DE102007041325A1

DE102007041325A1 - Brennkraftmaschine mit variablem Ventiltrieb

Info

Publication number: DE102007041325A1
Application number: DE102007041325A
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Groenendijk; Uwe Scher
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Arbeitszylinder, wobei jedem Arbeitszylinder wenigstens zwei Gaswechselventile (12, 14) zugeordnet sind, die jeweils von einem Nocken (20, 26) einer Nockenwellen (22, 28) über einen um eine Schwenkachse (32) verkippbaren Hebel (24, 30) betätigt sind, wobei wenigstens eine von den Nockenwellen (22, 28) separate Betätigungsvorrichtung (40) vorgesehen ist, welche auf einen verkippbaren Hebel (24, 30) eines Gaswechselventils (12, 14) wirkt. Hierbei sind wenigstens zwei Nockenwellen (22, 28) vorgesehen, wobei wenigstens eine Nockenwelle (22) sowohl wenigstens ein Einlassventil (12) als auch wenigstens ein Auslassventil betätigt, wobei wenigstens einer der verkippbaren Hebel (24) eine sich in Richtung von der Schwenkachse (32) weg über einen Auflagepunkt des Hebels (24) auf einem Ventilschaftkopf des Gaswechselventils (12) hinaus erstreckende Verlängerung (38) aufweist, wobei die separate Betätigungsvorrichtung (40) derart angeordnet ist, dass diese auf diese Verlängerung (38) wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Arbeitszylinder, wobei jedem Arbeitszylinder wenigstens zwei Gaswechselventile zugeordnet sind, die jeweils von einem Nocken einer Nockenwellen über einen um eine Schwenkachse verkippbaren Hebel betätigt sind, wobei wenigstens eine von den Nockenwellen separate Betätigungsvorrichtung vorgesehen ist, welche auf einen verkippbaren Hebel eines Gaswechselventil wirkt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der EP 1 403 471 A2 ist ein gattungsgemäßes variables Ventilbetätigungssystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, welches einen zusätzliche Ventilaktuator aufweist. Dieser Ventilaktuator ist derart ausgebildet, dass dieser unabhängig von einem Nockenwellensystem ein Schließen eines Gaswechselventils gegen die Ventilfeder verzögert.
Beim bekannten Miller/Atkinson-Zyklus wird der Zeitpunkt "Einlassventil schließt" (ES) nach spät verschoben. Auf diese Weise wird bereits im Zylinder befindliches Frischgas z. T. wieder ausgeschoben. Dies bedeutet einen Füllungsnachteil, der aber über eine Aufladung mit einem geeigneten Ladedruck kompensiert werden kann. Dabei ist der Ladedruck im Volumen zwischen Laderausgang und Motoreinlass so zu regeln, dass der Ladedruck in jedem Miller-Betriebspunkt, d. h. jeder Betriebspunkt in dem der "MillerZyklus" zur Anwendung kommt, dem theoretischen Verdichtungsenddruck in den Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt Einlassventil schließt entspricht. Für die Regelung, wahlweise auch Steuerung, kommen Druck- und/oder Temperatur- und/oder Massenstromsensoren oder sinnvolle Kombisensoren der drei angesprochenen Sensortypen zum Einsatz.
Der positive Effekt des Miller/Atkinson-Cycles mittels frühem oder spätem Zeitpunkt für das Schließen des Einlassventils auf die NO_x-Emission und Homogenisierbarkeit des Dieselgemischs ist bekannt. Weiterhin kann bei ottomotorischen Anwendungen die Klopfneigung bei Hochaufladung deutlich reduziert werden. Im Gegensatz zum Ottomotor, der aufgrund fehlender geometrischer Zwänge mit positiver Ventilüberschneidung arbeiten kann, ist beim Dieselmotor eine einfache Umsetzung des Verfahrens mit Hilfe eines Phasenstellers generell nicht möglich. Grund hierfür ist eine mechanische Kollision des Ventils mit dem Kolben bei Frühverstellung und vermehrte Pumparbeit bei Spätverstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der o. g. Art hinsichtlich des Ventiltriebes zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens zwei Nockenwellen vorgesehen sind, wobei wenigstens eine Nockenwelle sowohl wenigstens ein Einlassventil als auch wenigstens ein Auslassventil betätigt, wobei wenigstens einer der verkippbaren Hebel eine sich in Richtung von der Schwenkachse weg über einen Auflagepunkt des Hebels auf einem Ventilschaftkopf des Gaswechselventils hinaus erstreckende Verlängerung aufweist, wobei die separate Betätigungsvorrichtung derart angeordnet ist, dass diese auf diese Verlängerung wirkt.
Dies hat den Vorteil, dass zusätzliche Ventilsteuerzeiten für eine innere Abgasrückführung realisiert werden können, so dass unter Vermeidung von kostspieligen Abgasnachbehandlungsmaßnahmen, wie beispielsweise einem SCR-Katalysator (selektive, katalytische Reduktion von Stickoxiden), eine Einhaltung von NOx-Grenzwerten auch bei hochdynamischen Testzyklen durch schnelle innere EGR gewährleistet ist.
Beispielsweise umfassen die wenigstens zwei Gaswechselventile wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil.
Eine zusätzliche Variabilität der Ventilbetätigung ohne Abhängigkeit von der Stellung der Nockenwellen erzielt man dadurch, dass die separate Betätigungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese das Gaswechselventil unabhängig von den Nockenwellen gegen die Kraft einer Ventilfeder wahlweise öffnet.
Wenigstens eine separate Betätigungsvorrichtung ist als hydraulisch, elektrohydraulisch oder elektromagnetisch angetriebener Stempel ausgebildet.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Steuervorrichtung zum Ansteuern der wenigstens einen separaten Betätigungsvorrichtung vorgesehen, wobei diese Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese die separate Betätigungsvorrichtung kurbel- bzw. nockenwellensynchron ansteuert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Schnittansicht,
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Schnittansicht,
3 eine graphische Darstellung von Ventilsteuerzeiten für ein Auslassventil,
4 eine graphische Darstellung von alternativen Ventilsteuerzeiten für ein Auslassventil,
5 eine graphische Darstellung von Ventilsteuerzeiten für ein Einlassventil und
6 eine graphische Darstellung von alternativen Ventilsteuerzeiten für ein Einlassventil.
Die in 1 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Zylinderkopf 10 in dem ein Einlassventil 12, welches einen Einlasskanal 16 wahlweise öffnet und schließt, und ein Auslassventil 14, welches einen Auslasskanal 18 wahlweise öffnet und schließt, angeordnet ist. Die Gaswechselventile 12, 14 sind einem nicht dargestellten Arbeitszylinder zugeordnet. Das Einlassventil 12 wird von einem ersten Nocken 20 einer ersten Nockenwelle 22 über einen ersten, als Rollenschlepphebel ausgebildeten Hebel 24 betätigt. Das Auslassventil 14 wird von einem zweiten Nocken 26 einer zweiten Nockenwelle 28 über einen zweiten, als Rollenschlepphebel ausgebildeten Hebel 30 betätigt. Die erste Nockenwelle 22 betätigt außerdem wenigstens ein Auslassventil eines anderen Arbeitszylinders der Brennkraftmaschine, so dass wenigstens eine sogenannte "gemischte Nockenwelle" vorhanden ist.
Die Rollenschlepphebel sind jeweils an einem Schwenklager 32 gelagert und stützen sich auf einem jeweiligen Ventilschaftende ab. Die Nocken 22, 26 drücken auf Rollen 34, verschwenken dabei die Rollenschlepphebel und bewegen dadurch die Gaswechselventile 12, 14 gegen eine jeweilige Ventilfeder 36 in eine geöffnete Position.
Erfindungsgemäß ist wenigstens einer der Hebel 24 mit einer Verlängerung 38 ausgebildet, die sich ausgehend von dem Auflagepunkt auf dem Ventilschaftende des Gaswechselventils 12 in Richtung von dem Schwenklager 32 weg erstreckt. Weiterhin ist eine von den Nockenwellen 22, 28 separate Betätigungsvorrichtung 40 vorgesehen, welche wahlweise auf die Verlängerung 38 wirkt bzw. drückt. Diese separate Betätigungsvorrichtung 40 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie entweder das geöffnete Einlassventil 12, nachdem es vom ersten Nocken 20 geöffnet wurde, offen hält oder unabhängig von der ersten Nockenwelle 22 entgegen der Kraft der Ventilfeder 36 das Einlassventil 12 öffnet. Auf diese Weise können zumindest für dieses Einlassventil 12 Ventilsteuerzeiten variabel eingestellt und realisiert werden. Es können auch mehrere separate Betätigungsvorrichtungen 40 an mehreren oder allen Einlassventilen vorgesehen sein. Alternativ wirkt eine separate Betätigungsvorrichtung 40 auf ein oder mehrere oder alle Auslassventile oder es sind an einigen oder allen Ein- und/oder Auslassventilen jeweilige separate Betätigungsvorrichtungen 40 vorgesehen.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß 2 ist die separate Betätigungsvorrichtung 40 als Zylinder 42 mit hydraulisch betätigtem Kolben 44 ausgebildet. Hierzu ist eine Steuerleitung 46 des Zylinders 42 über ein Ventil 48, beispielsweise ein Magnetventil, wahlweise mit einer Druckleitung 50 oder einer Rücklaufleitung 52, in der eine Drossel 54 angeordnet ist, verbunden.
Die zusätzliche Ventilaktuatorik in Form der separaten Betätigungsvorrichtung 40 wirkt parallel zur Nockenwelle 22 und ermöglicht die Darstellung eines erweiterten oder zusätzlichen Ventilhubes, wie nachfolgend noch unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 näher erläutert wird. Die separate Betätigungsvorrichtung 40 ist an wenigstens einem Einlassventil 12 und/oder wenigstens einem Auslassventil 14 eines Arbeitszylinders und insbesondere an allen Gaswechselventilen eines Arbeitszylinders oder an allen Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine angeordnet.
Die vorzugsweise (elektro-)hydraulisch oder auch elektromagnetisch zyklusgenau und synchronisiert zur Nockenposition schaltbare, wenigstens eine separate Betätigungsvorrichtung 40 kann unabhängig von der Nockenkontur ein Offenhalten oder auch wieder Öffnen mindestens eines Ein- und/oder Auslassventils bewirken. Hierzu wird vorzugsweise eine innere Abgasrückführung wahlweise dargestellt, wenn ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine dies aus Gründen der Schadstoffemission notwendig macht.
Die 3 bis 6 zeigen verschiedene mögliche Ventilsteuerzeiten für Einlass- 12 und Auslassventil 14, die mit der oben beschriebenen Ventilaktuatorik realisiert werden können. In den 3 bis 6 sind auf einer horizontalen Achse 56 ein Kurbelwinkel und auf einer vertikalen Achse 58 ein Hub aufgetragen. Bei 60 erreicht ein in jedem Arbeitszylinder verschiebbar angeordneter Hubkolben einen unteren Totpunkt UT am Ende eines Arbeitshubes und am Beginn eines Ladungswechselhubes, bei 62 einen oberen Totpunkt OT des Ladungswechselhubes und bei 64 einen unteren Totpunkt UT am Ende des Ladungswechselhubes und am Beginn eines Verdichtungshubes.
Ein erster Graph 66 veranschaulicht den Ventilhub in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für das Auslassventil 14, ein zweiter Graph 68 veranschaulicht den Hub des Kolbens in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel und ein dritter Graph 70 veranschaulicht den Ventilhub in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für das Einlassventil 12.
In 3 zeigt ein vierter Graph 72 ein wieder Öffnen des Auslassventils 14 mittels der separaten Betätigungseinrichtung 40 nachdem bei OT 62 der zweite Nocken 26 bzw. die Ventilfeder 36 das Auslassventil 14 zunächst wieder geschlossen hatte. Hierbei muss die separate Betätigungseinrichtung 40 das Auslassventil 14 entgegen der Kraft der Ventilfeder 36 öffnen. Durch das wieder Öffnen des Auslassventils 14 zwischen OT 62 und UT 64 wird ein Teil des Abgases aus dem Auslasskanal 18 wieder in den Arbeitszylinder gesogen, so dass eine innere Abgasrückführung erfolgt.
In 4 zeigt ein fünfter Graph 74 ein Offenhalten des Auslassventils 14 über den OT 62 hinaus. Hierbei muss die separate Betätigungseinrichtung 40 lediglich offen halten und nicht gegen die gesamte Kraft der Ventilfeder 36 arbeiten. Auch dies verschiebt einen Schließzeitpunkt des Auslassventils nach spät, so dass sich, wie zuvor bei 3, eine innere Abgasrückführung ergibt.
In 5 zeigt ein sechster Graph 76 ein Öffnen und Offenhalten des Einlassventils 12 vor dem OT 62. Hierdurch wird ein Teil des Abgases zunächst in den Einlasskanal 16 geschoben und im anschließenden Ansaughub wieder in den Arbeitszylinder eingesaugt. Dies realisiert ebenfalls eine innere Abgasrückführung. Der Ventilhub durch das separate Betätigungsvorrichtung 40 ist gegenüber dem von der Nockenwelle 22 ausgeführt Hub reduziert.
In 6 veranschaulicht ein siebter Graph 78 ein Öffnen und wieder Schließen des Einlassventils 12 vor dem OT 62. Hierdurch wird ein Teil des Abgases zunächst in den Einlasskanal 16 geschoben und im anschließenden Ansaughub wieder in den Arbeitszylinder eingesaugt. Dies realisiert wiederum eine innere Abgasrückführung. Der Ventilhub durch das separate Betätigungsvorrichtung 40 ist gegenüber dem von der Nockenwelle 22 ausgeführt Hub reduziert.
Die separate Betätigungsvorrichtung 40 ersetzt einen sonst notwenigen Phasensteller für die erste Nockenwelle 22, sofern eine innere Abgasrückführung lediglich temporär und in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine realisiert werden soll.
Die separate Betätigungsvorrichtung 40 hat den besonderen Vorteil, dass eine innere Abgasrückführung temporär realisiert werden kann, ohne dass dafür ein Phasensteller erforderlich ist. Zusätzlich können andere Arten der Ventilsteuerung realisiert werden, wie beispielsweise ein Miller-Zyklus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1403471 A2 [0002]

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Arbeitszylinder, wobei jedem Arbeitszylinder wenigstens zwei Gaswechselventile (12, 14) zugeordnet sind, die jeweils von einem Nocken (20, 26) einer Nockenwelle (22, 28) über einen um eine Schwenkachse (32) verkippbaren Hebel (24, 30) betätigt sind, wobei wenigstens eine von den Nockenwelle (22, 28) separate Betätigungsvorrichtung (40) vorgesehen ist, welche auf den verkippbaren Hebel (24, 30) eines Gaswechselventils (12, 14) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Nockenwellen (22, 28) vorgesehen sind, wobei wenigstens eine Nockenwelle (22) sowohl wenigstens ein Einlassventil (12) als auch wenigstens ein Auslassventil betätigt, wobei wenigstens einer der verkippbaren Hebel (24) eine sich in Richtung von der Schwenkachse (32) weg über einen Auflagepunkt des Hebels (24) auf einem Ventilschaftkopf des Gaswechselventils (12) hinaus erstreckende Verlängerung (38) aufweist, wobei die separate Betätigungsvorrichtung (40) derart angeordnet ist, dass diese auf diese Verlängerung (38) wirkt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Gaswechselventile wenigstens ein Einlassventil (12) und wenigstens ein Auslassventil (14) umfassen.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Betätigungsvorrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass diese das Gaswechselventil (12) unabhängig von den Nockenwellen (22, 28) gegen die Kraft einer Ventilfeder (36) wahlweise öffnet.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine separate Betätigungsvorrichtung (40) als hydraulisch, elektrohydraulisch oder elektromagnetisch angetriebener Stempel ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuervorrichtung zum Ansteuern der wenigstens einen separaten Betätigungsvorrichtung (40) vorgesehen ist, wobei diese Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese die separate Betätigungsvorrichtung kurbel- bzw. nockenwellensynchron ansteuert.