einem Ventil angeordneten „Tassenstößels" mit einem von der
Nockenwelle hubkraftübertragenden
und verstellbaren Hebel zu erreichen.
-
Im
Weiteren, als eine Alternativlösung
zu dem verstellbaren Hebel, wurde, um ebenfalls nur die Verstellung
der Ventilsteuerzeiten zu erreichen, eine relative Verdrehung der
Nockenwelle zu der Kurbelwelle vorgeschlagen.
-
Demnach
soll die praktische Umsetzung dieser variablen Funktion mittels
Verstellung einer schwenkbaren „Wippe", in der die Nockenwelle gelagert ist,
geregelt werden.
-
Dabei
wird für
die eigentliche Relativverdrehung ein Abrolleffekt genutzt, der
zwischen den eingesetzten Nockenwellenantriebselementen während einer
Schwenkpositionsänderung
der Nockenwelle zustande kommt.
-
Nach
einer Auswertung dieses Vorschlages wird jedoch offensichtlich,
dass eine Umsetzbarkeit unter den reellen Bedingungen praktisch
nicht gegeben ist, dennoch von der in diesem Zusammenhang simpel
erscheinenden Idee ausgehend, die sich folglich, um die Steuerzeitenverstellung
zu erreichen, eine Anordnungsvariabilität einer Nockenwelle zu Nutze
macht und insbesondere wenn dazu noch diese durch deren Schwenkbarkeit
erreicht werden soll, lässt
sich in Verbindung mit gezielter Anwendung zusätzlicher Konstruktionsmaßnahmen
und/oder unter bestimmten Vorraussetzungen eine vielseitige Wirkprinzipkombination,
mit erheblich erweiterten Ventilsteuerungsfunktionspotenzial, ableiten
und definieren.
-
Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur variablen
Ventilsteuerung vorzuschlagen, deren Eigenschaften erlauben würden, die insbesondere
mit der drosselklappenfreien Lastregelung eines Ottomotors zusammenhängenden
Probleme platzsparend, mit möglichst
geringem Aufwand und einfachen Mitteln sicher zu lösen.
-
Diese
Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
-
Erfindungsgemäß sieht
diese Lösung
vor, dass eine Anordnung einer Bezugsebene/Fläche in einem Raum so bestimmt
ist, dass durch einen variabel gestaltbaren Abstand einer Drehachse
einer Nockenwelle zu der Bezugsebene/Fläche ein ganzes Spektrum einer
variablen Hubgröße eines
Gaswechselventils definierbar ist, und dabei die Vorrichtung mit
einem zu der Nockenwellenanordnungsvariabilität kompatiblen sowie Steuerzeitenverstellungs- und/oder
regelungsfähigen,
die Nockenwelle, die in einem entsprechend verstellbaren Nockenwellenträger angeordnet/gelagert
ist, mit einer drehbar gelagerten, fest angeordneten und mit einer
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine kraftverbundenen, Zwischen-/Antriebswelle,
verbindenden Zwischengetriebe ausgerüstet ist, wobei ein Hubübertragungselement,
oder bei Anwendung mehrerer, alle Hubübertragungselemente miteinander
oder verteilt, an einem Profil eines Nocken und/oder an dem Gaswechselventil,
durch eine/mehrere Federkrafteinwirkung/en und/oder mittels einer/mehrerer
Verbindung/en zwangsgeführt
und/oder gehalten ist/sind.
-
Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die zielgerecht angewendeten und auf eine eigene Art zu einer
mechanischen Regelungseinheit zusammengesetzten Vorrichtungsbauelemente
mit ihren alt und neu definierten Funktionseigenschaften erlauben,
mittels einer nach Bedarf initiierten Veränderung der variablen Nockenwellenanordnung
allein und somit in einem einzigen Regelungsschritt, gleichzeitig
eine stufenlose Verstellung der Hubgröße, Öffnungsdauer sowie, durch die
dabei erzeugte Wirkung des Zwischengetriebes, eine Anpassung der Öffnungs-
und Schließzeit
eines Gaswechselventils durchzuführen.
Des weiteren, wie schon angedeutet, um einer angestrebten Steuerungsvollvariabilität eines
Gaswechselventils näher
zu kommen und die Multifunktionalität der hier vorgeschlagenen
Lö sung
effizienter zu gestalten sowie die Auswirkung diverser Vorteile
zu optimieren, kann die Erfindung, in Verbindung mit einer speziell definierten
und konstruktiv umgesetzten Schwenkfähigkeit der Nockenwelle, erweitert
werden.
-
Folglich
ist es zweckdienlich solche Konfiguration für die nachfolgende Ausführung dieser
Beschreibung als Standardlösung
zu definieren, was ferner übernommen
auch so zu betrachten ist.
-
Diese
auf eine besondere Weise miteinander kombinierten Fähigkeiten
erlauben dann z.B. bei Konstruktion eines Reihenvierzylindermotors
auf die Verwendung eines beispielsweise in jeder Hinsicht aufwendigen
und mit vier Stellgliedern ausgerüsteten VALVETRONIC-Systems
zu verzichten, um stattdessen den hohen Anforderungen durch Verbauung
einer relativ kompakten und einfachen, sowie nur mit einem Stellglied
ausgestatteten Ventilsteuerung vollständig zu genügen.
-
Dabei
kann praktisch, dank des rein mechanischen Wirkprinzips der Vorrichtung,
an dem hochkomplexen Motorsteuerungs- und Regelungstechnikaufgebot
entscheidend gespart werden.
-
Die
klassische Drosselklappenquerschnittregelungsaufgabe wird hier ebenfalls
mit Hilfe der Hubgrößenvariabilität gelöst, aber
genau wie auch die übrigen
Ventilsteuerungsfunktionen durch Positionsveränderung eines schwenkbaren
Nockenwellenträgers
erwirkt, das mit Hilfe einer dafür
geeigneten Verstellvorrichtung verstellbar und fixierbar ist.
-
Die
für einen
sicheren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erforderliche Ventilsteuerungslogik
mit geeigneten Ansteuerungsparametern ergibt sich dank der mechanisch
bedingten Zusammenhänge
zwischen den verwendeten Bauelementen bei einer Positionsverstellung
des Nockenwellenträgers automatisch.
-
Dieser
Tatsache vorausgehend müssen,
im Gegensatz zu anderen Lösungen,
die hier ebenfalls vorhandenen Anpassungs- und Abstimmungsmaßnahmen
der variablen Ansteuerungsparametergrößen de facto einmalig berücksichtigt
und definiert werden und zwar lediglich in der Entwicklungs-/Konstruktionsphase.
-
Folglich
können
somit hochkomplexe Aufwendungen, die beispielsweise auch bei VALVETRONIC
für einen
sicheren Betrieb unerlässlich sind
und üblicherweise
mit der permanenten Neukoordinierung und/oder Neuausrichtung von
mehreren unabhängigen
Stellgliedern unverzichtbar zusammenhängen, effizient umgangen werden.
-
Unter
dem Strich bleibt eine vollvariable Ventilsteuerung mit einer simplen
Regelungsprozedur, die gepaart mit einer hauptsächlich gängigen Maschinenbautechnik,
im Stande ist, effektiv die für
eine drosselklappenfreie Regelung einer Brennkraftmaschine nötigen Funktionalitäten, ohne
Beteiligung der Auslassseite, zur Verfügung zu stellen.
-
Folglich
liegt es nahe, dass der Einflussbereich der Erfindung trotz der
umfangreichen Möglichkeiten
prinzipiell auf die Einlass- oder Auslassseite begrenzt werden kann,
was wiederum eine weitere funktionelle Aufrüstung des gesamten Ventilsteuerungssystems
erlaubt.
-
Im
Praktischen bedeutet es, dass beispielsweise neben der Vollvariabilität des Einlassventils auch
eine unabhängige
oder gekoppelte Anwendung einer weiteren wirkprinzipgleichen oder
aber einer anderen geeigneten Vorrichtung/Regelungsmaßnahme für das Auslassventil
realisiert werden kann.
-
Des
Weiteren, um den möglichen
negativen Auswirkungen des Wesens der Erfindung betreffenden Umstandes,
bei dem das herkömmliche
Ventilspiel im klassischen Sinne nicht mehr existiert und praktisch
durch den variablen Abstand ersetzt ist, dessen Wert die Maximalhubgröße des Ventils übersteigen
kann, entgegenwirken zu können,
sind im allgemeinen verhältnismäßig ebenfalls
nur relativ bescheidene Mittel nötig.
-
Ferner,
unabhängig
davon, wie lang der konzeptgebundene und ggf. auch umgelenkte Ventilhubkraftübertragungsweg
sein soll und ob folglich die Vorrichtung im Motorblockbereich oder
im Zylinderkopf direkt über
dem Ventil oder versetzt angeordnet ist, reicht es aus, wenn ein,
oder, je nach Variante und Ausführung,
mehrere Hubkraftübertragungselement/e
mit solchen Maßnahmen,
wie z.B. Wirkung einer Federkraft und/oder einer festen und/oder
beweglichen Verbindung prinzipiell gehindert wird/werden, sich während des
Betriebes in dem Raum zwischen dem Nocken und dem Ventil unkontrolliert
zu bewegen.
-
Sekundär gestattet
die Anwendung von solchen Hubübertragungselementstabilisierungsmaßnahmen
aber auch weitgehende Veränderungen
bei konstruktiver Gestaltung der Nockenwelle und hilft somit beispielsweise
die Abmessungen und damit auch die rotierende Masse zu verringern
und/oder Vorteile bei der Fertigung zu erzielen.
-
Bedingt
durch die o.g. Zusammenhänge,
sowie die Tatsache, dass konventionellerweise praktisch das Öffnen und
Schließen
eines Ventils, von der Federkraftwirkung abgesehen, ausschließlich durch Einwirkung
des abgerundeten Profils der Erhebungskurve eines Nocken gesteuert
wird, kann hier bei dessen Gestaltung auf die sonst unverzichtbare
Nockengrundkreisfläche
gänzlich
verzichtet werden.
-
Im
Praktischen bedeutet es, dass eine herkömmliche Nockenwelle beispielsweise
durch eine einfache, gegebenenfalls auch kugel- und/oder rollengelagerte
Welle oder ein Rohr geringeren Durchmessers, das mit einem Ventilbetätigungsarm
ausgerüstet
ist, ersetzt werden könnte.
-
Das
Ende des Ventilbetätigungsarmes,
das dabei das Profil der Erhebungskurve eines herkömmlichen
Nocken ersetzen würde,
wäre dann
ebenfalls, den Anforderungen entsprechend, abgerundet ausgebildet
oder sogar vorzugsweise, um die Reibungskräfte bei Betätigung zusätzlich zu minimieren, mit einer
drehbar gelagerten Rolle bestückt.
-
Das
andere, gegenüberliegende
Ende, z.B. durch eine geeignete Verschraubung fest mit der Welle
verbunden, würde
den Ventilbetätigungsarm zum
eigenständigen
und somit auch austauschbaren Bauteil machen, was ebenfalls als
Potenzial mit positiven Nutzwert betrachtet werden kann.
-
Wie
oben angedeutet, eine weitere wichtige Vereinfachung, den anderen
Lösungen
gegenüber, besteht
darin, dass alle Einlass- oder ggf. Auslassventile, die der selben
Zylinderreihe einer Verbrennungskraftmaschine angehören, prinzipiell
mit einer gemeinsam in vorzugsweise einem schwenkbaren Nockenwellenträger zu einem
Block zusammengefassten Baugruppe, die im Grunde nur aus einer Nockenwelle,
einer Zwischen-/Antriebswelle sowie einem Zwischengetriebe, die
die beiden Wellen verbindet, zusammen gesetzt ist, vollvariabel
gesteuert werden können.
-
Alternativ
dazu erlaubt das Wesen der Erfindung optional, wenn auch unter erheblich
vergrößertem Aufwand
und gesteigerter Systemkomplexität, die
Funktionen der einzelnen Ventile oder Ventilgruppen konstruktiv
voneinander zu trennen, was speziell bei größeren Einheiten besonderes
zweckmäßig erscheint
und womit Aufgaben wie Ventil-/Zylinderabschaltung oder einem präzisen Ausgleich
der Bedingungen in verschiedenen Zylindern begegnet werden kann.
Wohl um etwa solche Ventilsteuerungsvariante, bei der beispielsweise
vorgezogen wurde, jeden Zylinder eines Mehrzylinders von den anderen
unabhängig
einlass- oder auslassseitig regeln zu können, wäre es nötig jedem Zylinder in der selben
Reihe eine eigene hier vorgeschlagene, unabhängig verstellbare und fixierbare
Vorrichtung zuzuordnen.
-
Folglich
also ergibt sich als Lösung
eine Parallelschaltung mehrerer, in einer Reihe nebeneinander angeordneter
Vorrichtungen, die durch eine Zwischen-/Antriebwelle, mit entsprechender
Länge,
einheitlich angetrieben sind und jeweils einem, für jeden einzelnen
Zylinder zuständiges,
Teilstück
einer, normalerweise aus einem Stück gefertigten jedoch in diesem
Fall notwendigerweise geteilten, Nockenwelle steuern.
-
Darüber hinaus,
trotz Erreichung einer hohen, durch die klare Zielsetzung definierter
Funktionalität,
kann bei der hier vorgeschlagenen Lösung eine Betriebssicherheit
geboten werden, die im Grunde einer herkömmlichen und nichtvariablen
Ventilsteuerung gleichkommt.
-
Folglich
bedeutet es, dass bei einer parallelen einlass- und auslassseitigen
Umsetzung ebenfalls, auf Grund des speziellen Wirkprinzips und der speziellen
Wirkungsweise der Vorrichtung, kann, bei derartigen Anordnungen
ein sonst durchaus denkbares Szenario einer Steuerungsfehlfunktion,
die zu mechanischen Motorschäden
durch ungewollte Kollision der beweglichen Bauteile wie Kolben und
Ventile führen
könnte
und in der Entwicklungsphase als mögliche Gefahr vor allem bei
hoher Systemkomplexität
und/oder Stellgliederanzahl zumindest berücksichtigt werden muss, praktisch
mit einer einfachen Maßnahme/Zusatzvorrichtung
zur Begrenzung des Nockenwellenträgerschwenkbereiches von vornherein
ausgeschlossen sein.
-
Schließlich selbst
eine Implementierung der Erfindung in ein reelles Vorhaben erscheint
in Anbetracht der o.g. Merkmale und Vorteile, sowie der Tatsache,
dass diese Vorrichtung prinzipiell auf die Elektronik nicht angewiesen
ist und dabei trotzdem eine recht universelle Komplettlösung einer
vollvariablen Ventilsteuerung bietet, als eine vergleichsweise relativ
aufwendungsarme Aufgabe.
-
Dementsprechend
kann auch der Ressourcenverbrauch und die Zeit in der Entwicklungs-
und Konstruktionsphase eines neuen Motors eingespart werden.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
wegen des möglichst
kürzesten Hubkraftübertragungsweges
bevorzugte Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur variablen Hub-
und Steuerzeitenverstellung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine
in einer Querschnittsansicht eines Zylinderkopfes und
-
2 ein
Funktionsbeispielsdiagramm eines variabel gesteuerten Ventils nach 1.
-
Bei
der in 1 behandelten Konstruktion wurden zum Vorteil
des Verständnisses
dieser Beschreibung Details absichtlich vereinfacht und/oder so
gestaltet, dass dadurch wichtige Aufbaumerkmale sowie die Bedeutung
der einzelnen Bauelemente, die der Vorrichtung zur jeweilig gewünschten
Funktion verhelfen, in der zeichnerischen Darstellung klar erkennbar
sind.
-
Dadurch
bedingt, besitzt diese Ausführung der
hier vorgeschlagenen Lösung,
trotz voller Funktionsfähigkeit,
eher einen Charakter eines Anschauungsobjektes mit Grundlagenstatus.
Auch bei der Darstellung selbst wurden Details, die das eigentliche
Wesen der Erfindung nicht berühren,
wie z.B. Schwenkbereichbegrenzungs- und Verstellvorrichtung für den Nockenwellenträger oder
eine Tassenstößelführung sowie
teilweise vollständige
Positionsmarkierungen der beweglichen Bauteile, um darauf vor allem
eine bessere Auflösung
und Überschaubarkeit
der überaus
wichtigen und komplexen geometrisch dynamischen Zusammenhängen zu
erreichen, weggelassen.
-
Folglich
zeigt 1 eine Vorrichtung 1 zur stufenlos regelbaren
und vollvariablen Steuerung der Steuerzeiten und der Hubgröße eines
Einlassventils 2 in einer Querschnittsansicht eines Zylinderkopfes 3 eines
hier nichtgezeigten 4-Takt Motors in einem exakt bestimmten Zustand.
Demzufolge befindet sich ein Ventiltrieb mit einem auf einer Zwischen-/Antriebswelle 4 fest
angeordneten Antriebsrad 5, das durch einen Zahnriemen 6 mit
einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine kraftverbunden ist, direkt
vor dem Eintritt in eine Phase, in der das Öffnen des Einlassventils 2 eingeleitet
werden kann, was im Folgenden dargelegt wird.
-
Aus
der Anordnung kann klar abgeleitet werden, dass bei einer Situation,
bei der eine der drei Mobilmarkierungen auf dem Antriebsrad 5,
nämlich die
OT (oberer toter Punkt) Markierung 7 mit einer, durch eine
Schraube 8 am Zylinderkopf 3 befestigten OT Markierung 9,
die gleiche Position teilen würde, käme es in
Bezug auf eine herkömmliche
Ventilsteuerung einer aktiven Zylinder-/Brennkammerspülphase gleich.
-
Tatsächlich zeigt
aber eine, durch den gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Drehrichtungsmarkierungspfeil 10,
geklärte
Positionsordnung, dass die OT Markierung 7 einen Schritt
davor steht, um stattdessen den Platz gegenüber der OT Markierung 9 einer
EÖ (Einlass öffnet) Markierung 11 zu überlassen, wobei
vorerst betrachtend der Begriff „Einlass öffnet" nur der so definierten Stellung der
Zwischen-/Antriebswelle 4 allein eindeutig zugeordnet werden kann.
-
Anforderungsgemäß, wie sonst
bei jeder anderen variablen Ventilsteuerung auch, muss hier ebenfalls,
und das trotz der Tatsache, dass im Gegensatz zu der Zwischen-/Antriebswelle 4 eine
Nockenwelle 12 in dem Zylinderkopf 3 keine feste
Anordnung hat, sondern schwenkbar ist, die „Einlass öffnet" Phase durch den Hubkraftübertragungsstrang,
unabhängig
von der eingestellten Ventilhubgröße, konstant oder ggf. höchstens
davon in zumutbaren Grenzen abweichend, gehalten werden, um nach
Bedarf auf das Einlassventil 2, der Ventilsteuerungslogik
entsprechend, final übertragen
werden zu können.
-
Um
die sonst aufwendige Aufgabe zu lösen und jeder vorgesehenen
Hubgröße diese
fundamentale Funktion zur Verfügung
zu stellen, wurde ein Zwischengetriebe 13, das als Stirnzahnradgetriebe
mit Übersetzungsverhältnis 1:1
ausgelegt ist, eingesetzt.
-
Darauf
aufbauend wird im Betrieb eine Treibkraft der Zwischen-/Antriebswelle 4 starr,
weiter durch ein treibendes Zahnrad 14, auf ein getriebenes Zahnrad 15,
zur Nockenwelle 12 und schließlich auf einen modifizierten
Nocken 16 der Reihe nach übertragen.
-
Die
Nockenwelle 12 mit dem Nocken 16 und dem getriebenen
Zahnrad 15 ist genau wie die Zwischen-/Antriebswelle 4 mit
dem treibenden Zahnrad 14 jeweils, Drehlagergleitfläche inklusive,
aus einem Stück
gefertigt.
-
Auf
dem Zylinderkopf 3 ist ein Lagerbock 17 mit einer
Konstruktionsstruktur eines dickwändigen, nach innen rausragenden
Rohrs angeordnet/gelagert und, durch ein Halbschalenelement 18 sowie
jeweils mit einer Schraube 19 auf jeder der beiden Seiten
befestigt, dabei wird für
eine Lagerung der Zwischen-/Antriebswelle 4 die Rohröffnung verwendet, die
als ein Zwischen-/Antriebswellendrehlager 20 dargestellt
ist.
-
Ein
nicht abgedeckter Teil des Rohraußenmantels des Lagerbocks 17 dagegen
definiert ein Schwenklager 21 eines Nockenwellenträgers 22, dessen
Stellung durch den Verlauf seiner eigenen Mittellinie aufgezeigt
und als SP6 (Stellpositionsmarkierung 6 des Nockenwellenträgers 22)
ausgewiesen ist.
-
Der
Bauweise des Zwischengetriebes 13 entsprechend ergibt sich
so eine Anordnungskoaxialität
des Schwenklagers 21 und Zwischen-/Antriebswellendrehlagers 20,
sowie konsequenterweise eine zu der Zwischen-/Antriebswelle 4 passende
Parallelanordnung der Nockenwelle 12, die in einer zweiten, kleiner
dimensionierten und als ein Nockenwellendrehlager 23 gekennzeichneten Öffnung an
dem schwenkbaren Ende des Nockenwellenträgers 22 gelagert ist.
-
Es
gilt an dieser Stelle zu erwähnen,
dass in diesem Fall der Nockenwellenträger 22 nur als einfaches
Verbindungsglied ausgestaltet ist, was insbesondere, um eine nötige Stabilität gewährleisten
zu können,
eine ausreichende Dimensionierung der in 1 nichtgezeigten
Tiefe der jeweils und nur einfach vorhandenen Nockenwellendrehlager 23, Schwenklager 21 und
Zwischen-/Antriebswelledrehlager 20, sowie der Stärke des
Nockenwellenträgers 22 voraussetzt.
Der Nockenwellenträger 22, dessen
Konturen denen eines herkömmlichen
Nocken ähneln,
fasst praktisch die o.g. Bauelemente zu einer kompakten und variablen
Ventiltriebgebereinheit zusammen, die in Verbindung mit einer geeigneten
Verstellvorrichtung direkt fähig
ist, die Ansteuerungsparameter nach Bedarf zu verändern und/oder zu
fixieren.
-
Konsequenterweise,
der konstruktiven Anordnung der Nockenwelle 12 in dem schwenkbaren Nockenwellenträger 22 nach,
können
Nockenwellenanordnungskoordinaten, die hier variabel sind, zunächst nicht
definiert werden.
-
Um
in dieser Situation Abhilfe zu schaffen, wird an dieser Stelle vorgeschlagen,
eine neue Konstante zu benennen, die helfen soll, die konstruktive Gestaltung
der Vorrichtung 1 zu definieren und deren Wirkungsgesetzmäßigkeiten
eindeutig zu bestimmen.
-
Dabei
wird angenommen, dass im Vorfeld wichtige Zylinderkopfkonstruktionsmerkmale
wie z.B. Ventilwinkel, Brennkammerform, Verlauf und Ausgestaltung
des Einlasskanals oder der Anordnung der Führung, Federung und Zubehörbauelemente
für das
Einlassventil 2 definiert sind. Folglich, wenn auch in
diesem Fall die o.g. Faktoren keine prinzipielle Bedeutung für die Funktionsweise
der Vorrichtung 1 haben, die daher hier nicht ausführlicher
behandelt werden brauchen, bestimmen sie jedoch, wie bei jeder anderen
praktischen Implementierung einer Hubventilsteuerung, die Ausrichtung
sowie Gesamthöhe
des Einlassventils 2 mit.
-
Nach
einer konstruktiven Verwertung dieser Daten, können dann die Anordnungskoordinaten
einer Ventilachse 24 festgelegt sowie ein aktueller Ventilfunktionsstatus,
der in 1 auf eine Position des nach oben ragenden Endes
des Einlassventils 2 bezogen ist, ermittelt werden.
-
Als
universelles Beispiel angenommen und in 1 zeichnerisch
dargestellt sind diese Größen als
logischer Anfang sowie Aufbaufundament für die Konstruktionsgestaltung
der Vorrichtung 1 zu betrachten.
-
Da
es sich in diesem Fall um eine Ventilsteuerungsvariante handelt,
bei der die mit der Ventilachse 24 parallel wirkende Hubkraft
von der Nockenwelle 12 mit dem modifizierten Nocken 16 direkt über ein Hubübertragungselement,
in diesem Fall ein Tassenstößel 25,
auf dem Einlassventil 2, ähnlich wie bei einem großen Teil
der modernen Verbrennungsmotoren, übertragen wird, ist es vorteilhaft
eine virtuelle Bezugsebene 26 zu bestimmen, deren Ausrichtung und
Niveau, mit denen einer, durch einen Durchmesserwert d (Durchmesser
der Angriffsfläche 27 des Tassenstößels 25)
definierten, Angriffsfläche 27 des Tassenstößels 25 gleich
ist.
-
Um
dabei einen eindeutigen Ergebniswert zu erhalten, muss allerdings
für diesen
Zweck sicher gestellt werden, dass das Einlassventil 2 geschlossen ist
und in einem, insbesondere in Wirkrichtung der Hubkräfte, spiellosen
Kontakt zu dem Tassenstößel 25 steht.
-
Dieser
Zustand und das Positionsniveau der Bezugsebene 26 und
der Angriffsfläche 27 ist
mittels einer Hubgrößenmarkierungslinie
HO/5(SP6) [Ventilhubwert = null(0/5) bei Stellposition SP6 des Nockenwellenträgers 22]
dargestellt und definiert.
-
Die
gewählte
Anordnung der Bezugsebene 26 mit einem direkten Zugriff
auf die Anordnungskoordinaten der Ventilachse 24 bietet
letztendlich eine feste und exakte Bezugsplattform für den konstruktiven
Aufbau der Vorrichtung 1 und hilft auch, im Sinne der Steuerungslogik
des Ein lassventils 2, bei einer Bestimmung und Anbindung
der zusammenhängenden
Funktionseigenschaften der in 1 gezeigten
Bauelemente.
-
Des
Weiteren ist es aus der 1 ersichtlich, dass der Tassenstößel 25 mit
einer integrierten Ventilschaftaufnahme 28 sich nicht nur
in Kontaktzustand mit dem Einlassventil 2 befindet, sondern
mit ihm direkt mittels einer Gewindeverbindung 29 verschraubt
und mit einer Kontermutter 30 gesichert ist.
-
Mit
dieser Lösungsvariante
können
einerseits unkontrollierte Bewegungen des Tassenstößels 25 zwischen
dem modifizierten Nocken 16 und dem Einlassventil 2,
die im Betrieb und insbesondere bei kleineren Ventilhubeinstellungen
unweigerlich zu Verkantung und mechanischen Schäden der Bauteile führen würden, verhindert
werden, andererseits bietet sich die ideale Möglichkeit einer Niveaufeinanpassung
der Angriffsfläche 27 auf
die Bezugsebene 26 an.
-
An
dieser Stelle ist zu beachten, dass eine nach dem Zusammenbau erforderliche
Konzentrizität der
Führungsflächen des
Einlassventils 2 und Tassenstößels 25 schon bei
der Fertigung berücksichtigt und
sicher gestellt werden muss.
-
Jetzt
erst kann, mit Hilfe der Bezugsebene 26, eine Beziehung
der Position der Nockenwelle 12 zu der Hubgröße des Einlassventils 2 klar
definiert und so ein fehlendes Glied in einer logischen Funktionskette
des Ventilhubkraftstranges nachgereicht werden.
-
In
Anbetracht dessen liegt es dann nah, dass sich bei der Vorrichtung 1 der
variable Ventilhubwert direkt aus einer Verrechnung eines Entfernungswertes
einer Nockenwellenachse 31 zu der Bezugsebene 26 mit
der Höhe
des Nocken 16 ergibt.
-
Dem
entsprechend sowie bedingt dadurch, dass der Nocken 16 modifiziert
ist und praktisch keinen, in dem Steuerungsverfahren aktiven, Nockengrundkreis
aufweisen kann, verliert natürlich,
im herkömmlichen
Sinne betrachtend, die Nockenhöhe
ihre hubgrößenbestimmende
Bedeutung und wird an dieser Stelle durch eine neue Größe, nämlich ein
in 1 als ein Nockenrotationsradius r2 ausgewiesener
Entfernungswert einer Spitze des modifizierten Nocken 16 zu
der Nockenwellenachse 31, ersetzt.
-
Generell
gesehen, kann je nach Einstellung der Schwenkposition des Nockenwellenträgers 22 bestimmt
werden, ob das Einlassventil 2 innerhalb eines Arbeitszyklus
des Motors geschlossen bleiben oder geöffnet werden soll.
-
Um
das Öffnen
des Einlassventils 2 einleiten zu können, gilt verbindlich als
einzige Vorraussetzung, dass die Entfernung der Nockenwellenachse 31 zu
der Bezugsebene 26 kleiner sein muss als der Nockenrotationsradius
r2.
-
Für den Fall,
dass das Einlassventil 2 geschlossen bleiben soll, gibt
es dagegen zwei Möglichkeiten,
bei welchen die o.g. Entfernung entweder, vom Wert her, mit dem
Nockenrotationsradius r2 identisch oder größer sein muss.
-
Um
die Zusammenhänge
in dem variablen Ventilhubkraftstrang anschaulicher und eindeutiger darstellen
zu können,
wurde eine Entfernung der Nockenwellenachse 31 zu der Bezugsebene 26 gewählt, die
in der 1 mit dem Nockenrotationsradius r2 identisch ist.
-
Folglich,
wenn auch, in der als Ausgangszustand dargestellten Konfiguration,
das Öffnen
des Einlassventils 2 nicht möglich ist, käme es jedoch
in jedem Arbeitszyklus eines drehenden Motors zwangsläufig zu
Kontakt zwischen der Spitze des Nocken 16 und der Angriffsfläche 27 des
Tassenstößels 25.
-
Darauf
basierend lässt
sich schließen,
dass jede Veränderungsaktion
der SP6, die eine Abstandsverkleinerung, um einen beliebigen Wert
im Rahmen des vorgesehenen, zwischen der Nockenwellenachse 31 und
der Bezugsebene 26 zur Folge hätte, im Betrieb automatisch
eine vom Größenverhältnis her
analoge und direkt in Hubgröße umgewandelte Öffnungsreaktion
des Einlassventils 2 nach sich ziehen würde.
-
Um
diese direkte Auswirkung der Schwenkpositionsveränderung des Nockenwellenträgers 22 auf
die effektive Hubgröße des Einlassventils 2 aufzuzeigen,
sind in 1 außer der dargestellten Ausgangsposition
SP6, die mit einer Hubgrößenmarkierungslinie
HO/5(SP6) zusammen hängt,
zusätzlich fünf weitere
Positionen markiert.
-
Somit,
neben der „Null
Hub" Ausgangsposition,
kann beispielsweise hubwertaufsteigend die SP5 bis SP1 gewählt und
damit, der Hubgrößenmarkierungslinien
H1/5(SP5) bis H5/5(SP1) entsprechend, eine Ventilhubgröße von ein
Fünftel
bis fünf
Fünftel angesteuert
werden, wobei ggf. die SP1 zugleich eine maximale Hubgröße des Einlassventils 2 definiert.
-
Nach
den bis jetzt vorgetragenen Einsichten, die durch die Beschreibung
der konstruktiven Merkmale mit Funktions-, Anordnungs-, und Fertigungshinweisen
erweitert, der einzelnen und/oder zu diversen Bau-/Funktionsgruppen
zusammengefassten Bauelemente der Vorrichtung 1 oder Erklärung zu
der für
die 1 gezielt gewählten
Situation mit der festgelegten Stellung der Zwischen-/Antriebswelle 4 und dem
Status des Einlassventils 2 sowie bis hier insbesondere
auf die Ventilhubvariabilitätsbildung,
bei einer Veränderung
der Stellkonfiguration, bezogene Auswirkungsdarlegung erläutert worden
sind, kann jetzt als nächstes
auch ein komplexes Verhalten des modifizierten Nocken 16,
hinsichtlich der variablen Steuerzeitengestaltung, explizit definiert
werden.
-
Unter
dem Aspekt der Steuerzeitengestaltung also, lässt die Darstellung der 1 ebenfalls erkennen,
dass immer wenn sich die Zwischen/Antriebswelle 4 in der „Einlass öffnet" Position befindet, sich
entsprechend bei jeder markierten Stellung des Nockenwellenträgers 22 eine
andere Anordnungslage des modifizierten Nocken 16 ergibt,
die aber in jedem Fall, außer
SP6, sicher stellt, dass jeweils ein anderer Teil seiner abgerundeten
und durch einen Radius r3 (Nockenspitzenradius) definierten Arbeitsfläche, bei
noch geschlossenbleibendem Einlassventil 2, in Kontakt
mit der Angriffsfläche 27 des
Tassenstößels 25 steht.
-
Damit
unter einem Vorbehalt minimaler Abweichungen innerhalb des ganzen
Ventilhubgrößenspektrums,
die aber in Bezug auf das Konstanzprinzip zu vernachlässigen sind,
ist es aus der 1 eindeutig zu entnehmen, dass
die s.g. „Einlass öffnet" Phase für jede angewählte Hubgröße des Einlassventils 2 mit
einem reellen Wert, als ein universales und ohne zusätzlichen
Aufwand reproduzierbares Produkt, zur Verfügung steht.
-
Dem
gegenüber
definiert ausnahmsweise die Anordnungslage des modifizierten Nocken 16 bei SP6
eine rein virtuelle Variante der „Einlass öffnet" Phase, was explizit den Anforderungen
und somit den Tatsachen, dass bei dieser Stellung das Einlassventil 2 immer
geschlossen bleibt und dem entsprechend auch der Kontaktzeitpunkt
des modifizierten Nocken 16 mit der Angriffsfläche 27 keine
Rolle spielt, entgegen kommt.
-
Wie
dann die komplette Steuerzeitgestaltung des Einlassventils 2 während des
Betriebs durch die Vorrichtung 1 schließlich realisiert wird, zeigt übersichtlich
ein Funktionsdiagramm in der 2.
-
Folglich
finden sich alle Hubgrößen von HO/5(SP6)
bis H5/5(SP1), aus der 1 übernommen, markiert auf einer
senkrechten Hub-Achse des Funktionsdiagramms wieder, sowie auf einer
waagerecht angeordneten und auf einen Drehlaufprozess der Kurbelwelle
eines arbeitenden Motors bezogenen Zeit-Achse, als ein EÖ (Einlass öffnet) bzw.
ES (Einlass schließt)
Markierungspunkt ausgewiesen, alle Öffnungs- und Schließzeiten
des Einlassventils 2 fixiert zu sehen sind.
-
Eine
klare, nach Hubgrößeneinstellung
differenzierte, Diagrammauflösung
zeigen fünf
sogenannte Erhebungskurven, die einzeln einer, durch die Zeit-/Hubachsenkoordinaten,
der hintereinander in ausreichend kleinen Schritten gewählten Kurbelwellendrehpositionen
[Zeit-Standard in Grad Kurbelwinkel (°KW)] und der dabei, jeweils
aus der Wirkung des modifizierten Nocken 16 resultierenden
Hubdimensionen [Hub-Standard in Millimeter (mm)], vorgegebenen Linienführung folgend,
eine grafische Abbildung eines Steuerungsverlaufsprofils des Einlassventils 2,
zwischen den EÖ und
ES Markierungspunkten der Zeit-Achse dar stellen.
-
Ein
direkter Verlaufsvergleich der o.g. Erhebungskurven in dem Diagramm
der 2 weist, in Anbetracht des relativ geringen technischen
Aufwands zur Umsetzung der Systemvariabilität, auf eine insgesamt sehr
hohe Effizienz der Vorrichtung 1 hin, wobei insbesondere
die Anpassungsfähigkeiten der
Steuerzeitenregelung zu beachten sind und zeigt einerseits, dass
der Zeitpunkt des Öffnens
des Einlassventils 2 für
alle fünf
Hubgrößen gleich
und daher auf der Zeit-Achse als EÖ markierter Kurbelwinkelwert
nur einmal vorhanden ist, andererseits aber auch, dass der Ventilschließzeitpunkt,
für jede
einzelne der fünf
Hubgrößen, immer
ein anderer ist und dessen auf der Zeit-Achse jeweils als ES markierter Kurbelwinkelwert,
beim Verändern
der Stellposition des Nockenwellenträgers 22, mit dem Hubwert
als ein Paar gemeinsam eine, der Größe betreffend, gleichsinnige
Verhaltensweise aufweist, was positiver Weise immer zu gleichzeitiger
Zunahme bzw. Abnahme der beiden Werte führt.
-
Den
Zielvorgaben entsprechend also, ist die Vorrichtung 1 nicht
nur im Stande, durch einen parallel zu einer Verstellung der Hubgröße wirkenden Steuerzeitenverschiebungsprozess,
die für
die Zylinderspülung
erforderliche Konstanz der „Einlass öffnet" Phase sicher zu
stellen, sondern ebenfalls das schon erwähnte, auf die Lastwechselsteuerbarkeit positiv
wirkende, Verfahren „früheren Einlassschlusses" voll umzusetzen.
-
Zusätzlich als
funktionsvergleichsergänzender
Parameter ist in dem Diagramm 5fach ein Öffnungsdauerwert des Einlassventils 2,
der jeweils aus einer Winkelwertdifferenz der, durch die Hubgrößeneinstellung
bedingten, ES- sowie EÖ-Steuerzeit
resultiert, aufgezeigt und als VÖZF(SP5)
bis VÖZF(SP1)
(Ventilöffnungszeitfenster
bei SP5 bis SP1) ausgewiesen.
-
Konsequenterweise
ist eine der SP6 entsprechende Öffnungsdauer
des Einlassventils 2 gleich „Null" und daher auf der Zeitachse nur durch einen
einzigen EK (Einlass Kontakt) Markierungspunkt vertreten, der eine
Kurbelwinkelstellung definiert, bei dem sich die Spitze des modifizierten
Nockens 16 im o.g. Kontaktzustand mit der Angriffsfläche 27 des
Tassenstößels 25 befindet
und ihr dabei auch exakt senkrecht gegenüber steht.
-
Als
Beispiel für
eine funktionslogische Verbindung der Vorrichtung 1 zur
Auslassseite, um vor allem die hier ebenfalls variable Gestaltung
der Ventilüberschneidungsphase
aufzuzeigen, liefert ein Teil einer weiteren Erhebungskurve, deren
Ende die Zeitachse deckungsgleich mit der EK-Markierung trifft und
als ein Schließwinkelwert
AS (Auslass Schließt) eines
in 1 nichtgezeigten und mit einer fixen Hubgröße sowie
einer fixen Öffnungs-
und Schließzeit
gesteuerten Auslassventils ausgewiesen ist.
-
Eine
der wichtigsten Aufgaben der 1 ist die,
die von der Wahl der Hubgrößeneinstellung
des Einlassventils 2 unabhängig konstantbleibende „Einlass öffnet" Phase und die dazu
nötige
Anordnungslageveränderung
des modifizierten Nocken 16 zu zeigen.
-
Ferner,
bei Betrachtung der gegebenen Endstellpositionen, ist es deutlich
erkennbar, dass die Nockenspitze bei der Einstellung HO/5(SP6),
dem Drehrichtungsmarkierungspfeil 10 nach, die Mittellinie
SP6 des Nockenwellenträgers 22 schon
passiert hat, während
vergleichsweise bei H5/5(SP1) die Spitze der Nockenkonturmarkierung
davon, die markierte Mittellinie SP1 zu ereichen, noch ziemlich
weit entfernt ist.
-
Dieses
Verhalten ist zusätzlich
durch gegensätzliche
Wertsymbolzuweisung für
zwei, jeweils der Konfiguration entsprechend, ausgewiesene Nockenpositionswinkel,
nämlich
+β(SP6)
[positiver Positionswinkel β (Beta)
der Mittellinie des modifizierten Nockens 16 zu der Mittelinie
des Nockenwellenträgers 22 bei
SP6] sowie -β(SP1)
(negativer Positionswinkel β der
Mittellinie des modifizierten Nockens 16 zu der Mittelinie
des Nockenwellenträgers 22 bei SP1)
des modifizierten Nockens 16 verdeutlicht.
-
Die
in sechs Einstellungsvarianten zeichnerisch dargestellte Situation
aus der 1, die in dem Diagramm der 2 einem
durch den EÖ-Kurbelwinkelmarkierungspunkt
definierten Ventilsteuerungsfunktionsstand entspricht, zeigt eine
zu der Nockenwellenträgerverstellung
parallel wirkende und für
die Konstanz der EÖ-Phase
nötige
Einlasssteuerzeitenkorrekturarbeit, die, in Form einer relativen
Verdrehung der Nockenwelle 12 zu der Zwischen-/Antriebswelle 4,
durch die Vorrichtung 1 bedarfsentsprechend verrichtet
wird.
-
Dieses
reinmechanische Wirkprinzip des relativen Verdrehens der Nockenwelle 12 behält seine Gültigkeit
immer und somit während
einer Hubausführungsphase
oder bei einem Durchlauf einer Leerlaufphase des modifizierten Nocken 16 gleichermaßen sowie
ggf. in einem Stellbereich des Nockenwellenträgers 22, bei dem das Öffnen des
Einlassventils 2 nicht möglich ist.
-
In
dem Diagramm der 2 ist das auf die Zeitachse
bezogene Verhalten der Nockenwelle 12 übersichtlich anhand der unterschiedlichen
Nockenspreizungswinkelwertangaben NS(SP1) bis NS(SP6) (Nockenspreizungswinkelwert
bei SP1 bis SP6) ausgewiesen, wobei wie üblich ein Schnittpunkt der
Koordinatenachsen, der einen OT-Kurbelwinkelmarkierungspunkt (oberer
toter Punkt) definiert, und ein am höchsten liegender Punkt der
jeweils betrachteten Einlass-Erhebungskurve oder im Falle der SP6
der EK-Markierungspunkt, für
die Bemessung als Bezugsparameter herangezogen sind.
-
Um
ein den Anforderungen entgegenkommendes Ergebnis wie in dem Diagramm
der 2 zu erreichen, müssen während der Entwicklungsphase neben
den schon besprochenen, weitere erfindungsspezifische Merkmale der
Vorrichtung 1 konstruktiv umgesetzt werden.
-
Die
Schlüsselrolle
spielt dabei eine Anordnung einer Schwenkachse 32 [Schwenkachse
des Nockenwellenträgers 22 (definiert
zugleich auch die Zwischen-/Antriebswellendrehachse)] des Nockenwellenträgers 22,
die in 1 durch die auf die Ventilachse 24, aber
unter spezieller Berücksichtigung der,
durch den Durchmesser d begrenzt, zur Verfügung stehenden Angriffsfläche 27 des
Tassenstößels 25,
sowie auf die Bezugsebene 26 bezogenen Koordinaten x und
y definiert ist.
-
Als
eine Art „leitende
Richtlinie" für die Anordnungsbestimmung
gilt es dabei, die Koordinaten x und y so zu definieren, dass in
der überaus
wichtigen und sensiblen „Einlass öffnet" Phase die Nockenspitze
sich im wesentlichen möglichst
zwischen der Schwenkachse 32 und der Nockenwellenachse 31 befindet.
-
Ist
dies erst mal umgesetzt, dann wird die Entfernung der Nockenspitze
zu der Schwenkachse 32 minimiert, was wiederum gezielt
herbeiführt,
dass eine, zunächst
auch ohne Beteiligung des Zwischengetriebes 13 gedachte
und mit einer Veränderung
der Stellposition des Nockenwellenträgers 22 zusammenhängende,
sowie auf die Bezugsebene 26 bezogene Niveauschwankungsabhängigkeit
eines Nockenspitzenmittelpunkts 33 [Nockenspitzenmittelpunkt
auf der Mittellinie des modifizierten Nocken 16 (definiert,
durch r2 verkürzt
um r3)] im Vergleich mit der der Nockenwellenachse 31,
durch eine sozusagen Pseudoschwenkarmverkürzung, die in einer solchen
speziellen Situation zum Tragen kommt, bedeutend reduziert werden
kann. Praktisch in die Steuerungsfunktionsstruktur der Vorrichtung 1,
in einer Kombination mit einem Abrolleffekt des getriebenen Zahnrades 15 auf
dem treibenden Zahnrad 14, aufgenommen, steigert diese
Funktionsbesonderheit, wie die Darstellung der 1 und
das Diagramm der 2 übersichtlich zeigen, die Öffnungszeitenkorrektureffizienz
des Einlassventils 2 enorm.
-
Noch
mal deutlich wird es, wenn unter diesem Aspekt die schon analysierten
Funktionsvorgänge
rund um die beiden Winkel +β(SP6)
und –β(SP1) im
Vergleich herangezogen werden. Daraufhin ist es festzustellen, dass
beispielsweise während
eines Verstellungsvorganges des Nockenwellenträgers 22 von SP6 zu
SP1 der effektive Abstand der Nockenwellenachse 31 zu der
Bezugsebene 26 kontinuierlich verkleinert wird, dem entgegenwirkend
jedoch gleichzeitig, durch gezielte Anwendung des Zahnradabrolleffektes
mit der o.g. Pseudoschwenkarmverkürzung zusammen und wenn auch
mit einer horizontalen Verschiebung, die ungünstigerweise wegen der Nockenwellenschwenkbarkeit
nicht zu vermeiden ist und als ein Nebenprodukt dabei zu Stande kommt,
aber dennoch im konstruktiv zulässigen
Rahmen bleibend, mit der Angriffsfläche 27 des Tassenstößels 25 problemlos
abgefangen werden kann, bleibt die Position des Nockenspitzenmittelpunktes 33 vom
Niveau her im wesentlichen (SP6 ausgenommen) konstant.
-
Konsequenterweise
wird die Niveaukonstanz des Nockenspitzenmittelpunktes 33 senkrecht nach
unten auf ein Teil der durch r3 definierten Arbeitsfläche des
modifizierten Nocken 16 übertragen, was wiederum dem
vorgegebenen Ziel, einen gemeinsamen EÖ-Zeitpunkt für jede zur
Auswahl stehende Hubgrößeneinstellung
zu erzwingen (siehe EÖ-Kurbelwinkelmarkierungspunkt 2),
entgegenkommt.
-
Bei
der primären
Funktion des schwenkbaren Nockenwellenträgers 22, nämlich der
Ventilhubgrößenregelung,
die jeweils Senken, Heben oder Halten der Nockenwelle 12 in
einer bestimmten Position als Aufgabe hat, wird ggf. neben der Vertikal- auch
gleichzeitig, was offensichtlich ist und bis hierhin direkt nicht
angesprochen wurde, die Horizontalanordnungslage der Nockenwellenachse 31 in
Zusammenhang mit einem Schwenkbahnverlauf um die Schwenkachse 32,
der einem, durch einen Nockenwellenachsschwenkradius r1 definierbaren,
Teil eines Kreises entspricht, verändert.
-
Weiter
folgend entspricht der r1 also einer Anordnungsentfernung der Nockenwelle 12 zu
der Zwischen-/Antriebswelle 4, die in Hinblick auf das
gesamte Hubgrößenspektrum
sowie passend zur Bezugsebene 26 und Angriffsfläche 27,
wie die x und y Koordinaten auch, so gewählt sein muss, dass, durch eine
damit zusammenhängende
Dimensionierungsvorgabe für
die beiden Zahnräder 14 und 15,
das Zwischengetriebe 13 in einer Zusammenwirkung mit der
entsprechend angepassten und durch r2 und r3 definierten Profilformgebung
des modifizierten Nocken 16, bei jeder Situation in der
Lage ist, mittels einer einfach resultierenden Nockenwellenrelativverdrehung
als generell betrachtend sekundäre
Funktionsaufgabe des schwenkbaren Nockenwellenträgers 22, eine anforderungsgemäße Ventilsteuerzeitenregelung
in einem effektiven Schwenkbereich der Nockenwellenachse 31,
der dabei definiert werden kann und in 1 durch
einen Winkel α(SP6)
und einen Winkel α(SP1)
[auf die Bezugsebene 26 bezogenen Neigungswinkel α (Alpha)
des Nockenwellenträgers 22 bei
(SP6) und (SP1)] begrenzt ist, zur Verfügung zu stellen.
-
Daraufhin
zeichnet sich deutlich ab, dass die erforderlichen konstruktiven
Vorbedingungen eine vielschichtige Struktur bilden, deren Dichte
und Komplexität
vor allem auf Grund der Tatsache, dass die Vorrichtung 1 erfindungsgemäß nur mit
Hilfe eines einzigen Stellgliedes geregelt werden soll, zurück zu führen ist.
-
Letztendlich
liefert diese Struktur einen Leitfaden für die Entwicklungsphase, in
der vorrangig auf ein sensibles und unter dem Aspekt der Variabilität instabiles
Eigenschaftsnetzwerk der konstruktionsrelevanten Faktoren, die sich
praktisch alle, geprägt durch
eine mehrdimensional variierende Konstruktionsgeometrie, gegenseitig
beeinflussen und daher auch auf eigene Art und Weise direkt oder
indirekt eng miteinander zusammenhängen, hingewiesen wird.
-
Weiter
interpretiert müssen
normalerweise, mit Ausnahme eines „Glückstreffers", mehrere Formgestaltungs- und/oder
Anordnungsparameter solange konsequent in einem konstruktiven Anpassungsprozeß, durch
Veränderung
ihrer Werte aufeinander abgestimmt und miteinander in jeder potenziell
möglichen
Situation, auf ihre Wirkung überprüft werden, bis
alle Funktionen der Vorrichtung 1 erwartungsgemäß, wie in
dem Diagramm der 2, abrufbar zur Verfügung stehen.
-
Es
gilt also dabei, und das bevor alle wichtigen Eckdaten der Konstruktion
endgültig
definiert sind, eine optimale Dimensionierung, insbesondere der
r1 bis r3 sowie x und y, zu ermitteln und sie entsprechend einzeln
so zu bestimmen, dass dadurch eine gewünschte Wirkungskombination
der damit zusammenhängenden
Bauteile erzielt wird.
-
Welche
Konsequenzen eine Veränderung der
Konstruktion in dem Anpassungsprozeß auf den Ventilsteuerungsablauf
haben kann, verdeutlicht ein Beispiel, in dem, von der Gegebenheiten
der 1 ausgehend, das rotierende Ende des modifizierten Nocken 16 breiter
gestaltet wird. Wenn also nur der r3 beispielsweise vergrößert wird,
dabei aber der r2 unverändert
bleibt, so führt
das, bei den sechs zur Auswahl stehenden Stellungen des Nockenwellenträgers 22,
zu keiner Veränderung
der Hubgröße, dafür nimmt
aber generell die Ventilöffnungsdauer
des Einlassventils 2, außer SP6, in jedem Fall zu.
-
Ein
Ausmaß dieser
Ventilöffnungsdauerveränderungen
ist jedoch nockenwellenträgerstellungsabhängig und
fällt daher
unterschiedlich aus.
-
Folglich,
auch mit bemerkbar größer dimensioniertem
r3, wäre
der Unterschied bei SP5 im Gegensatz zu SP1 minimal.
-
Grund
dafür ist
die Tatsache, dass für
das Öffnen
und Schließen
des Einlassventils 2 bei SP5 sowieso nur, die auf diese
Maßnahme,
sofern der r2 unverändert
bleibt, weitgehend unempfindlich reagierende Spitze des modifizierten
Nocken 16 in Anspruch genommen wird.
-
Bei
SP1 dagegen, auf Grund der anderen Werte der Winkel α und β, kommt die
ganze Nockenarbeitsfläche
mit ihren äußersten,
der Öffnungs-
und Schließzeitpunkt
des Einlassventils 2 definierenden und im Fall einer Veränderung
der r3 am meisten betroffenen, Flanken zum Einsatz. Bei einer Vergrößerung des
r3 bedeutet es also, dass in einer dadurch symmetrisch veränderten
Konstruktion des modifizierten Nocken 16 die beiden Flanken
weiter von einander entfernt liegen würden.
-
Dieser
Faktor mal auf die 1 übertragen und/oder praktisch
umgesetzt, würde
dann eine Zunahme der Breite, insbesondere des ventilsteuerungsprozessaktiven
Teils, des modifizierten Nocken 16 verursachen und damit
zu früherer Öffnung sowie konsequenterweise
späterer
Schließung
des Einlassventils 2 führen.
-
Und
so z.B., zunächst
betrachtend, bei einer geringfügigen
und was durchaus denkbar ist, auch als Zielsetzung angestrebten
Ventilöffnungswinkeldifferenz,
die dabei, auf den Vergleich zwischen der SP1 und SP5 bezogen, zustande
käme, könnte, um ein
optimales Ergebnis zu erlangen, mittels einer korrigierenden Nockenspreizungsvergrößerung in
einer festdefinierten Grundeinstellung Abhilfe geschaffen werden.
-
Im
Falle einer größeren Ventilöffnungswinkeldifterenz,
bei der die zulässigen
Toleranzen bezüglich
der Ventilsteuerungslogik in der EÖ-Phase nicht eingehalten werden
können,
wäre dagegen
die Nockenspreizungskorrekturmaßnahme,
höchstwahrscheinlich
auch wegen zu starker „nach
Spät-Verschiebung" des Einlassschlusses,
ungeeignet.
-
Wenn
also eine solche r3-Vergrößerung,
um beispielsweise die maximale Drehzahl der Brennkraftmaschine,
durch Verlängerung
der Ventilsöffnungsdauer,
zu erhöhen,
wofür alternativ
auch eine Verkleinerung des r2 als Lösungsschritt in Frage käme, trotzdem
umgesetzt werden sollte, wäre
darauf ein Folgeschritt, in dem versucht werden müsste, die übrigen konstruktionsrelevanten
Faktoren der Vorrichtung 1 auf die neudefinierte Vorgabe,
wie oben vorgeschlagen, bedarfsentsprechend abzustimmen/anzupassen,
unumgänglich.
-
Um
bei einer Durchführung
eines solchen Anpassungsprozesses einen groben Überblick zu gewinnen, ist es
einfacher, sich zunächst
auf einen Ventilöffnungszeitenvergleich,
nur bei einer minimalen und einer maximalen Hubeinstellung des Einlassventils 2,
zu beschränken.
-
Ist
das Ergebnis, auch hinsichtlich des Einlassschlusses bei maximalem
Hub, mal zufriedenstellend, sollte dann konsequent die Steuerzeitengestaltung,
bei den übrigen
zur Auswahl stehenden Zwischenstellungen des Nockenwellenträgers 22, überprüft werden.
-
Es
kann sich dabei herausstellen, dass je nach dem welcher Faktor oder
welche Faktoren und in welchem Umfang verändert worden ist/sind, die
Ergebnisse gegebenenfalls, insbesondere was die EÖ-Phase betrifft,
in Gestaltung mit überraschend unerwartetem
Profil, nicht bei jeder Hubgröße den Anforderungen
standhalten können.
-
In
einem solchen Fall wäre
es dann nötig,
erneut nach einer anderen Kombination zu suchen. Generell stellt
einerseits eine Findung einer ausgewogenen Kompromisslösung, durch
maßgenaue
Formgestaltung der einzelnen Bauelemente der Vorrichtung 1 und
deren zweckmäßig präzise Anordnung,
die bei voller Systemvariabilität
gleichzeitig eine fehlerfreie Ausführung aller Steuerungsfunktionen
des Einlassventils 2 erlaubt, vor allem wegen der vielen,
nötigen Funktionsverknüpfungen
und daraus resultierenden Abhängigkeitsstrukturkomplexität im Gesamten,
eine anspruchsvolle Aufgabe dar.
-
Andererseits
im Anpassungsprozess, der auch mit relativ einfachen Mitteln, wie
einem umgestaltungsfähigen
Modell der Vorrichtung 1, ohne weiteres durchführbar ist,
mal erfolgreich abgeschlossen, liefert diese Findung Eckdaten einer
mechanischen Konstruktion mit einer konsequenterweise zwangsläufig implementierten
Funktionsprozesssteuerung und damit sozusagen „Hardware und Software in
Einem" als ein Lösungspaket
für eine
vollvariable Ventilsteuerung, die ein zusätzliches, bei anderen Ventilsteuerungsvorrichtungen
standardmäßig verwendetes
und gewöhnlich
aufwendiges, variabilitätssicherndes
Steuerungssoftwareprogramm oder sogar mehrere davon, samt entsprechend
nötiger Umfeldtechnik,
wie schon erwähnt, überflüssig macht.
-
Zur
Vervollständigung
dieser Beschreibung folgen ergänzende
Erläuterungen
sowie zusätzliche Hinweise
und Informationen.
-
Was
nicht unmöglich
scheint und durch den Patentanspruch 1 nicht ausgeschlossen ist,
wäre z.B.
eine Lösung,
bei der die Nockenwellenachse 31, bei einer Hubgrößenverstellung,
sich auf einer geradlinigen Bahn bewegen würde.
-
Eine
praktische Verwirklichung einer solchen Variante ist jedoch von
vornherein mit mehreren Nachteilen und konstruktiven Problemen verbunden.
-
Folglich
wäre die
Vorrichtung 1 praktisch auf ein Kettengetriebe als Zwischengetriebe 13 angewiesen,
was wiederum eine relativ komplizierte Kettenführung mit mehreren Umlenkkettenrädern bedürfte.
-
Außerdem,
um dabei den Anforderungen der Steuerzeitenregelung nachzukommen,
wäre es
nötig,
ein, zu dem Größenwert
des r2, verhältnismäßig sehr
kleines Kettenrad auf der Nockenwelle 12 zu verwenden,
was, bei einer praktischen Umsetzung, ebenfalls unter mehreren Aspekten
als ein schwieriges Hindernis einzustufen ist.
-
Ein
weiteres großes
Problembündel
hängt mit
einer, in diesem Fall, technisch aufwendigen Aufgabe, nämlich der
Sicherstellung einer soliden und anforderungsgerechten Stabilität, die bei
Verstellung oder bei Halten einer bestimmten Position eines entsprechenden
Nockenwellenträgers
zur Verfügung gestellt
werden müsste,
zusammen.
-
Speziell
handelt es sich hier vor allem um eine, der Bewegungsbahn entsprechende,
Verstell- sowie eine Führungsvorrichtung,
die zusammen in der Lage wären
in jedem Fall eine Verkantung des Nockenwellenträgers auszuschließen und
stets, insbesondere bei Steuerung von mehreren Gaswechselventilen,
eine Anordnungsparallelität
der Nockenwellenachse 31 zur Bezugsebene 26 zu
garantieren.
-
Dem
gegenüber
können
größtenteils
solche Probleme bei einer in dem Patentanspruch 2 explizit beschriebenen
Vorrichtung 1, durch Umsetzung der Schwenkbarkeit der Nockenwelle 12,
vermieden werden.
-
Allerdings,
bei Verwendung eines einfachen Kettengetriebes, das beispielsweise
hier ebenfalls denkbar wäre,
hätte man,
was die Größe des vorhin erwähnten Kettenrades
auf der Nockenwelle 12 betrifft, mit einem ähnlichen
Problem zu tun, weil ggf. ein zweites Partnerkettenrad auf der Zwischen-/Antriebswelle 4,
bei möglichst
geringer Anordnungsentfernung der beiden Wellen 4 und 12 zueinander,
unverhältnismäßig viel
größer sein
müsste,
um einer erwarteten Steuerzeitenregelbarkeit in gewünschter Größe näher zu kommen.
-
Und
um dabei die Effizienz, und dazu noch in einem entsprechenden Verhältnis zu
der gegebenenfalls gewählten
Position der Nockenwellenachse 31 auf ihrer Bewegungsschwenkbahn,
weiter steigern zu können,
wäre es
nötig,
die Zwischen-/Antriebswelle 4, verglichen mit der Anordnung
in der 1, oberhalb der Nockenwelle 12 anzuordnen,
was sich konsequenterweise zusätzlich
auf den Platzbedarf und somit auch auf die Abmessungen einer solchen
Variante der Vorrichtung 1 negativ auswirken würde.
-
Um
die in diesem Vervollständigungsteil
der Beschreibung aufgezeigten Probleme zu umgehen bzw. sie auf effiziente
Weise zu minimieren, eignet sich daher am besten die im Hauptteil
beschriebene und im Patentanspruch 3 ausgewiesene Lösung.
-
Selbstverständlich sollte
schon dabei, in einem reellen Anwendungsfall der Vorrichtung 1,
der Nockenwellenträger 22,
mit dem implementierten Zwischengetriebe 13, mindestens
zwei ausreichend dimensionierte Schwenklager 21 besitzen
und eine Konstruktionsstruktur etwa eines Rahmens oder einem zu
der Angriffsfläche 27 offenen
Gehäuse
haben, um genügend
Eigensteifigkeit sowie Stabilität und
Betriebssicherheit für
die gesamte Konstruktion, insbesondere bei Steuerung von mehreren
Gaswechselventilen in einer Reihe, bieten zu können, auch in Hinblick auf
eine Verstellvorrichtung, für
deren Realisierung sicher mehrere gängige Lösungsmöglichkeiten potenziell in Frage
kommen.
-
Ferner
auch, bedingt durch die Tatsache, dass bei dieser Lösung die
Stirnzahnräder 14 und 15, wie
beschrieben, direkt ineinander greifen und so die gegensinnige Drehrichtung
der Zwischen-/Antriebswelle 4 und
der Nockenwelle 12 vorgeben, kann eine Schwenkachse 32,
wie die 1 zeigt, sehr kompakt und sogar
unterhalb der Bezugsebene 26 angeordnet werden, was letztendlich
vorteilhafterweise einerseits erheblich zur Effizienzsteigerung
der Steuerzeitenregelbarkeit des Einlassventils 2 beiträgt und andererseits
erlaubt, im Gegensatz zu der Kettenantriebsvariante, auf ein Nockenwellendrehzahlkorrekturgetriebe
zu verzichten.
-
Es
gilt auch an dieser Stelle zu bemerken, dass obwohl eine ursprüngliche
Verwendungsabsicht eines herkömmlichen
Nocken, vor allem in den Patentansprüchen, die allgemein gehalten
sind, fest zu stellen ist, wurde dieser in Konsequenz der schon ausführlich erläuterten
Vereinfachung seiner Konstruktionsstruktur und Einschränkung seiner
Funktionseigenschaften, im Beschreibungstext vorwiegend als modifizierter
Nocken 16 ausgewiesen sowie dem entsprechend in der 1 als
solcher dargestellt.
-
Im
Sinne dessen ist daraus abzuleiten, dass die Vorrichtung 1 prinzipiell,
wenn keine speziellen oder zusätzlichen
Funktionen vorgesehen sind, wie z.B. eine Zwangsführung eines
Schlepphebels an dem Profil eines Nocken, sowohl mit einem herkömmlichen,
als auch mit dem modifizierten Nocken 16 betrieben werden
kann.
-
Des
weiteren, um den Schwierigkeitsgrad bei einer Durchführung des
oben beschriebenen Anpassungsprozesses von Anfang an möglichst
niedrig zu halten und dabei gleichzeitig mehr konstruktive Flexibilität bei der
Formgestaltung und/oder Anordnung der Bauelemente während der
Entwicklungsphase der Vorrichtung 1 zu erreichen, ist es
von Vorteil für
die Angriffsfläche 27, generell
betrachtend und damit unabhängig
davon welche Art oder welcher Typ eines Hubkraftübertragungselementes verwendet
wird, relativ zu einem Wert der, mit der Anordnungsvariabilität der Nockenwelle 12 zusammenhängend, vertikalen
Verschiebung der Nockenwellenachse 31, eine maximal mögliche Gestaltungsgröße, wie
z.B. in diesem Fall den Durchmesserwert d des Tassenstößels 25,
zu bestimmen.
-
Die
in dieser Beschreibung erläuterten
Nutzeigenschaften sowie die Anzahl der Funktionen der Vorrichtung 1 können außerdem,
einerseits durch eine geringe Veränderung der in der 1 gezeigten Grundkonstruktion
und/oder, andererseits durch eine Aufrüstung mit einem zusätzlichen
Nockenwellenversteller, erweitert bzw. erhöht werden.
-
So
zum ersten, bei beispielsweise zwei Einlassventilen 2 pro
Zylinder, kann entsprechend auf der Einlassseite, durch Anwendung
zweier Nocken 16, die jeweils eine andere Höhe bzw.
einen anderen r2 Wert haben und/oder, durch eine, in Bezug auf die Bezugsebene 26,
vom Niveau her unterschiedliche Anordnung der Angriffsflächen 27 gegebenenfalls der
beiden verwendeten Tassenstößel 25,
bewirkt werden, dass im Leerlauf oder bei niedrigen Lasten eines
der beiden Einlassventile 2 geschlossen bleibt bzw. seine
Hubgröße im Vergleich
zu dem anderen kleiner gehalten wird, um schließlich zwecks Verbrennungsprozessoptimierung
eine verstärkte
Bildung eines Dralls und/oder einer Verwirbelung einer Ladung in
dem Brennraum bei einem Gaswechsel zu erzwingen.
-
Zum
zweiten, um die immer komplexer werdenden Anforderungen, bezüglich der
Verbrennungseffizienz oder der Schadstoffemission, in jeder Situation
und bei jedem Betriebszustand eines Motors differenzierter und besser
zu erfüllen,
kann dieses mit einer Variabilitätserweiterung
der Vorrichtung 1 durch einen zusätzlichen, der Nockenwelle 12 vorgeschalteten
sowie vorzugsweise auf der Zwischen-/Antriebswelle 4 angeordneten,
Nockenwellenversteller erreicht werden.
-
Diese
konstruktive Erweiterungsmaßnahme kann
natürlich
auch mit einem zweiten auf der Auslassseite zusätzlich verbauten Nockenwellenversteller
kombiniert werden.
-
Die
so dazugewonnenen und von der Vorrichtung 1 unabhängigen Steuerzeitenverschiebungsfähigkeiten
könnten
beispielsweise erlauben, durch eine direkte Anwendungsmöglichkeit
einer exakten Restgasregelung, nach einem Kaltstart einen Aufheizungsprozess
eines Katalysators deutlich zu beschleunigen, um ihm damit gezielt
früher
zu einer Vollfunktionsfähigkeit
zu verhelfen.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Einlassventil
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Zwischen-/Antriebswelle
- 5
- Antriebsrad
- 6
- Zahnriemen
- 7
- OT
Markierung (mobil)
- 8
- Schraube
- 9
- OT
Markierung (fest)
- 10
- Drehrichtungsmarkierungspfeil
(mobil)
- 11
- EÖ Markierung
(mobil)
- 12
- Nockenwelle
- 13
- Zwischengetriebe
- 14
- treibendes
Zahnrad
- 15
- getriebenes
Zahnrad
- 16
- Nocken
(modifiziert)
- 17
- Lagerbock
- 18
- Halbschalenelement
- 19
- Schraube
- 20
- Zwischen-/Antriebswelledrehlager
- 21
- Schwenklager
- 22
- Nockenwellenträger
- 23
- Nockenwelledrehlager
- 24
- Ventilachse
- 25
- Tassenstößel
- 26
- Bezugsebene
- 27
- Ängriffsfläche
- 28
- Ventilschaftaufnahme
- 29
- Gewindeverbindung
- 30
- Kontermutter
- 31
- Nockenwellenachse
- 32
- Schwenkachse
- 33
- Nockenspitzemittelpunkt