DE102009035404A1

DE102009035404A1 - Verbrennungsmotor mit elektrohydraulisch hubvariabler Ventilbetätigung

Info

Publication number: DE102009035404A1
Application number: DE102009035404A
Authority: DE
Inventors: Michael Berger; Thomas Kremer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-03
Also published as: US8347839B2; US20110023801A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Verbrennungsmotor mit untenliegender Nockenwelle (1) und elektrohydraulisch hubvariabler Ventilbetätigung in Modulbauweise. Dabei ist eine separat vom Verbrennungsmotor montierte und im Kurbelgehäuse (10) eingesetzte Hydraulikeinheit (6) vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit elektrohydraulisch hubvariabler Ventilbetätigung, umfassend:

– ein Kurbelgehäuse und einen Zylinderkopf;
– eine Nockenwelle mit einem Nocken und einen den Nockenhub abgreifenden Nockenstößel, wobei die Nockenwelle und der Nockenstößel außerhalb des Zylinderkopfs entweder im Kurbelgehäuse oder in einem am Kurbelgehäuse angebrachten Nockenwellengehäuse angeordnet sind;
– einen Kipphebel und ein vom Kipphebel betätigtes Gaswechselventil, wobei der Kipphebel und das Gaswechselventil im Zylinderkopf angeordnet sind;
– einen vom Nockenstößel betätigten Geberkolben und einen den Kipphebel betätigenden Nehmerkolben, wobei der Geberkolben und der Nehmerkolben einen hydraulischen Druckraum mit veränderlichem Volumen begrenzen;
– ein elektrisch ansteuerbares Hydraulikventil und einen hydraulischen Druckentlastungsraum, der über das Hydraulikventil mit dem Druckraum verbindbar ist.

Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Verbrennungsmotore mit untenliegender Nockenwelle (OHV-Anordnung) und hydraulisch variabler Ventilbetätigung nach dem sogenannten Lost-Motion-Prinzip, bei dem die Übertragung des Nockenhubs auf das Gaswechselventil mittels des volumenveränderlichen Druckraums zwischen Geber- und Nehmerkolben stufenlos variierbar ist, sind unter anderem aus der US 2004/0065285 A1 und der US 6,694,933 B1 bekannt. Bei den dort offenbarten Verbrennungsmotoren ist die untenliegende Nockenwelle unmittelbar im Kurbelgehäuse gelagert. Bei sehr großvolumigen Verbrennungsmotoren (beispielsweise für Schiffsantriebe) ist es auch üblich, die untenliegende Nockenwelle in einem separat zum Kurbelgehäuse gefertigten Nockenwellengehäuse zu lagern.
Dem im Vergleich zu standardmäßigen Ventilbetätigungen ohne Hubvariabilität hervorragenden thermodynamischen Potenzial der hydraulisch variablen Ventilbetätigung steht jedoch eine erheblich größere Systemkomplexität gegenüber, die konstruktive und fertigungstechnische Anpassungen einer bestehenden Motorarchitektur an die hydraulische Ventilbetätigung in entsprechend großem Umfang erforderlich macht. Der damit verbundene Herstell- und Kostenaufwand ist besonders groß, wenn der ansonsten identische Verbrennungsmotor mit und ohne hydraulisch variable Ventilbetätigung ausgeführt sein soll.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die hydraulische Ventilbetätigung mit möglichst geringem Herstell- und Kostenaufwand adaptierbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach ist es vorgesehen, dass der Geberkolben, der Nehmerkolben, das Hydraulikventil, der Druckraum und der Druckentlastungsraum im Verbund mit einem gemeinsamen Hydraulikgehäuse eine separat vom Verbrennungsmotor montierte Hydraulikeinheit bilden, die entweder im Kurbelgehäuse eingesetzt oder außerhalb des Zylinderkopfs am Nockenwellengehäuse angebracht und an den Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die für die hydraulische Ventilbetätigung spezifisch erforderlichen Elemente zu einer vormontierten Baueinheit zusammenzufassen, die bei der Montage des Verbrennungsmotors nur noch in dessen Kurbelgehäuse eingesetzt bzw. an das dazu separate Nockenwellengehäuse angebracht, elektrisch kontaktiert und – sofern nicht bereits vorher geschehen – mit Hydraulikmittel befüllt werden muss. Konstruktive Änderungen an der Motorarchitektur können sich im wesentlichen auf die Anpassung des Kurbelgehäuses bzw. Nockenwellengehäuses zur Aufnahme und Befestigung der Hydraulikeinheit und den Ersatz der standardmäßigen Stößelstange zwischen Nockenstößel und Kipphebel durch die dazwischen angeordnete Hydraulikeinheit und gegebenenfalls erforderliche Adapterelemente beschränken. Zudem ermöglicht der modulare Aufbau der Ventilbetätigung die jeweilige hydraulische und mechanische Anpassung einer Hydraulikeinheit an spezifisch ausgebildete Verbrennungsmotoren einer Motorenfamilie. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus dem Handling der Hydraulikeinheit, die beispielsweise im Reparaturfall einfach ausbaubar und gegebenenfalls auch austauschbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung soll die Hydraulikeinheit ferner einen an den Druckentlastungsraum angeschlossenen Druckspeicher umfassen. Dieser dient bekanntermaßen zur schnellen Wiederbefüllung des bei ablaufendem Nocken expandierenden Druckraums.
Ein ungewolltes Entleeren der Hydraulikeinheit und der Eintrag von Druckpulsationen in den Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors können wirksam dadurch vermieden werden, dass die Hydraulikeinheit ferner ein in Richtung des Druckentlastungsraums öffnendes Rückschlagventil umfasst, mittels dessen die Hydraulikeinheit an den Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
Bei den oben erwähnten Adapterelementen kann es sich um eine untere Stößelstange und/oder eine obere Stößelstange handeln, mittels welcher der Nockenstößel den Geberkolben bzw. mittels welcher der Nehmerkolben den Kipphebel betätigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stark vereinfacht und teilweise schematisch dargestellt ist. Die einzige Figur zeigt einen Verbrennungsmotor mit elektrohydraulisch hubvariabler Ventilbetätigung im Querschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Offenbart ist ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher Querschnitt eines Verbrennungsmotors mit elektrohydraulisch hubvariabler Ventilbetätigung in OHV-Bauweise (Overhead Valve). Dargestellt ist eine Nockenwelle 1 mit einem Nocken 2, dessen Nockenhub von einem längsgeführten Nockenstößel 3 mittels einer Rolle 4 abgegriffen und über eine untere Stößelstange 5, eine Hydraulikeinheit 6, eine obere Stößelstange 7 und einen Kipphebel 8 auf ein in Schließrichtung federbelastetes Gaswechselventil 9 übertragen wird. Die (untenliegende) Nockenwelle 1, der Nockenstößel 3, die untere Stößelstange 5 und die Hydraulikeinheit 6 sind im Kurbelgehäuse 10 angeordnet, während die obere Stößelstange 7, der mittig achsgelagerte Kipphebel 8 und das Gaswechselventil 9 im Zylinderkopf 11 des Verbrennungsmotors verlaufen. Vorgesehen, jedoch nicht näher dargestellt ist eine Vorrichtung zum Ventilspielausgleich, die auf bekannte Weise entweder mechanisch oder hydraulisch ausgeführt sein kann.
Die Hydraulikeinheit 6 ist zentraler Bestandteil der elektrohydraulisch hubvariablen Ventilbetätigung. Die Hydraulikeinheit 6 besteht aus einem einzigen Hydraulikgehäuse 12, das sich in Längsrichtung des Kurbelgehäuses 10 parallel zur Nockenwelle 1 erstreckt, und – in entsprechender Anzahl der zu betätigenden Gaswechselventile 9 (Einlass- und/oder Auslassventile) oder, bei hubidentischer Ventilbetätigung, Gaswechselventilpaare – darin aufgenommen:

– ein von der unteren Stößelstange 5 betätigter und in Richtung des Nockens 2 federkraftbeaufschlagter Geberkolben 13,
– ein die obere Stößelstange 7 betätigender Nehmerkolben 14 und daran anschließend eine hier nur schematisch dargestellte hydraulische Ventilbremse 15 bekannter Bauart, die ein stets sanftes Schließen des Gaswechselventils gewährleistet,
– ein elektrisch ansteuerbares Hydraulikventil 16 in Form eines stromlos geöffneten 2/2-Wege-Sitzventils,
– ein Druckspeicher 17 mit einem federkraftbeaufschlagten Ausgleichskolben und
– ein Rückschlagventil 18.

Der Geberkolben 13 und der Nehmerkolben 14, die in Gehäusebohrungen längsbeweglich und weitgehend druckmitteldicht geführt sind, begrenzen einen mit Hydraulikmittel vollständig gefüllten Druckraum 19 mit veränderlichem Volumen. Dieser ist bei geöffnetem, d. h. bei unbestromtem Hydraulikventil 16 mit einem Druckentlastungsraum 20 verbunden, der zum einen durch den Druckspeicher 17 und zum anderen durch das in Richtung des Druckentlastungsraums 20 öffnende Rückschlagventil 18 begrenzt ist. Das Rückschlagventil 18 ist einer Gehäusezuleitung 21 angeordnet, die an den nicht dargestellten Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors druckseitig angeschlossen ist. Demgegenüber entspannt sich der Druckspeicher 17 in den mit 22 bezeichneten drucklosen Teil des Hydraulikmittelkreislaufs.
Die an sich bekannte Funktionsweise der elektrohydraulischen Ventilbetätigung lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass der Druckraum 19 zwischen Geberkolben 13 und Nehmerkolben 14 als hydraulisches Gestänge wirkt, wobei das – bei Vernachlässigung von Hydraulikleckagen – proportional zum Nockenhub vom Geberkolben 13 verdrängte Hydraulikvolumen in Abhängigkeit des Öffnungszeitpunkts und der Öffnungsdauer des Hydraulikventils 16 in ein erstes, den Nehmerkolben 14 beaufschlagendes und mithin das Gaswechselventil 9 öffnendes Teilvolumen und in ein zweites, in den Druckentlastungsraum 20 einschließlich Druckspeicher 17 abströmendes Teilvolumen aufgesplittet wird. Hierdurch sind die Hubübertragung des Geberkolbens 13 auf den Nehmerkolben 14 und mithin nicht nur die Steuerzeiten, sondern auch die Hubhöhe des Gaswechselventils 9 bis hin zu dessen vollständiger Stilllegung vollvariabel einstellbar.
Die separat vom Verbrennungsmotor hergestellte Hydraulikeinheit 6 wird in fertig montiertem Zustand und mit Hydraulikmittel befüllt in das Kurbelgehäuse 10 eingesetzt und an nicht dargestellten Verschraubungspunkten befestigt. Ebenfalls nicht dargestellt sind elektrische Zuleitungen und damit zu verbindende Kontaktierungen des Hydraulikventils 16.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Nocken
3: Nockenstößel
4: Rolle
5: untere Stößelstange
6: Hydraulikeinheit
7: obere Stößelstange
8: Kipphebel
9: Gaswechselventil
10: Kurbelgehäuse
11: Zylinderkopf
12: Hydraulikgehäuse
13: Geberkolben
14: Nehmerkolben
15: Ventilbremse
16: Hydraulikventil
17: Druckspeicher
18: Rückschlagventil
19: Druckraum
20: Druckentlastungsraum
21: Gehäusezuleitung
22: druckloser Teil des Hydraulikmittelkreislaufs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0065285 A1 [0002]
- US 6694933 B1 [0002]

Claims

Verbrennungsmotor mit elektrohydraulisch hubvariabler Ventilbetätigung, umfassend: – ein Kurbelgehäuse (10) und einen Zylinderkopf (11); – eine Nockenwelle (1) mit einem Nocken (2) und einen den Nockenhub abgreifenden Nockenstößel (3), wobei die Nockenwelle (1) und der Nockenstößel (3) außerhalb des Zylinderkopfs (11) entweder im Kurbelgehäuse (10) oder in einem am Kurbelgehäuse (10) angebrachten Nockenwellengehäuse angeordnet sind; – einen Kipphebel (8) und ein vom Kipphebel (8) betätigtes Gaswechselventil (9), wobei der Kipphebel (8) und das Gaswechselventil (9) im Zylinderkopf (11) angeordnet sind; – einen vom Nockenstößel (3) betätigten Geberkolben (13) und einen den Kipphebel (8) betätigenden Nehmerkolben (14), wobei der Geberkolben (13) und der Nehmerkolben (14) einen hydraulischen Druckraum (19) mit veränderlichem Volumen begrenzen; – ein elektrisch ansteuerbares Hydraulikventil (16) und einen hydraulischen Druckentlastungsraum (20), der über das Hydraulikventil (16) mit dem Druckraum (19) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberkolben (13), der Nehmerkolben (14), das Hydraulikventil (16), der Druckraum (19) und der Druckentlastungsraum (20) im Verbund mit einem gemeinsamen Hydraulikgehäuse (12) eine separat vom Verbrennungsmotor montierte Hydraulikeinheit (6) bilden, die entweder im Kurbelgehäuse (10) eingesetzt oder außerhalb des Zylinderkopfs (11) am Nockenwellengehäuse angebracht und an den Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikeinheit (6) ferner einen an den Druckentlastungsraum (20) angeschlossenen Druckspeicher (17) umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikeinheit (6) ferner ein in Richtung des Druckentlastungsraums (20) öffnendes Rückschlagventil (18) umfasst, mittels dessen die Hydraulikeinheit (6) an den Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenstößel (3) den Geberkolben (13) mittels einer unteren Stößelstange (5) betätigt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nehmerkolben (3) den Kipphebel (8) mittels einer oberen Stößelstange (7) betätigt.
Hydraulikeinheit für einen Verbrennungsmotor mit elektrohydraulisch hubvariabler Ventilbetätigung und mit: – einem Kurbelgehäuse (10) und einem Zylinderkopf (11); – einer Nockenwelle (1) mit einem Nocken (2) und einem den Nockenhub abgreifenden Nockenstößel (3), wobei die Nockenwelle (1) und der Nockenstößel (3) im Kurbelgehäuse (10) angeordnet sind; – einem Kipphebel (8) und einem vom Kipphebel (8) betätigten Gaswechseiventil (9), wobei der Kipphebel (8) und das Gaswechselventil (9) im Zylinderkopf (11) angeordnet sind; – einem vom Nockenstößel (3) betätigten Geberkolben (13) und einem den Kipphebel (8) betätigenden Nehmerkolben (14), wobei der Geberkolben (13) und der Nehmerkolben (14) einen hydraulischen Druckraum (19) mit veränderlichem Volumen begrenzen; – einem elektrisch ansteuerbaren Hydraulikventil (16) und einem hydraulischen Druckentlastungsraum (20), der über das Hydraulikventil (16) mit dem Druckraum (19) verbindbar ist, wobei der Geberkolben (13), der Nehmerkolben (14), das Hydraulikventil (16), der Druckraum (19) und der Druckentlastungsraum (20) im Verbund mit einem gemeinsamen Hydraulikgehäuse (12) die separat vom Verbrennungsmotor montierte Hydraulikeinheit (6) bilden, die dazu ausgebildet ist, in das Kurbelgehäuse (10) eingesetzt und an den Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen zu werden.
Hydraulikeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikeinheit (6) ferner einen an den Druckentlastungsraum (20) angeschlossenen Druckspeicher (17) umfasst.
Hydraulikeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikeinheit (6) ferner ein in Richtung des Druckentlastungsraums (20) öffnendes Rückschlagventil (18) umfasst, mittels dessen die Hydraulikeinheit (6) an den Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors anschließbar ist.
Hydraulikeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberkolben (13) dazu ausgebildet ist, vom Nockenstößel (3) mittels einer unteren Stößelstange (5) betätigt zu werden.
Hydraulikeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nehmerkolben (3) dazu ausgebildet ist, den Kipphebel (8) mittels einer oberen Stößelstange (7) zu betätigen.