DE102008049166A1 - Verbrennungskraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung - Google Patents

Abstract

Es ist eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Verbrennungsraum zur Aufnahme eines oszillierenden Kolbens, der über ein Schubkurbelgetriebe mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, offenbart. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst Gaswechselventile (16, 36) zur Steuerung des Einlasses von Verbrennungsgasen in dne Brennraum und des Auslasses von verbrannten Gasen aus dem Brennraum, deren Öffnungs- und Schließbewegungen über ein Getriebe mit den Oszillationsbewegungen des Kolbens gekoppelt sind, wobei Öffnungs- und Schließparameter der Gaswelchselventile (16, 36) in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar sind. Die Gaswechselventile (16, 36) sind mit der Kurbelwelle über ein Schwenkgetriebe (12) mit wenigstens zwei Planetenstufen (44, 46) gekoppelt, das eine Antriebsrotation in eine oszillierende Drehbewegung einer Abtriebswelle (50) um einen variabel einstellbaren Schwenkwinkel wandelt.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Verbrennungskraftmaschine.
• Bekannte Verbrennungskraftmaschinen, die nach einem Viertaktverfahren arbeiten, weisen einen Ventiltrieb zur Steuerung des Gaswechsels in den Brennräumen auf. Der Ventiltrieb umfasst Ein- und Auslassventile mit zugehörigen Schließfedern, Nockentrieb zur Betätigung der Ventile und Übertragungsglieder. Eine oder mehrere, mittels Kette oder Riemen angetriebene Nockenwellen sorgen hierbei für jeweils konstante Ventilsteuerparameter, d. h. die Ventilöffnungs- und -schließzeitpunkte, die Ventilöffnungsdauer und der jeweilige Ventilhub sind bei jedem Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders periodisch konstant, was durch die konstruktiv festgelegte Nockenkontur und -höhe der Nockenwelle vorgegeben ist und einen Kompromiss zwischen hohem Gasdurchsatz bei erhöhtem Leistungsbedarf, einem guten Motorwirkungsgrad mit möglichst geringen Verlusten im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine sowie einer möglichst geringen Schadstoffemission unter allen Betriebsbedingungen darstellt. Eine solche Auslegung der Steuerzeiten kann jedoch nachteilig sein, soll gleichermaßen eine gute Höchstleistung und ein guter Motorwirkungsgrad im Teillastbereich erzielt werden. Eine hohe Motorleistung bei höheren Drehzahlen erfordert sowohl eine lange Ventilöffnungszeit als auch einen großen Ventilhub, um bei jedem Ansaugtakt eine möglichst große Menge an Frischgas in den Brennraum strömen zu lassen. Als nachteilig bei einer solchen Auslegung der Ventilsteuerung erweisen sich zum einen die Drosselverluste bei niederen Motordrehzahlen und im Teillastbereich, da für einen derartigen Betrieb der Brennkraftmaschine die Öffnungszeiten und der Ventilhub insbesondere der Einlassventile zu lang beziehungsweise zu groß für die benötigte Menge an Frischgas sind. Um dennoch eine korrekte Füllung des Brennraums gewährleisten zu können, wird der Saugrohrquerschnitt bei Motoren mit Fremdzündung mit einer Drosselklappe reduziert, wobei allerdings Drosselverluste beim Gaswechsel entstehen. Auch sind dann die Ventilüberschneidungen, d. h. ein Öffnen des Auslassventils, bevor das Einlassventil vollständig geschlossen ist, länger, wodurch Spülverluste entstehen und Anteile von Frischgas aus dem Auslassventil strömen und/oder unerwünschte Anteile von verbrannten Gasen im Brennraum verbleiben.
• Es sind verschiedene Systeme bekannt, welche die Ventilerhebungskurven verändern können oder die eine Phasenverschiebung von der Einlass- zu einer Auslasserhebungskurve der Ventilsteuerzeiten ermöglichen. Damit soll das Drehmoment der Brennkraftmaschine an der Volllastkurve sowie der Restgasgehalt positiv beeinflusst werden. Als Variationsparameter der Beeinflussung der Ventilerhebungskurven bieten sich grundsätzlich der Ventilhub, der Ventilöffnungszeitpunkt und die Ventilöffnungsdauer der Einlassventile und/oder der Auslassventile an.
• Es sind verschiedene Systeme zur Variation der Ventilerhebungskurven bekannt, beispielsweise zur Variation eines Hubs des Einlassventils, kombiniert mit einer stufenlosen Phasenverschiebung der Einlassöffnungsdauer mittels einer zusätzlichen Excenterwelle, die beispielsweise mittels eines Elektromotors verstellt wird. Bekannt sind weiterhin Systeme zur gekoppelten Variation des Ventilhubs mit der Öffnungszeit. Hierzu kann eine zusätzliche zweite Einlassnockenwelle Verwendung finden, die mit der gleichen Drehzahl umläuft wie eine bereits vorhandene erste Nockenwelle. Ein Getriebe ermöglicht über einen Elektromotor eine Verdrehung der beiden Nockenwellen zueinander. Bekannt ist auch ein System zur Variation des Ventilhubs und der Ventilsteuerzeiten mit über in Axialrichtung der Nockenwelle veränderlicher Nockenkontur. Jeder einzelne, ein einzelnes Ein- oder Auslassventil steuernder Nocken weist hierbei in Axialrichtung der Nockenwelle eine veränderliche Nockenkontur auf. Durch eine axiale Verstellung der Nockenwelle im Betrieb der Brennkraftmaschine können somit der Ventilhub- und die Ventilsteuerzeiten variiert werden.
• Neben den genannten Einrichtungen zur Verstellung der Nockenwellen sind verschiedene Systeme zur direkten Ansteuerung der Gaswechselventile bekannt. Bei dieser sog. vollvariablen Ventilsteuerung kann die Betätigung der Ventile mittels hydraulischen Antrieben oder bspw. mittels elektromagnetischer Aktoren o. dgl. erfolgen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, bei der Gaswechselventile variabel, d. h. mit variabel einstellbaren Ventilsteuerzeiten ansteuerbar sind. Die Ventilsteuerung soll zudem eine robuste und kostengünstig herstellbare Lösung bieten.
• Diese Aufgabe wird mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Gaswechselventile der Verbrennungskraftmaschine mit der Kurbelwelle über ein Schwenkgetriebe gekoppelt sind, das eine Antriebsrotation in eine oszillierende Drehbewegung einer Abtriebswelle um einen variabel einstellbaren Schwenkwinkel wandelt. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Verbrennungsraum zur Aufnahme eines oszillierenden Kolbens, der über ein Schubkurbelgetriebe mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, und mit Gaswechselventilen zur Steuerung des Einlasses von Verbrennungsgasen in den Brennraum und des Auslasses von verbrannten Gasen aus dem Brennraum, deren Öffnungs- und Schließbewegungen über ein Getriebe mit den Oszillationsbewegungen des Kolbens gekoppelt sind, wobei Öffnungs- und Schließparameter der Gaswechselventile in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar sind. Erfindungsgemäß umfasst das Schwenkgetriebe wenigstens zwei Planetenzahnradstufen, mit deren Hilfe eine Antriebsrotation in eine oszillierende Drehbewegung einer Abtriebswelle um einen variabel einstellbaren Schwenkwinkel gewandelt wird.
• Wahlweise können die Gaswechselventile mehrerer Brennräume der Verbrennungskraftmaschine über eine gemeinsame Schwenkwelle mit dem Schwenkgetriebe gekoppelt sein. Eine alternative Ausführungsvariante kann vorsehen, dass die Einlassventile und die Auslassventile mehrerer Brennräume jeweils über gemeinsame Schwenkwellen mit wenigstens zwei Schwenkgetrieben gekoppelt sind. Wahlweise können auch mehreren Gaswechselventilen einzelner Brennräume jeweils separate Schwenkgetriebe zugeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass jeweils den Einlassventilen und den Auslassventilen jedes Brennraums ein separates Schwenkgetriebe zugeordnet ist. Dabei können mehrere Schwenkgetriebe jeweils einzelner Brennräume über eine gemeinsame, von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene Antriebswelle miteinander gekoppelt sein.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass jedes der Gaswechselventile mittels von einem Nocken der ihnen zugeordneten Schwenkwelle betätigten Öffnungs- und Schließhebeln betätigt wird. Eine solche sog. desmodronische Ventilsteuerung ist für sehr hohe Drehzahlen geeignet. Wahlweise können auch andere Ventilbetätigungen in Frage kommen, bspw. eine fluidische Betätigung. So kann jedes der Gaswechselventile mit einem von einem Nocken der ihnen zugeordneten Schwenkwelle betätigten hydraulischen Umsetzer zum Öffnen und/oder Schließen gekoppelt sein. In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass der hydraulische Umsetzer eine Einrichtung zur Dämpfung und/oder Unterbrechung einer Wirkverbindung zwischen Gaswechselventil und dem zugehörigen Nocken aufweist. So kann ein Druckspeicher in der hydraulischen Druckleitung vorgesehen sein, mit dessen der aktuell herrschende Druck in der Druckleitung schnell gemindert oder abgebaut werden kann, so dass das entsprechende Gaswechselventil unmittelbar zum Schließen veranlasst werden kann, da der zuvor auf das Ventil wirkende Öffnungsdruck entfällt oder reduziert wird. Ein solches System zur Ventilsteuerung ist auch als sog. „Uniair”-System – ein Ventiltriebsystem mit elektro-hydraulischen Regelelementen zur Einstellung eines kontinuierlich variablen Einlassventilhubs – bekannt, so bspw. aus der DE 698 22 801 T2 . Ein Einlassnocken einer Einlassnockenwelle drückt hierbei über einen Kolben auf ein Ölpolster, das seinerseits über einen Stößel auf das Einlassventil wirkt. Durch variabel steuerbares Abregein des Ölpolstervolumens über ein elektromagnetisch ansteuerbares Ventil und einen Druckspeicher lassen sich Ventilhub und die Ventilsteuerzeiten in weiten Grenzen stufenlos verändern.
• Ein besonders vorteilhafter Aspekt dieser Ventilsteuerung liegt in einer wirksamen „Ventilbremse”, die ein exaktes Schließen der Ventile bei akustisch zulässigen Ventilaufsetzgeschwindigkeiten in allen Betriebsbereichen des Motors, unabhängig von der Ölviskosität, sicherstellen kann. Zudem eignet sich dieses System zur drosselfreien Laststeuerung sowie zur Optimierung der Zylinderfüllung bei Volllast. Ein derartiges „Uniair”System eignet sich hervorragend zur Kombination mit einem erfindungsgemäßen Schwenkgetriebe, da die bisher verwendeten Systeme relativ hohe Verlustleistungen aufweisen. Die einzelnen Pumpenelemente werden bei den bisher verwendeten Systemen durch geometrisch eindeutig definierte mechanische Nocken angetrieben, so dass die Pumpe immer den notwendigen Druck für einen maximalen Öffnungshub der Ventile erzeugen muss. Wird jedoch nur ein Teilhub der Ventile benötigt, so wird das nicht benötigte Fördervolumen der Pumpenelemente über ein Magnetventil abgelassen, wodurch die erwähnten Verlustleistungen entstehen. Bei einer Kombination der hydraulischen Ventilbetätigung mit einem erfindungsgemäßen Schwenkgetriebe kann die herkömmliche Nockenwelle entfallen und wird durch ein Schwenkgetriebe bzw. mehrere solcher Schwenkgetriebe ersetzt. Das Schwenkgetriebe übernimmt somit die Funktion der Nockenwelle und treibt den Kolben des hydraulischen Umsetzers bzw. Nockenstößels an. Der Ventilhub muss daher nicht mehr durch den Öldruck gesteuert werden, sondern resultiert aus dem Fördervolumen des Nockenstößels. Dieses Fördervolumen wird über den Schwenkwinkel des/der Schwenkgetriebe(s) geregelt. So kann durch die Variation des Kolbenhubs auch der Ventilhub des Ventiltriebs bzw. des Ventilhubs angepasst werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann jedes Schwenkgetriebe wenigstens zwei Planetenzahnradstufen umfassen, deren Zahnräder eine nicht kreisförmige Umfangskontur aufweisen. Zumindest einzelne der Zahnräder können jeweils ovale Umfangskonturen aufweisen. Wahlweise können zumindest einzelne der Zahnräder jeweils kreisrunde Umfangskonturen mit nockenförmigen Aus- oder Einbuchtungen aufweisen. Eine solche geometrische Form ermöglicht eine für die Thermodynamik des Verbrennungsprozesses günstige Gestaltung der Ventilöffnungskurven. Die Ventilöffnungs- und die Ventilschließcharakteristiken sind bei dieser Variante unabhängig von der Ventilöffnungszeit konstant.
• Die Ventilöffnungszeiten werden bei allen Varianten jeweils durch Phasenversteller realisiert, der die Planetenträger des Schwenkgetriebes in ihrem Winkel zueinander verstellt, was zu einer gewünschten Verlängerung oder Verkürzung der Ventilöffnungszeiten führt.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Verbrennungsraum zur Aufnahme eines oszillierenden Kolbens, der über ein Schubkurbelgetriebe mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, und mit Gaswechselventilen zur Steuerung des Einlasses von Verbrennungsgasen in den Brennraum und des Auslasses von verbrannten Gasen aus dem Brennraum, deren Öffnungs- und Schließbewegungen über ein Getriebe mit den Oszillationsbewegungen des Kolbens gekoppelt sind, wobei Öffnungs- und Schließparameter der Gaswechselventile in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine variabel eingestellt werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselventile von einem Schwenkgetriebe mit wenigstens zwei Planetenstufen angesteuert werden, das eine Antriebsrotation in eine oszillierende Drehbewegung einer Abtriebswelle um einen variabel einstellbaren Schwenkwinkel wandelt.
• Weitere Varianten des Verfahrens entsprechen den bereits zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.
• Wenn im vorliegenden Zusammenhang von einer desmodronischen Ventilbetätigung die Rede ist, so ist damit das aktive Schließen der Gaswechselventile gemeint. Während bei herkömmlichen Ventiltrieben die Ventile gegen die Rückstellkraft einer Feder geöffnet werden und selbsttätig wieder in ihre geschlossene Ausgangslage zurück gleiten, erfolgt die Schließbewegung bei einer desmodronischen Ventilsteuerung bspw. mittels eines Schließhebels o. dgl., der mittels eines Schließnockens betätigt sein kann.
• Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.
• 1 zeigt eine Anordnung zur Ventilsteuerung mit einer Schwenkwelle bei einer Vierzylinder-Verbrennungskraftmaschine.
• 2 zeigt eine Variante einer Ventilsteuerung mit zwei parallelen Schwenkgetrieben und diesen zugeordneten Schwenkwellen.
• 3 zeigt eine desmodronische Ventilsteuerung mit einem Öffnungs- und einem Schließhebel.
• 4 zeigt einen vollvariablen Ventiltrieb mit mehreren Schwenkgetrieben und einer gemeinsamen Antriebswelle.
• 5 zeigt eine Variante eines vollvariablen Ventiltriebs mit zwei Schwenkgetrieben je Brennraum.
• 6 zeigt den Aufbau eines Ventilhebelsteuerung mit jeweils einem Schwenkgetriebe für jedes zu betätigende Ventil.
• 7 zeigt eine Variante eines vollvariablen Ventiltriebs mit einem Schwenkgetriebe je Brennraum und mit Hohlwellen.
• 8 zeigt den Aufbau eines Schwenkgetriebes mit Doppelplanetenstufen.
• 9 zeigt den Aufbau eines weiteren Schwenkgetriebes mit Hohlrädern.
• 10 zeigt die Hubkurve eines Schwenkgetriebes.
• 11 zeigt ein erstes Zahnrad einer Planetenstufe mit überlagerter Nockenkontur.
• 12 zeigt ein zweites Zahnrad einer Planetenstufe mit überlagerter Nockenkontur.
• 13 zeigt den Aufbau eines vollvariablen Ventiltriebs mit hydraulischen Umsetzern zur Ventilbetätigung.
• 14 zeigt schematisch den Aufbau des Ventiltriebs gemäß 13 für ein einzelnes Gaswechselventil.
• 15 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Ventiltriebs einer hydraulischen Ventilbetätigung.
• Die schematischen Darstellungen der 1 bis 15 zeigen unterschiedliche Ausführungsvarianten einer Ventilsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine und deren Komponenten. Die Ventilsteuerung basiert im Wesentlichen auf der Verwendung wenigstens eines einstellbaren Schwenkgetriebes, das eine Rotation einer Antriebswelle in eine oszillierende Schwenkbewegung einer Abtriebswelle wandelt. Die Bewegungsparameter der oszillierenden Abtriebswelle sind variabel einstellbar, so dass eine variable Ansteuerung der Gaswechselventile ermöglicht ist. Alle Ausführungsvarianten beziehen sich auf eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Verbrennungsraum zur Aufnahme eines oszillierenden Kolbens, der über ein Schubkurbelgetriebe mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist. Im Kopfbereich des Verbrennungsraums sind Gaswechselventile zur Steuerung des Einlasses von Verbrennungsgasen in den Brennraum und des Auslasses von verbrannten Gasen aus dem Brennraum angeordnet. Die Öffnungs- und Schließbewegungen der Gaswechselventile sind über ein Getriebe mit den Oszillationsbewegungen des Kolbens gekoppelt. Zudem sind die Öffnungs- und Schließparameter der Gaswechselventile in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Gaswechselventile mit der Kurbelwelle über ein Schwenkgetriebe mit wenigstens zwei Planetenstufen gekoppelt, das eine Antriebsrotation in eine oszillierende Drehbewegung einer Abtriebswelle um einen variabel einstellbaren Schwenkwinkel wandelt.
• Die schematische Darstellung der 1 zeigt eine erste Variante einer derartigen Anordnung zur Ansteuerung der Gaswechselventile einer Verbrennungskraftmaschine mit insgesamt vier Zylindern. Eine drehbar gelagerte Schwenkwelle 10 wird von einem Schwenkgetriebe 12 angetrieben, so dass sie oszillierende Schwenkbewegungen um einen festen oder variablen Schwenkwinkel ausführt. Die Frequenz der Schwenkbewegungen ist mit der Oszillationsfre quenz der sich in den Zylinderlaufbahnen auf- und ab bewegenden Kolben zu synchronisieren, was bspw. durch einen Antrieb bzw. eine Koppelung des Schwenkgetriebes 12 mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet werden kann. Die Schwenkwelle 10 weist eine Reihe von Nocken (vgl. 3) auf, die jeweils mit Ventilhebeln 14 zur Ansteuerung der Gaswechselventile zusammenwirken.
• Die schematische Darstellung der 2 zeigt eine entsprechende Anordnung mit zwei parallelen Schwenkwellen 10, die jeweils durch separate Schwenkgetriebe 12 angetrieben werden. Die untere der beiden Schwenkwellen 10 kann bspw. mit den Einlassventilen gekoppelt sein, während die obere Schwenkwelle 10 die Auslassventile betätigt. Wahlweise können die Schwenkgetriebe 12 über einen separaten oder über einen gemeinsamen Antrieb mit rotierenden Teilen der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt sein.
• Die schematische Darstellung der 3 verdeutlicht die Ansteuerung eines der Gaswechselventile 16, in diesem Fall ein Einlassventil, das im Einlasskanal 18 angeordnet ist und diesen mittels eines Ventiltellers 20 variabel öffnen und schließen kann. Der axial verschiebbare Ventilschaft 22 ist an seinem oberen Ende mit einer Tasse 24 versehen, die mit zwei schwenkbaren Hebeln 26 und 28 zusammenwirkt. Wird der obere Hebel 26 durch den Nocken 30 der Schwenkwelle 10 nach oben gedrückt, übt er eine Axialkraft auf die Tasse 24 aus, die zum Öffnen des Ventils 16 führt. Wird der untere Hebel 28 durch den Nocken 30 betätigt, drückt er die Tasse 24 und damit das Ventil 16 wieder nach oben, so dass der Ventilteller 20 wieder in seinen Sitz im Einlasskanal 18 gedrückt wird und somit den Einlasskanal 18 verschließt.
• Die schematische Darstellung der 4 zeigt eine alternative Antriebsanordnung, bei der mehrere parallele Schwenkgetriebe 12 über eine gemeinsame Antriebswelle 32 angetrieben werden. Die Antriebswelle 32 kann bspw. über einen Antrieb 34 mit der Kurbelwelle oder einem anderen rotierenden Element der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt sein. Jedem Schwenkgetriebe 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Betätigungshebel 14 zur Ansteuerung eines von vier Einlassventilen zugeordnet. Die schematische Darstellung der 5 zeigt eine entsprechende Anordnung mit jeweils parallelen Schwenkgetrieben 12 zur Betätigung der Einlass- und Auslassventile. Alle Schwenkgetriebe 12 sind mit einer gemeinsamen, zentralen Antriebswelle 32 gekoppelt, die über den Antrieb 34 mit der Kurbelwelle oder einem anderen rotierenden Element der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt sein kann.
• Die schematische Darstellung der 6 zeigt eine der 5 entsprechende Anordnung zur Ansteuerung der Einlass- und Auslassventile eines Brennraums. Das rechte Ventil kann in diesem Fall ein Einlassventil 16 sein, das im Einlasskanal 18 angeordnet ist und diesen mittels eines Ventiltellers 20 variabel öffnen und schließen kann. Der axial verschiebbare Ventilschaft 22 ist an seinem oberen Ende mit einer Tasse 24 versehen, die mit zwei schwenkbaren Hebeln 26 und 28 zusammenwirkt. Wird der obere Hebel 26 durch den Nocken 30 der Schwenkwelle 10 nach oben gedrückt, übt er eine Axialkraft auf die Tasse 24 aus, die zum Öffnen des Ventils 16 führt. Wird der untere Hebel 28 durch den Nocken 30 betätigt, drückt er die Tasse 24 und damit das Ventil 16 wieder nach oben, so dass der Ventilteller 20 wieder in seinen Sitz im Einlasskanal 18 gedrückt wird und somit den Einlasskanal 18 verschließt. Die Schwenkwelle 10 steht in direktem Verzahnungseingriff mit der zentralen Antriebswelle 32, die wiederum in direktem Verzahnungseingriff mit einer weiteren Schwenkwelle 10 zum Antrieb des Auslassventils 36 steht. Das Auslassventil 36 ist in einem Auslasskanal 38 angeordnet ist und kann diesen mittels des Ventiltellers 20 variabel öffnen und schließen. Der axial verschiebbare Ventilschaft 22 ist an seinem oberen Ende mit einer Tasse 24 versehen, die mit zwei schwenkbaren Hebeln 26 und 28 zusammenwirkt. Wird der obere Hebel 26 durch den Nocken 30 der Schwenkwelle 10 nach oben gedrückt, übt er eine Axialkraft auf die Tasse 24 aus, die zum Öffnen des Ventils 36 führt. Wird der untere Hebel 28 durch den Nocken 30 betätigt, drückt er die Tasse 24 und damit das Ventil 36 wieder nach oben, so dass der Ventilteller 20 wieder in seinen Sitz im Auslasskanal 38 gedrückt wird und somit den Auslasskanal 38 verschließt.
• Die schematische Darstellung der 7 zeigt eine weitere Antriebsanordnung für die Ventile einer Verbrennungskraftmaschine, bei der insgesamt vier Schwenkgetriebe 12 unmittelbar nebeneinander angeordnet und über einen gemeinsamen Antrieb 34 miteinander gekoppelt sind. Die Schwenkgetriebe 12 wirken jeweils mit Hohlwellenabschnitten 40, die wiederum jeweils mit den Ventilantrieben 14 zur Betätigung der Einlass- und/oder Auslassventile der Brennkraftmaschine gekoppelt sind. Die Ansteuerung der Schwenkgetriebe 12 hinsichtlich ihrer Steuerzeiten kann dabei jeweils unabhängig voneinander vorgenommen werden.
• Anhand der schematischen Getriebedarstellungen der 8 und 9 wird die Funktionsweise des für den Ventilantrieb eingesetzten Schwenkgetriebes 12 verdeutlicht. Die links angeordnete Antriebswelle 42 stellt jeweils den Eingang des Getriebes dar. Die Antriebswelle 42 rotiert mit einer zur Motordrehzahl proportionalen Umdrehungsgeschwindigkeit und kann bspw. mit der Kurbelwelle oder einer anderen rotierenden Welle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt sein. Das Schwenkgetriebe 12 der ersten Ausführungsvariante gemäß 8 umfasst zwei Getriebestufen 44 und 46. Durch die Verwendung von ovalen Zahnrädern als Sonnen- und Planetenräder und durch die Stelleinrichtung 48 kann eine Schwenkbewegung der Abtriebswelle 50 oder sogar deren Stillstand erzeugt werden. Die Stelleinrichtung 48 kann bspw. ein elektrisch betriebener Stellmotor sein, mit dem die erste Getriebestufe 44 beeinflusst und damit die Amplitude der Schwenkbewegung sowie ggf. deren Phasenverschiebung an der Abtriebswelle 50 verstellt werden kann.
• Die zweite Ausführungsvariante des Schwenkgetriebes 12 gemäß 9 liefert am Ausgang der Abtriebswelle 50 die gleiche Schwenkbewegung wie das Getriebe gemäß 8, benötigt allerdings einen deutlich reduzierten axialen Bauraum.
• Das Diagramm der 10 zeigt die Hubkurve eines Schwenkantriebs, bei dem in Abhängigkeit von der geometrischen Gestaltung der Zahnräder sowohl die Hubhöhe als auch die Hubweite gesteuert werden können. Im gezeigten Aus führungsbeispiel kann der Schwenkwinkel jeweils bis zu 6 Grad in beide Richtungen, ausgehend von einer Nulllage, betragen.
• Wahlweise können die Schwenkgetriebe 12 (vgl. 8 und 9) mit Zahnrädern 52 bestückt sein, deren Form aus einer Kreiskontur mit überlagertem Nocken 54 gebildet ist (vgl. 11, 12). Diese geometrische Form ermöglicht eine für die Thermodynamik des Verbrennungsprozesses günstige Gestaltung der Ventilöffnungskurve. Die Ventilöffnungs- und Schließcharakteristik sind bei dieser Variante unabhängig von der Ventilöffnungszeit konstant. Die Verstellung der Ventilöffnungszeiten erfolgt wie bereits beschrieben mittels des Phasenverstellers 48, der die Planetenräder der ersten Getriebestufe 44 in ihrem Winkel zueinander verstellt. Dadurch kann eine Verlängerung oder Verkürzung der Ventilöffnungszeit erreicht werden.
• Die schematische Darstellung der 13 verdeutlicht eine weitere Ausführungsvariante einer Ventilantriebsanordnung, bei der für jedes Ventil bzw. für jedes Ventilpaar ein von einer gemeinsamen Antriebswelle 32 angetriebenes Schwenkgetriebe 12 vorgesehen ist. Die Übertragung der zyklischen Stellbewegung auf das Ventil erfolgt bei dieser Variante jedoch nicht mittels Schwenkhebeln (vgl. 3 und 6), sondern mittels hydraulischer Kraftübertragung, einem sog. hydraulischen Umsetzer 56, wie er in 14 näher erläutert wird. Die Schwenkwelle 10 des Schwenkantriebs betätigt dabei einen ersten Kolben 58, der über eine Druckleitung 60 mit einem zweiten Kolben 62 zusammenwirkt. Da der zweite Kolben 62 unmittelbar über dem Ventilschaft 22 angeordnet ist, kann er in axialer Richtung auf das Ventil drücken und dieses öffnen. Eine Rückstellkraft kann bspw. durch eine Rückholfeder 64 ausgeübt werden, so dass keine hydraulische Schließkraft auf das Ventil aufgebracht werden muss. Die schematische Darstellung der 15 zeigt ein an sich bekanntes Ventilsteuerungssystem, bei dem zumindest die Einlassventile der Verbrennungskraftmaschine mit hydraulischem Druck betätigt werden. Ein solches System zur Ventilsteuerung ist auch als sog. „Uniair”-System – ein Ventiltriebsystem mit elektro-hydraulischen Regelelementen zur Einstellung eines kontinuierlich variablen Einlassventilhubs – bekannt (z. B. aus der DE 698 22 801 T2 ). Ein Ein lassnocken einer Einlassnockenwelle 70 drückt hierbei über einen Kolben 72 auf ein Ölpolster 74, das seinerseits über einen Stößel 76 auf das Einlassventil 16 wirkt. Durch variabel steuerbares Abregeln des Ölpolstervolumens über ein elektromagnetisch ansteuerbares Ventil 78 und einen Druckspeicher 80 lassen sich Ventilhub und die Ventilsteuerzeiten in weiten Grenzen stufenlos verändern. Ein Rückschlagventil 82 ermöglicht das Nachströmen von Drucköl, verhindert aber einen ungewollten Druckabfall.
• Dagegen ermöglicht das um einige Bauteile reduzierte erfindungsgemäße System gemäß 14 durch seine Kombination mit einem Schwenkgetriebe eine weitgehende Reduzierung der bisher auftretenden Verlustleistungen. Die einzelnen Pumpenelemente werden bei den bisher verwendeten Systemen gemäß 15 durch geometrisch eindeutig definierte mechanische Nocken der Nockenwelle 70 angetrieben, so dass die Pumpe immer den notwendigen Druck für einen maximalen Öffnungshub der Ventile erzeugen muss. Wird jedoch nur ein Teilhub der Ventile benötigt, so wird das nicht benötigte Fördervolumen der Pumpenelemente über das Magnetventil 78 abgelassen, wodurch die erwähnten Verlustleistungen entstehen. Bei einer Kombination der hydraulischen Ventilbetätigung mit einem erfindungsgemäßen Schwenkgetriebe kann die herkömmliche Nockenwelle entfallen und wird durch ein Schwenkgetriebe bzw. mehrere solcher Schwenkgetriebe ersetzt (vgl. 13 und 14). Das Schwenkgetriebe übernimmt somit die Funktion der Nockenwelle und treibt den Kolben des hydraulischen Umsetzers 56 bzw. Nockenstößels an. Der Ventilhub muss daher nicht mehr durch den Öldruck gesteuert werden, sondern resultiert aus dem Fördervolumen des Nockenstößels. Dieses Fördervolumen wird über den Schwenkwinkel des/der Schwenkgetriebe(s) geregelt. So kann durch die Variation des Kolbenhubs auch der Ventilhub des Ventiltriebs bzw. des Ventilhubs angepasst werden.
• Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

10

Schwenkwelle

12

Schwenkgetriebe

14

Ventilhebel

16

Ventil

18

Einlasskanal

20

Ventilteller

22

Ventilschaft

24

Tasse

26

oberer Hebel

28

unterer Hebel

30

Nocken

32

Antriebswelle

34

Antrieb

36

Auslassventil

38

Auslasskanal

40

Hohlwellenabschnitt

42

Antriebswelle

44

erste Getriebestufe

46

zweite Getriebestufe

48

Stelleinrichtung

50

Abtriebswelle

52

Zahnrad

54

Nocken

56

hydraulischer Umsetzer

58

erster Kolben

60

Druckleitung

62

zweiter Kolben

64

Rückholfeder

70

Nockenwelle

72

Kolben

74

Ölpolster

76

Stößel

78

Ventil

80

Druckspeicher

82

Rückschlagventil

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 69822801 T2 [0009, 0043]

Claims (13)

1. Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Verbrennungsraum zur Aufnahme eines oszillierenden Kolbens, der über ein Schubkurbelgetriebe mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, und mit Gaswechselventilen (16, 36) zur Steuerung des Einlasses von Verbrennungsgasen in den Brennraum und des Auslasses von verbrannten Gasen aus dem Brennraum, deren Öffnungs- und Schließbewegungen über ein Getriebe mit den Oszillationsbewegungen des Kolbens gekoppelt sind, wobei Öffnungs- und Schließparameter der Gaswechselventile (16, 36) in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselventile (16, 36) mit der Kurbelwelle über ein Schwenkgetriebe (12) mit wenigstens zwei Planetenstufen (44, 46) gekoppelt sind, das eine Antriebsrotation in eine oszillierende Drehbewegung einer Abtriebswelle (50) um einen variabel einstellbaren Schwenkwinkel wandelt.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselventile (16, 36) mehrerer Brennräume der Verbrennungskraftmaschine über eine gemeinsame Schwenkwelle (10) mit dem Schwenkgetriebe (12) gekoppelt sind.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (16) und die Auslassventile (36) mehrerer Brennräume jeweils über gemeinsame Schwenkwellen (10) mit wenigstens zwei Schwenkgetrieben (12) gekoppelt sind.
4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Gaswechselventilen (16, 36 einzelner Brennräume jeweils ein separates Schwenkgetriebe (12) zugeordnet ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils den Einlassventilen (16) und den Auslassventilen (36) jedes Brennraums ein separates Schwenkgetriebe (12) zugeordnet ist.
6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schwenkgetriebe (12) jeweils einzelner Brennräume über eine gemeinsame, von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene Antriebswelle (32) miteinander gekoppelt sind.
7. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Gaswechselventile (16, 36) mittels von einem Nocken (30) der ihnen zugeordneten Schwenkwelle (10) betätigten Öffnungs- und Schließhebeln (26, 28) betätigbar ist.
8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Gaswechselventile (16, 36) mit einem von einem Nocken (30) der ihnen zugeordneten Schwenkwelle (10) betätigtem hydraulischen Umsetzer (56) zum Öffnen und/oder Schließen gekoppelt ist.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Umsetzer (56) eine Einrichtung zur Dämpfung und/oder Unterbrechung einer Wirkverbindung zwischen Gaswechselventil (16, 36) und dem zugehörigen Nocken (30) aufweist.
10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schwenkgetriebe (12) wenigstens zwei Planetenzahnradstufen (44, 46) umfasst, deren Zahnräder (52) eine nicht kreisförmige Umfangskontur aufweisen.
11. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Zahnräder (52) jeweils ovale Umfangskonturen aufweisen.
12. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Zahnräder (52) jeweils kreisrunde Umfangskonturen mit nockenförmigen Aus- oder Einbuchtungen (54) aufweisen.
13. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Verbrennungsraum zur Aufnahme eines oszillierenden Kolbens, der über ein Schubkurbelgetriebe mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, und mit Gaswechselventilen (16, 36) zur Steuerung des Einlasses von Verbrennungsgasen in den Brennraum und des Auslasses von verbrannten Gasen aus dem Brennraum, deren Öffnungs- und Schließbewegungen über ein Getriebe mit den Oszillationsbewegungen des Kolbens gekoppelt sind, wobei Öffnungs- und Schließparameter der Gaswechselventile (16, 36) in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine variabel eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselventile (16, 36) von einem Schwenkgetriebe (12) mit wenigstens zwei Planetenstufen (44, 46) angesteuert werden, das eine Antriebsrotation in eine oszillierende Drehbewegung einer Abtriebswelle (50) um einen variabel einstellbaren Schwenkwinkel wandelt.