DE102006018598A1

DE102006018598A1 - Zwangssteuerung für ein Hubventil einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006018598A1
Application number: DE200610018598
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Zwangssteuerung für ein Hubventil (3) einer Brennkraftmaschine (2), mit einer Nockenwelle (4) mit einem Öffnernocken (5) und einem Schließernocken (6). Der Öffnernocken betätigt das Hubventil über einen in einer Längsführung (9) der Brennkraftmaschine gelagerten Ventilstößel (10) in Öffnungsrichtung, und der Schließernocken betätigt das Hubventil unter Zwischenschaltung eines in der Brennkraftmaschine gelagerten Kipphebels (20) in Schließrichtung. Dabei ist zur Einstellung unterschiedlicher Öffnungshübe (h) des Hubventils eine im Ventilstößel angeordnete und mit dem Schaftende (15) des Hubventils zusammenwirkende Klemmvorrichtung (30) vorgesehen, die schnell schaltend ausgeführt ist, derart, dass die Hubbewegung des Öffnernockens und/oder des Schließernockens in Bezug auf die Winkelstellung der Nockenwelle vom Hubventil entkoppelbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Zwangssteuerung für wenigstens ein Hubventil einer Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle mit einem Öffnernocken und einem Schließernocken. Der Öffnernocken betätigt das Hubventil über einen in einer Längsführung der Brennkraftmaschine gelagerten und eine Abgriffsfläche für den Öffnernocken aufweisenden Ventilstößel in Öffnungsrichtung, und der Schließernocken betätigt das Hubventil wenigstens unter Zwischenschaltung eines in der Brennkraftmaschine gelagerten Kipphebels, der den Ventilstößel zumindest mittelbar in Richtung des Öffnernockens kraftbeaufschlagt, in Schließrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Zwangssteuerung, die auch als desmodromische Ventilsteuerung bezeichnet ist, geht aus der gattungsgemäßen DE 35 39 812 A1 hervor und bietet bekanntlich das Potenzial einer erheblichen Drehzahlsteigerung der Brennkraftmaschine. Dies liegt im wesentlichen darin begründet, dass ein von Kontaktverlusten innerhalb der Ventilsteuerung freier Öffnungs- und Schließvorgang der Hubventile nicht mehr von in Schließrichtung wirkenden Ventilfederkräften, sondern von einem zusätzlichen nockengesteuerten Getriebe kontrolliert wird. Zur Erzeugung einer dichtenden Kontaktkraft zwischen dem geschlossenen Hubventil und dem zugehörigen Ventilsitz kann dennoch eine vergleichsweise schwache Ventilfeder vorgesehen sein, wie sie auch in der zitierten Druckschrift vorgeschlagen ist. Innerhalb des durch eine solche Zwangssteuerung mechanisch erweiterten Drehzahlbands der Brennkraftmaschine wird jedoch der bei starren Nockenerhebungen grundsätzlich bestehende Kompromisszwang hinsichtlich der teilweise gegensätzlichen und maßgeblich durch den Ladungswechsel beeinflussten motorischen Zielgrößen Drehmoment/Leistung, Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen weiter verschärft. So besteht ein wesentlicher Zielkonflikt darin, die stets konstante Ventilerhebung gleichzeitig auf die Anforderungen des Ladungswechsels im Betriebspunkt höchster Leistung und auf die Anforderungen im Leerlaufpunkt der Brennkraftmaschine abzustimmen. Denn einerseits würden die bei sehr hohen Drehzahlen auftretenden gasdynamischen Effekte während des Ladungswechsels mit einem großen Maximalhub bei einer langen Ventilöffnungsdauer und einer großen Überschneidung zwischen Auslass- und Einlassventilen harmonisieren. Eine solche Steuerzeitencharakteristik stünde andererseits jedoch dem restgassensitiven Leerlauf und leerlaufnahen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine entgegen, da hier kurze Ventilöffnungsdauern und kleine Ventilüberschneidungen bei moderaten Ventilhüben zur Erzeugung niedrigster Abgasemissionswerte bei bestmöglicher Rundlaufqualität der Brennkraftmaschine von Vorteil sind. Das bedeutet jedoch, dass das erhebliche mechanische Potenzial der Zwangssteuerung zur Drehzahlsteigerung aus thermodynamischen Gründen nur teilweise in einen erweiterten motorischen Betrieb umgesetzt werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese geschilderten Nachteile zu vermeiden und somit eine Zwangssteuerung zu schaffen, die eine erhebliche Drehzahlsteigerung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitig bestmöglicher Erfüllung aller motorischen Zielgrößen ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Einstellung unterschiedlicher Öffnungshübe des Hubventils eine im Ventilstößel angeordnete und mit dem Schaftende des Hubventils zusammenwirkende Klemmvorrichtung vorgesehen ist, die schnell schaltend ausgeführt ist derart, dass die Hubbewegung des Öffnernockens und/oder des Schließernockens in Bezug auf die Winkelstellung der Nockenwelle vom Hubventil entkoppelbar sind. Diese Entkopplung ermöglicht es, den Öffnungshub des Hubventils variabel einzustellen, indem die Übertragung der vom Öffnernocken oder vom Schließernocken oder beiden Nocken starr vorgegebenen Hubbewegungen auf das Hubventil zeitlich gezielt unterbrochen werden.
Während die Klemmvorrichtung auf den Wirkprinzipien beliebiger bekannter Aktuatoren, wie beispielsweise elektromechanische, pneumatische oder piezoelektrische Aktuatoren, basieren kann, soll sie in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung eine radial elastische, mit ihrer Innenmantelfläche das Schaftende des Hubventils umgreifende Klemmhülse umfassen, die in einer hohlzylindrischen Ausnehmung des Ventilstößels angeordnet ist und einen zwischen der Ausnehmung und der Klemmhülse verlaufenden Druckraum begrenzt. Dabei ist der Druckraum an eine Steuerleitung für die Zufuhr und den Abfluss einer Druckflüssigkeit angeschlossen.
Eine hinsichtlich der Höhe und einer davon unabhängigen Dauer des Öffnungshubs lässt sich über eine reine Stilllegung des Hubventils hinaus dadurch erzeugen, dass der Öffnernocken und der Schließernocken jeweils eine über deren Umfang gleichmäßig verteilte Vielzahl von Einzelerhebungen auf weisen. Dadurch, dass der gesamte Öffnungshub des Hubventils auf einer variablen Aufsummierung der vom Öffnernocken und vom Schließernocken ausgehenden Einzelerhebungen basiert, ist es bei weitgehend frei einstellbaren Steuerzeiten möglich, einerseits die Höhe proportional zur Dauer des Öffnungshubs zu skalieren oder andererseits dessen Dauer bei stagnierender Öffnungshöhe zu variieren.
Bei einem solchen, gleichermaßen nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzten Öffnungsverlauf des Hubventils ist auch die Drehzahl der Nockenwelle zur Ausführung eines 4-Takt-Arbeitsverfahrens der Brennkraftmaschine nicht mehr an die 2:1-Drehzahlübersetzung der Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle gebunden. Im Hinblick auf einen möglichst fülligen, d.h. beschleunigungsreichen Öffnungsverlauf des den Einzelerhebungen folgenden Hubventils und unter Berücksichtigung wirtschaftlich herstellbarer negativer Krümmungsradien am Öffnernocken und am Schließernocken ist es daher weiter vorgesehen, dass die Drehzahl der Nockenwelle einen das 0,5-fache der Drehzahl der Brennkraftmaschine übersteigenden Wert aufweist. Hierdurch ist es möglich, die auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine bezogene Ventilbeschleunigung proportional zu dem geänderten Übersetzungsverhältnis trotz identischer Krümmungsradien an den Nocken zu erhöhen.
Um das Hubventil zwischen den Einzelerhebungen nach Öffnen der Klemmvorrichtung in der jeweiligen Hubstellung zu fixieren, ist weiterhin eine sich zumindest mittelbar an der Brennkraftmaschine abstützende und mit dem Hubventil in Wirkverbindung stehende Rasteinrichtung vorgesehen. Während die Rasteinrichtung ebenfalls auf beliebigen bekannten Wirkprinzipien basieren und beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigt werden kann, soll sie in einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung mechanisch ausgebildet sein und eine mit dem Schaft des Hubventils verbundene Rasthülse aufweisen, an deren Außenmantel mehrere in Axialrichtung des Hubventils beabstandete Rastnuten für ein oder mehrere Rastelemente verlaufen, die gegenüber dem Schaft axial ortsfest und radial verlagerbar in der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Eine zugunsten niedriger Her stellkosten und eines robusten Betriebsverhaltens vorteilhafte Ausgestaltung der Rasteinrichtung ergibt sich dann, wenn die Rastelemente als jeweils durch die Kraft eines Federmittels in Richtung der Rasthülse beaufschlagte Kugeln ausgebildet sind.
Außerdem ist es vorgesehen, dass der Ventilstößel einen Primärstößel mit der Abgriffsfläche für den Öffnernocken und einen das Schaftende umgreifenden Sekundärstößel sowie einen den Primärstößel und den Sekundärstößel verbindenden Bolzen umfasst. Durch diese Ausgestaltung des Ventilstößels lässt sich die Bauhöhe der Zwangssteuerung insbesondere in dem Fall deutlich reduzieren, in welchem lediglich eine einzige Erhebung je Öffnernocken und Schließernocken vorgesehen ist und der Betrag dieser Erhebung aus Gründen der kollisionsfreien Betriebssicherheit oberhalb des Hubventils zwischen dessen Schaftende und einem der Nockenwelle zugewandten Endabschnitt des Ventilstößels als Leerweg vorzuhalten ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll eine zur Längsführung benachbart verlaufende weitere Längsführung vorgesehen sein, in der ein zwischen dem Schließernocken und dem Kipphebel angeordneter weiterer Ventilstößel mit einer Abgriffsfläche für den Schließernocken gelagert ist. Dabei wirkt ein erster Arm des Kipphebels mit einem nockenfernen Stößelboden des Ventilstößels und ein zweiter Arm des Kipphebels mit einem nockenfernen Stößelboden des weiteren Ventilstößels zusammen. Die benachbarte Anordnung der Längsführungen mit dem Ventilstößel und dem weiteren Ventilstößel ermöglicht eine kompakte Bauweise der Zwangssteuerung und insbesondere auch des Kipphebels zugunsten einer größtmöglichen Ventiltriebssteifigkeit bei vergleichsweise geringem Bauraumbedarf. Dies gilt besonders dann, wenn die Längsführung und die weitere Längsführung achsparallel zueinander und vorzugsweise achsparallel zum Hubventil verlaufen. Außerdem kann die kinematisch bedingte Querverlagerung der Kipphebelarme gegenüber den Stößelböden dadurch berücksichtigt werden, dass zwischen einem oder beiden Armen und den zugehörigen Stößelböden jeweils eine beidseitig gelenkig gelagerte Schubstange angeordnet ist.
Ferner kann der Kipphebel kreuzförmig ausgebildet sein und sich mit einem dritten Arm sowie mit einem vierten Arm auf in der Brennkraftmaschine stationär gelagerten Schwenklagern abstützen, von denen vorzugsweise ein Schwenklager mit einem hydraulischen Spielausgleich versehen ist. Derartige Schwenklager können beispielsweise als dem Fachmann an sich bekannte und zur Lagerung von Schlepphebeln eingesetzte Abstützelemente mit bzw. ohne hydraulischen Spielausgleich ausgebildet sein. Der hydraulische Spielausgleich dient im vorliegenden Fall dazu, das durch Bauteiltoleranzen und Verschleiß sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen bedingte Spiel zwischen dem Ventilstößel und dem weiteren Ventilstößel einerseits sowie den Stützlagern für die Schwenklager andererseits auszugleichen.
Darüber hinaus ist ein in einer hohlzylindrischen Ausnehmung der Brennkraftmaschine ortsfest gelagertes, vorzugsweise in die Ausnehmung eingepresstes Einsatzteil vorgesehen, in dem die Längsführung und die weitere Längsführung verlaufen. Durch ein solches Einsatzteil sind ideale Vorraussetzungen für eine montagefreundliche und kostengünstige Modulbauweise der Zwangssteuerung geschaffen, da die präzise Bearbeitung der Längsführungen außerhalb der Brennkraftmaschine erfolgen kann.
Schließlich sollen zur Reibungsreduzierung der Zwangssteuerung die Abgriffsfläche des Ventilstößels und/oder die Abgriffsfläche des weiteren Ventilstößels als drehbare und wahlweise wälzgelagerte Rollen ausgebildet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
1: eine erfindungsgemäße Zwangssteuerung im Längsschnitt;
2: die Zwangssteuerung gemäß dem Schnitt AA in 1;
3: die Klemmvorrichtung gemäß der Einzelheit Y in 2 in stark vergrößerter Darstellung in Verbindung mit einer schematisch dargestellten Druckmittelversorgung;
4: eine Rasteinrichtung gemäß der Einzelheit X in 1 in stark vergrößerter Darstellung und
5: ein Ventilhubdiagramm für verschiedene Übersetzungen zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Aufbau und die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Zwangssteuerung 1 einer hier nur angedeuteten Brennkraftmaschine 2 ist in den 1 und 2 anhand eines Hubventils 3 sowie eines Abschnitts einer mit dem Hubventil 3 zusammenwirkenden Nockenwelle 4 mit einem Öffnernocken 5 und einem Schließernocken 6 veranschaulicht. Dargestellt ist ein in einer hohlzylindrischen Ausnehmung 7 der Brennkraftmaschine 2 eingepresstes Einsatzteil 8 mit einer Längsführung 9 für einen darin gelagerten Ventilstößel 10 und einer weiteren Längsführung 11 für einen darin gelagerten weiteren Ventilstößel 12. Der Ventilstößel 10 ist aus einem Primärstößel 13 mit einer hier als gleitgelagerte Rolle ausgebildeten Abgriffsfläche 14 für den Öffnernocken 5 und einem das Schaftende 15 des Hubventils 3 umschließenden Sekundärstößel 16 sowie einem den Primärstößel 13 und den Sekundärstößel 16 verbindenden Bolzen 17, der gleichzeitig als Lagerung der Rolle dient, zusammengesetzt. Der weitere Ventilstößel 12 umfasst eine ebenfalls auf einem Bolzen 18 gleitgelagerte Rolle als reibungsarme Abgriffsfläche 19 für den Schließernocken 6.
Der Ventilstößel 10 und der weitere Ventilstößel 12 stehen über einen in der Brennkraftmaschine 2 gelagerten Kipphebel 20 sowie über Schubstangen 21, die jeweils zwischen einem ersten Arm 22 des Kipphebels 20 und einem nockenfernen Stößelboden 23 des Primärstößels 13 sowie zwischen einem zweiten Arm 24 des Kipphebels 20 und einem nockenfernen Stößelboden 25 des weiteren Ventilstößels 12 beidseitig gelenkig gelagert sind, in gegenseitiger Wirkverbindung. Der Kipphebel 20 ist kreuzförmig ausgebildet und stützt sich mit einem dritten Arm 26 sowie mit einem vierten Arm 27 auf Schwenklagern 28 und 29 ab, die in der Brennkraftmaschine 2 stationär gelagert sind, wobei das Schwenklager 28 mit einem hydraulischen Spielausgleich versehen ist. Ein solches Schwenklager 28 ist dem Fachmann als solches insbesondere von konventionellen Schlepphebel-Ventiltrieben mit hydraulischen Abstützelementen bekannt und sorgt dafür, dass gegebenenfalls auftretendes Spiel zwischen den Rollen und dem Öffnernocken 5 bzw. dem Schließernocken 6 automatisch ausgeglichen wird.
Zur Einstellung unterschiedlicher Öffnungshübe des Hubventils 3 ist innerhalb des Sekundärstößels 16 eine schnellschaltende Klemmvorrichtung 30 angeordnet, die eine zyklisch abschaltbare Übertragung der Hubbewegung des Ventilstößels 10 auf das Hubventil 3 erlaubt und deren Aufbau und Wirkungsweise später erläutert sind. Obwohl der Öffnernocken 5 und der Schließernocken 6 jeweils eine über deren Umfang gleichmäßig verteilte und zueinander symmetrisch versetzte Vielzahl von Einzelerhebungen 31a–f und 32a–f aufweisen, ist das charakteristische Zusammenspiel der Nocken 5 und 6 mit dem Ventilstößel 10, dem weiteren Ventilstößel 12 und dem Kipphebel 20 als solches bekannt. Dabei wird der Ventilstößel 10 über den Öffnernocken 5 in Öffnungsrichtung des Hubventils 3 betätigt, während gleichzeitig der weitere Ventilstößel 12 über den sich verschwenkenden Kipphebel 20 angetrieben wird und dem abnehmenden Hub des Schließernockens 6 folgt. Analog hierzu wird der Ventilstößel 10 in Schließrichtung des Hubventils 3 betätigt, indem der erneut zunehmende Hub des Schließernockens 6 den Kipphebel 20 über den weiteren Ventilstößel 12 in nun entgegengesetzter Richtung verschwenkt und der Ventilstößel 10 dem dann abnehmenden Hub des Öffnernockens 5 folgt.
Bei der vorliegenden Zwangssteuerung 1 wiederholt sich dieses Arbeitsspiel entsprechend der Anzahl der Einzelerhebungen 31a–f des Öffnernockens 5 und des Schließernockens 32a–f sechsmal je Umdrehung der Nockenwelle 4. Dabei kann der auf das Hubventil 3 übertragene Öffnungshub mit Hilfe der Klemmvorrichtung 30 weitestgehend variabel eingestellt werden, wie es nachfolgend unter Einbeziehung der 3 näher erläutert ist. Die dort vergrößert dargestellte Klemmvorrichtung 30 umfasst eine in einer hohlzylindrischen Ausnehmung 33 des Sekundärstößels 16 angeordnete Klemmhülse 34, die radial elastisch ausgebildet ist und mit ihrer Innenmantelfläche 35 das Schaftende 15 des Hubventils 3 umgreift. Zwischen einer radial eingezogenen Außenmantelfläche 36 der Klemmhülse 34 und der Ausnehmung 33 des Sekundärstößels 16 verläuft ein ringförmiger Druckraum 37, der über eine Steuerleitung 38 an das Schmiermittelreservoir 39 der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen ist. Je nach Schaltstellung eines einer Hochdruckpumpe 40 nachgeschalteten und hier exemplarisch als 3/2-Wegeschaltventil ausgebildeten Hydraulikventils 41 wird entweder dem Druckraum 37 druckbeaufschlagtes Schmiermittel zugeführt oder das Schmiermittel kann sich, wie im hier dargestellten Schaltzustand des Hydraulikventils 41, aus dem Druckraum 37 in das Schmiermittelreservoir 39 entspannen. Im ersten Fall des druckbeaufschlagten Druckraums 37 wird zwischen der sich radial einwärts kontrahierenden Klemmhülse 34 und dem Schaftende 15 ein für die Bewegungsübertragung des Sekundärstößels 16 auf das Hubventil 3 ausreichender Kraftschluss erzeugt. Dieser Kraftschluss kann wahlweise auch durch geeignete Strukturen der beteiligten Oberflächen, wie beispielsweise Mikrorillen, durch einen sich dann überlagernden Formschluss unterstützt werden. Der so gebildete Kraftschluss und gegebenenfalls Formschluss zwischen dem Schaftende 15 und der Klemmhülse 34 wird dadurch aufgehoben, dass das Hydraulikventil 41 in die in 3 dargestellte Schaltstellung zurückkehrt, in welcher sich der Druckraum 37 in das Schmiermittelreservoir 39 entspannt und die Klemmhülse 34 das Schaftende 15 lediglich reibungsarm und ohne Hub zu übertragen umgreift.
Ausgehend von der in 2 dargestellten Nockenwellenstellung und deren Drehrichtung wird nun beispielsweise ein Öffnungshub des Hubventils 3 mit kleiner Höhe und Dauer dadurch erzeugt, dass das Hubventil 3 bei druckbeaufschlagter Klemmvorrichtung 30 der öffnungsseitigen Einzelerhebung 31a und der schließseitigen Einzelerhebung 32a folgt, während die Klemmvorrichtung 30 im Verlauf der nachfolgenden Einzelerhebungen 31b–f und 32b–f drucklos geschaltet wird, so dass die Klemmhülse 34 dann lediglich auf dem Schaftende 15 auf- und abgleitet. Ein hinsichtlich Höhe und Dauer weitgehend frei einstellbarer Öffnungshub des Hubventils 3 kann durch eine auf die Winkelstellung der Nockenwelle 4 bezogene Ansteuerung der Klemmhülse 34 derart erfolgen, dass die ansteigenden Flanken der Einzelerhebungen 31a–f des Öffnernockens 5 bei zyklisch gespannter Klemmhülse 34 zunächst aufsummiert werden, während die ansteigenden Flanken der nachfolgenden Einzelerhebungen 32a–f des Schließernockens 6 bei dabei jeweils gelöster Klemmhülse 34 lediglich zur Rückführung des Primärstößels 13 an den Öffnernocken 5 dienen. Umgekehrt erfolgt eine Schließbewegung des so schrittweise geöffneten Hubventils 3 dadurch, dass sich die Klemmhülse 34 während der ansteigenden Flanken der Einzelerhebungen 31a–f des Öffnernockens 5 in zyklisch gelöstem Zustand befindet, während die ansteigenden Flanken der nachfolgenden Einzelerhebungen 32a–f des Schließernockens 6 über den weiteren Ventilstößel 12 und den Kipphebel 20 auf den Ventilstößel 10 und über die dann gespannte Klemmhülse 34 auf das sich sukzessiv schließende Hubventil 3 übertragen werden.
Zur Vermeidung einer unkontrollierten Eigenbewegung des Hubventils 3 im Zustand der gelösten Klemmhülse 34 ist eine in 1 und vergrößert in 4 dargestellte und sich an der Brennkraftmaschine 2 abstützende Rasteinrichtung 42 vorgesehen. Diese weist eine mit dem Schaft 43 des Hubventils 3 fest verbundene Rasthülse 44 auf, an deren Außenmantel 45 mehrere in Axialrichtung des Hubventils 3 um jeweils die Höhe einer Einzelerhebung 31a–f und 32a–f beabstandete Rastnuten 46 für Rastelemente 47 verlaufen. Die Rastelemente 47 sind hier als sich in einem in der Brennkraftmaschine 2 abstützenden Gehäuse 48 gelagerte Kugeln ausgebildet, die jeweils durch die Kraft eines Federmittels 49 unter Zwischenschaltung einer Kugelpfanne 50 in Richtung der Rasthülse 44 beaufschlagt sind. Neben einer axialen Lagefixierung des Hubventils 3 zwischen zwei übertragenen Einzelerhebungen 31a–f oder 32a–f dient die Rasteinrichtung 42 außerdem dazu, das Hubventil 3 im geschlossenen Zustand ausreichend dichtend an dessen Ventilsitz 51 zu halten.
Eine weitere Eigenschaft der vorgeschlagenen Zwangssteuerung 1 hinsichtlich deren Betriebsverhaltens ist nachfolgend anhand des in 5 dargestellten Diagramms erläutert, in dem der Öffnungshub h des Hubventils 3 über der Winkelstellung E der – in den Figuren nicht dargestellten – Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 für zwei verschiedene Drehzahlübersetzungen der Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle 4 aufgetragen ist. Der sich hier auf 10 mm aufsummierende Gesamthub des Hubventils 3 wird durch sieben Arbeitsspiele der Einzelerhebungen 31a–f des Öffnernockens 5 und 32a–f des Schließernockens 6, d.h. ausgehend von der in 2 dargestellten Stellung der Nockenwelle 4 während einer vollen Nockenwellenumdrehung zuzüglich eines erneuten Arbeitsspiels der Einzelerhebungen 31a und 32a erzeugt. Dabei sind die bei gespannter Klemmhülse 34 auf das Hubventil 3 übertragenen Flanken der Einzelerhebungen 31a–f und 32a–f mit durchgezogener Linie und die bei gelöster Klemmhülse 34 nicht auf das Hubventil 3 übertragenen Flanken mit gestrichelter Linie gekennzeichnet. Es ist leicht ersichtlich, dass über den dargestellten Öffnungshub h hinaus eine weitgehende Gestaltungsfreiheit bei der Erzeugung von Öffnungshüben h mit hiervon abweichenden Höhen oder Dauern bis hin zur vollständigen Abschaltung des Hubventils 3 besteht.
Die auf den Kurbelwinkel bezogene Dauer des Öffnungshubs h ist bekanntlich vom Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle 4 abhängig, welches im 4-Takt-Verfahren üblicherweise 2:1 beträgt, d.h. die Drehzahl n_C der Nockenwelle 4 entspricht dem 0,5-fachen der Drehzahl n_E der Kurbelwelle. Ein sich unter dieser Voraussetzung ergebender Kurbelwinkel E würde für den hier dargestellten Gesamthub des Hubventils 3 etwa dem doppelten Wert von 410°, also 820° Kurbelwinkel gemäß der unteren Abszisse entsprechen. Durch die weitgehende Gestaltungsfreiheit bei der Auswahl der auf das Hubventil 3 übertragenen Flanken der Einzelerhebungen 31a–f des Öffnernockens 5 und 32a–f des Schließernockens 6 ist es jedoch möglich, einen solchen Kurbelwinkel auf einen technisch sinnvollen Wert zu reduzieren, indem das Übersetzungsverhältnis der Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle 4 deutlich reduziert wird. Eine beispielhafte Anpassung der Drehzahl n_C der Nockenwelle 4 auf das 1,5-fache der Drehzahl n_E der Kurbelwelle, entsprechend einem Übersetzungsverhältnis von n_E:n_C = 2:3, ist in der oberen Abszisse mit einem dann um den Faktor 3 reduzierten Kurbelwinkel E vorgenommen. Der dargestellte Öffnungshub h weist nunmehr eine für die Höhe 10 mm übliche Dauer, hier etwa 273° Kurbelwinkel auf. In analoger Betrachtung würde ein lediglich durch die Einzelerhebungen 31a und 32a erzeugter Kleinhub mit 2,5 mm Höhe eine für den Ladungswechsel vorteilhaft kleine Dauer von lediglich etwa 33° statt 100° Kurbelwinkel aufweisen.

1: Zwangssteuerung
2: Brennkraftmaschine
3: Hubventil
4: Nockenwelle
5: Öffnernocken
6: Schließernocken
7: Ausnehmung der Brennkraftmaschine
8: Einsatzteil
9: Längsführung
10: Ventilstößel
11: weitere Längsführung
12: weiterer Ventilstößel
13: Primärstößel
14: Abgriffsfläche für den Öffnernocken
15: Schaftende des Hubventils
16: Sekundärstößel
17: Bolzen des Ventilstößels
18: Bolzen des weiteren Ventilstößels
19: Abgriffsfläche für den Schließernocken
20: Kipphebel
21: Schubstange
22: erster Arm des Kipphebels
23: Stößelboden des Primärstößels
24: zweiter Arm des Kipphebels
25: Stößelboden des weiteren Ventilstößels
26: dritter Arm des Kipphebels
27: vierter Arm des Kipphebels
28: Schwenklager
29: Schwenklager
30: Klemmvorrichtung
31a–f: Einzelerhebung des Öffnernockens
32a–f: Einzelerhebung des Schließernockens
33: Ausnehmung des Sekundärstößels
34: Klemmhülse
35: Innenmantelfläche der Klemmhülse
36: Außenmantelfläche der Klemmhülse
37: Druckraum
38: Steuerleitung
39: Schmiermittelreservoir
40: Hochdruckpumpe
41: Hydraulikventil
42: Rasteinrichtung
43: Schaft des Hubventils
44: Rasthülse
45: Außenmantel der Rasthülse
46: Rastnut
47: Rastelement
48: Gehäuse
49: Federmittel
50: Kugelpfanne
51: Ventilsitz
n_C: Drehzahl der Nockenwelle
n_E: Drehzahl der Kurbelwelle
h: Öffnungshub des Hubventils
E: Kurbelwinkel

Claims

Zwangssteuerung (1) für wenigstens ein Hubventil (3) einer Brennkraftmaschine (2), mit einer Nockenwelle (4) mit einem Öffnernocken (5) und einem Schließernocken (6), welcher Öffnernocken (5) das Hubventil (3) über einen in einer Längsführung (9) der Brennkraftmaschine (2) gelagerten und eine Abgriffsfläche (14) für den Öffnernocken (5) aufweisenden Ventilstößel (10) in Öffnungsrichtung betätigt und welcher Schließernocken (6) das Hubventil (3) wenigstens unter Zwischenschaltung eines in der Brennkraftmaschine (2) gelagerten Kipphebels (20), der den Ventilstößel (10) zumindest mittelbar in Richtung des Öffnernockens (5) kraftbeaufschlagt, in Schließrichtung betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung unterschiedlicher Öffnungshübe (h) des Hubventils (3) eine im Ventilstößel (10) angeordnete und mit dem Schaftende (15) des Hubventils (3) zusammenwirkende Klemmvorrichtung (30) vorgesehen ist, welche Klemmvorrichtung (30) schnell schaltend ausgeführt ist derart, dass die Hubbewegung des Öffnernockens (5) und/oder des Schließernockens (6) in Bezug auf die Winkelstellung der Nockenwelle (4) vom Hubventil (3) entkoppelbar sind.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung (30) eine radial elastische, mit ihrer Innenmantelfläche (35) das Schaftende (15) des Hubventils (3) umgreifende Klemmhülse (34) umfasst, die in einer hohlzylindrischen Ausnehmung (33) des Ventilstößels (10) angeordnet ist und einen zwischen der Ausnehmung (33) und der Klemmhülse (34) verlaufenden Druckraum (37) begrenzt, welcher Druckraum (37) an eine Steuerleitung (38) für die Zufuhr und den Abfluss einer Druckflüssigkeit angeschlossen ist.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnernocken (5) und der Schließernocken (6) jeweils eine über deren Umfang gleichmäßig verteilte Vielzahl von Einzelerhebungen (31a–f, 32a–f) aufweisen.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Nockenwelle (4) einen das 0,5-fache der Drehzahl der im 4-Takt-Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine (2) übersteigenden Wert aufweist.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich zumindest mittelbar an der Brennkraftmaschine (2) abstützende und mit dem Hubventil (3) in Wirkverbindung stehende Rasteinrichtung (42) vorgesehen ist.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasteinrichtung (42) eine mit dem Schaft (43) des Hubventils (3) verbundene Rasthülse (44) aufweist, an deren Außenmantel (45) mehrere in Axialrichtung des Hubventils (3) beabstandete Rastnuten (46) für ein oder mehrere Rastelemente (47) verlaufen, welche Rastelemente (47) gegenüber dem Schaft (43) axial ortsfest und radial verlagerbar in der Brennkraftmaschine (2) angeordnet sind.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastelemente (47) als jeweils durch die Kraft eines Federmittels (49) in Richtung der Rasthülse (44) beaufschlagte Kugeln ausgebildet sind.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstößel (10) einen Primärstößel (13) mit der Abgriffsfläche (14) für den Öffnernocken (5) und einen das Schaftende (15) umgreifenden Sekundärstößel (16) sowie einen den Primärstößel (13) und den Sekundärstößel (16) verbindenden Bolzen (17) umfasst.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Längsführung (9) benachbart verlaufende weitere Längsführung (11) vorgesehen ist, in welcher weiteren Längsführung (11) ein zwischen dem Schließernocken (6) und dem Kipphebel (20) angeordneter weiterer Ventilstößel (12) mit einer Abgriffsfläche (19) für den Schließernocken (6) gelagert ist, wobei ein erster Arm (22) des Kipphebels (20) mit einem nockenfernen Stößelboden (23) des Ventilstößels (10) und ein zweiter Arm (24) des Kipphebels (20) mit einem nockenfernen Stößelboden (25) des weiteren Ventilstößels (12) zusammenwirkt.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsführung (9) und die weitere Längsführung (11) achsparallel zueinander und vorzugsweise achsparallel zum Hubventil (3) verlaufen.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem oder beiden Armen (22, 24) und den zugehörigen Stößelböden (23, 25) jeweils eine beidseitig gelenkig gelagerte Schubstange (21) angeordnet ist.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kipphebel (20) kreuzförmig ausgebildet ist und sich mit einem dritten Arm (26) sowie mit einem vierten Arm (27) auf in der Brennkraftmaschine (2) stationär gelagerten Schwenklagern (28, 29) abstützt, von denen vorzugsweise ein Schwenklager (28) mit einem hydraulischen Spielausgleich versehen ist.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einer hohlzylindrischen Ausnehmung (7) der Brennkraftmaschine (2) ortsfest gelagertes, vorzugsweise in die Ausnehmung (7) eingepress tes Einsatzteil (8) vorgesehen ist, in welchem Einsatzteil (8) die Längsführung (9) und die weitere Längsführung (11) verlaufen.
Zwangssteuerung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgriffsfläche (14) des Ventilstößels (10) und/oder die Abgriffsfläche (19) des weiteren Ventilstößels (12) als drehbare und wahlweise wälzgelagerte Rollen ausgebildet sind.