DE102011016384A1

DE102011016384A1 - Vollvariabler Ventiltrieb

Info

Publication number: DE102011016384A1
Application number: DE102011016384A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-10-11
Also published as: US9091218B2; WO2012149921A3; WO2012149921A2; US20140096729A1; DE112012001608A5; JP2014510874A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für einen Kolbenmotor mit einer Steuerreitenvariation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für einen Kolbenmotor mit einer Steuerzeitenvariation.
Die Laststeuerung von Ottomotoren geschieht üblicherweise durch eine Begrenzung der Zylinderfüllung. Üblicherweise wird hierzu eine Drosselklappe eingesetzt mit der die Füllung infolge von Strömungsverlusten an der Klappe verringert wird. Diese Art der Laststeuerung ist mit Verlusten behaftet, einen Weg diese Verluste zu vermeiden bzw. zu Verringern ist die Verwendung eines vollvariablen Ventiltriebs zur Füllungsregulierung. Unter vollvariabel wird in diesem Zusammenhang ein Ventiltrieb verstanden, bei dem die Öffnungsdauer der Ventile einer Funktion, bevorzugt die der Einlassventile, innerhalb thermodynamisch sinnvoller Grenzen frei gewählt werden kann.
Ergänzt wird dies üblicherweise mit einer Vorrichtung welche eine Phasenverschiebung zwischen Nockenwellen und Kurbelwelle erlaubt.
Wichtige Kriterien für vollvariable Ventile sind Bauraumbedarf, die Reibleistung und die Kosten, sowie die Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen.
Aufgabe der Erfindung ist es einen vollvariablen Ventiltrieb darzustellen, der sich durch mechanische Einfachheit, kleinen Bauraum und Unempfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen auszeichnet. Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1.
Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 9 sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes gerichtet.
Auch wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrens nach Anspruch 10 gelöst, wobei die Unteransprüche 11 bis 16 auf vorteilhafte Durchführungsformen des Verfahrens gerichtet sind.
Erfindungsgemäß gelöst wird die Eingangs stehende Aufgabe im Detail durch eine Ventilbetätigung mittels Nockenwelle (12), wobei das Ventil von einem Ventilnockenfolger (4) angetrieben wird, wobei zwischen der Nockenwelle und dem Ventilnockenfolger eine Hebelanordnung angeordnet ist, welche einerseits einen Zwischennockenfolger für die Nockenwelle und andererseits eine Nockenbahn für den Ventilnockenfolger aufweist, wobei zur Steuerzeitenvariation die Hebelanordnung über einen Stelltrieb variierbar ist, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Hebelanordnung einen Schwinghebel (1) mit einem gehäusefesten Drehpunkt (3) und einem Anlenkhebel (5) aufweist, welcher über einen Anlenkpunkt an dem Schwinghebel drehbar gelagert ist, wobei der Anlenkhebel (5) den Zwischennockenfolger aufweist, den Schwinghebel (1) antreibt und über den Stelltrieb variierbar ist und wobei der Schwinghebel die Nockenbahn trägt. Durch die Verwendung eines festen Drehpunkts für den Schwinghebel wird der Ventiltrieb vergleichsweise toleranzunempfindlich und mit der Lage des Drehpunkts des Anlenkhebels ergeben sich Freiheiten bei der Ventilhubgestaltung.
Zur Verstellung der Ventilsteuerzeit wird der Winkel zwischen dem Schwinghebel und dem Anlenkhebel variiert Für jede Ventilsteuerzeit gibt es eine andere Winkelstellung, zur Variation der Öffnungszeit wird dazu eine positionsvariable Fläche (9) auf welcher der Anlenkhebel sich abstützt, in ihrer Lage verändert. Dadurch ändert sich der Winkelbereich innerhalb dessen sich die Bewegung des Schwinghebels um die ortsfeste Achse vollzieht. Hierbei kann es darüber hinaus zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung dieses Winkelbereichs kommen, wodurch die Öffnungsdauer in einem kleineren Maß ebenfalls beeinflusst wird.
Der Schwunghebel kann so ausgeführt sein, dass er gegenüber dem Nockenfolger einen Leerhubbereich aufweist, d. h. in diesem Bereich verläuft die Nockenbahn konzentrisch zur Lagerstelle des Schwinghebels, so dass keine Bewegung des Nockenfolgers vom Schwinghebel eingeleitet wird solange dort der Abgriff des Nockenfolgers erfolgt.
Es sei an dieser Stelle festgehalten, dass eine Steuerzeitenvariation nicht nur die Länge der Steuerzeit, gemessen von einem Öffnen bis zu einem Schließen der Ventile, verändert wird, sondern dass im Wesentlichen der Hub eines Ventils durch die Variation der Steuerzeit beeinflusst wird. Möglich ist hierbei eine Steuerzeitenvariation annähernd bis einem Nullhub der Ventile. Insofern ist es auch möglich eine Zylinderabschaltung infolge eines nicht öffnenden Ventils an dem Kolbenmotor um zusetze.
Wie das Ausführungsbeispiel in zeigt, kann diese variable Fläche (9) Teil der ortsfesten Lagerachse (3) des Schwinghebels sein, wobei in diesem Fall die Lagerachse gedreht werden kann, wobei ein Exzenter oder Nockenprofil an dem Betätigungshebel anliegt. Der Exzenter kann in diesem Fall als drehbare Rolle ausgeführt sein um die Reibung zu verringern ( / / ). Es ist auch denkbar zwischen dem Exzenter und dem Betätigungshebel Gleitsteine (8) vorzusehen, welche drehbar am Exzenter anliegen und auf dem Betätigungshebel linear oder auf einer Kurvenbahn verschiebbar sind. Alternativ kann auch eine Rolle (10) am Betätigungshebel vorgesehen werden, welche auf der positionsvariablen Fläche (9) abrollt ( ).
Alle beschriebenen Funktionsflächen können in mehrteilig ausgeführt sein, wobei Ausführungen zu bevorzugen sind, bei denen eine symmetrische Bauteilbelastung zu einer Ebene senkrecht zur Nockenwelle auftritt. Durch die mehrteilige Ausführung lassen sich symmetrische Bauteilbelastungen realisieren.
Um stets ein sicheres Anliegen zwischen dem Betätigungshebel und der Nockenwelle bzw. den evtl. zwischengeschalteten Übertragungselementen zu gewährleisten, wird eine Federkraft verwendet die den Hebelmechanismus in Richtung Nockenwelle drückt. Hierbei kann diese Feder entweder an dem Schwinghebel oder dem Betätigungshebel und einer ortsfesten Position angreifen oder den Betätigungshebel und den Schwinghebel in geeigneter Weise miteinander verspannen.
Für den Anlenkpunkt des Betätigungshebels am Schwinghebel sind eine Vielzahl verschiedener Positionen denkbar, dabei kann sich die Hebelstrecke des Anlenkhebels zwischen dem Drehpunkt des Schwinghebels und dem Zwischennockenfolger für verschiedene Ventilsteuerzeiten unterschiedlich ausfallen. Hierbei kann die Funktionsfläche zur Anlage an die positionsvariable Betätigungsfläche so angeordnet sein, dass der Winkelbereich in dem der Schwinghebel zyklisch schwingt bei kleinen kurzen Ventilöffnungszeiten ( / ) größer ist als bei langen Öffnungszeiten ( / ), auf diese Weise lassen sich bei kurzen Steuerzeiten die Ventilhubhöhen vergrößern und die Drosselverluste minimieren. Eine solche Geometrie lässt sich darstellen indem die Kontaktfläche zwischen der positionsvariablen Fläche und dem Betätigungshebel bei einer Verkürzung der Steuerzeitenlänge näher an den Drehpunkt des Schwinghebels rückt. In dem ( / ) befindet sich das System in einer Stellung für kurze Steuerzeiten, wobei der Abstand, (a) zwischen dem Nockenwellenabgriff und der Drehpunkt des Schwinghebels deutlich kleiner ausfällt, als der Abstand (a') in den u. in der sich dasselbe System in einer Stellung für lange Steuerzeiten befindet.
Bei kürzeren Öffnungszeiten für die Einlassventile wird in der Regel eine Verschiebung der Ventilerhebung zu früheren Öffnungszeiten gewünscht, hierfür kann die vollvariable Ventilsteuerung mit einem Nockenwellensteller kombiniert werden, um bei jeder Steuerzeitenlänge den optimalen Öffnungszeitpunkt zu erhalten. Der erfindungsgemäße Ventiltrieb kann bei geeigneter Lage der Anlenkpunkts für den Betätigungshebel in Verbindung mit der passenden Drehrichtung der Nockenwelle ( / / / ), so ausgeführt werden, dass bei einer Verkürzung der Steuerzeiten automatisch eine Verschiebung, also eine Phasenverstellung der Steuerzeit gegenüber der Kurbelwelle, hin zu früheren Öffnungszeitpunkten stattfindet. Hierbei wird der Betätigungshebel ohne einen Zwischenhebel von der Nockenwelle direkt oder über einen Rollenabgriff betätigt, wobei sich die Kontaktstelle zur Nockenwelle bei kürzeren Steuerzeiten gegen die Drehrichtung zur Nockenwelle verschiebt. stellt den Ventilhubverlauf für zwei verschiedene Steuerzeitenläggen über den Kurbelwinkel dar, für eine Anordnung entsprechend den bis dar. Es ist aus der Abbildung ersichtlich, dass mit der Verkürzung der Steuerzeit eine Frühverschiebung verbunden ist, in diesem Fall sind es etwa 30° Kurbelwinkel. Mit „Phase der Steuerzeit” ist hierbei stets als Referenzpunkt das Maximum einer jeweiligen Ventilerhebungskurve gemeint Somit betrifft eine Phasenverschiebung von beispielsweise 30° die Verschiebung des Punktes des maximalen Ventilhubes unabhängig von dem Wert des Ventilhubes und unabhängig von der Ventilöffnungszeit.
Wird der erfindungsgemäße Ventiltrieb für einen mehrzylindrigen Motor, beispielsweise einen Reihensechszylinder, eingesetzt so ist eine unabhängige Betätigung für jeden einzelnen Zylinder oder für Zylindergruppen denkbar. In Falle eines Sechszylindermotors könnte also jeweils eine Stellwelle für zwei Zylindergruppen verwendet werden. Durch die getrennte Laststeuerung von mehreren Zylindern oder Zylindergruppen lässt sich auf sehr vorteilhafte Weise eine Zylinderabschaltung realisieren, da anders als bei schaltbaren Ventiltrieben ein kontinuierliches Zn und Abschalten möglich ist.
Vollvariable mechanische Ventiltriebe haben den Nachteil, dass sie bei kurzen Steuerzeiten geringere Ventilhübe aufweisen, als es aus thermodynamischen Gesichtspunkten wünschenswert ist Bei dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb kann dies, wie zuvor beschrieben, gemildert werden in dem der Winkelausschlag des Schwinghebels bei kurzen Steuerzeiten vergrößert wird. Eine Maßnahme diesen Nachteil weitestgehend zu vermeiden, kann die Kombination dieses Ventiltriebs mit schaltbaren Geometrien in zwei oder mehr Stellungen sein. Hierfür bieten sich eine Vielzahl von Möglichkeiten an, beispielsweise könnte der Betätigungshebel axial verschiebbar ausgeführt sein um wahlweise eine von zwei zur Verfügung stehenden Nockenprofilen von der Nockenwelle abzugreifen. Alternativ könnten auf dem Schwinghebel mehrere Hubkonturen in Nockenwellenachsrichtung hintereinander angeordnet sein, von denen immer nur eine zum Einsatz kommt, das Umschalten könnte auch hierbei durch eine axiale Verschiebung geschehen.
Wenn der Ventiltrieb durch einen Nockenhubübersetzer zwischen der Nockenbahn und dem Ventil, welcher zwei gehäusefeste Auflager aufweist, ausgeführt wird, dann können die Auflager so ausgeführt sein, dass wenigstens eines der Auflager versteifbar ausgeführt ist. Durch einen unterschiedlichen Abstand zum Ventil kann hierbei die Nockenhubübersetzung geändert werden. Diese Lagerpunkte können die Auflagepunkte von zwei hydraulischen Elementen zum Ventilspielausgleich ausgeführt sein (11) sein, wobei in jeder Stellung nur ein Hydrostößel mit Öldruck beaufschlagt wird und der andere nachgiebig ist ( ). Die Hydrostößel können hierfür mit einem zusätzlichen Ventil ausgestattet werden welches den Ölraum bei Bedarf öffnet, so, dass sich kein Öldruck aufbauen kann und der jeweils andere Hydrostößel als Auflagepunkt für den Schlepphebel dient.
Die – zeigen verschiedene Varianten der Erfindung um die zahlreichen Variationsmöglichkeiten zu unterstreichen, ohne, dass hierbei alle denkbaren Ausführungsformen beinhaltet sind.
Der Anlenkpunkt des Betätigungshebels am Schwinghebel kann auf unterschiedliche Art und Weise angeordnet sein, um den jeweils zur Verfügung stehenden Bauraums zu berücksichtigen, beispielsweise kann er an einer der Öffnungskontur abgewandten Seite liegen ( / ) wobei auch hierbei die positionsvariable Fläche zu Einstellung des Winkelarbeitsbereichs des Betätigungshebels als gesondertes Teil ausgeführt sein kann ( ), oder in die Lagerachse des Schwinghebels integriert werden kann ( ). Es ist auch eine kreuzende Ausführung von Schwing und Betätigungshebel denkbar ( ).

Claims

Ventiltrieb für einen Kolbenmotor mit einer Steuerzeitenvariation, mit einer Nockenwelle, mit wenigstens einem Ventil, welches über einen Ventilnockenfolger von der Nockenwelle angetrieben wird, wobei zwischen der Nockenwelle und dem Ventilnockenfolger eine Hebelanordnung angeordnet ist, welche einerseits einen Zwischennockenfolger für die Nockenwelle und andererseits eine Nockenbahn für den Ventilnockenfolger aufweist, wobei zur Steuerzeitenvariation die Hebelanordnung über einen Stelltrieb variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelanordnung einen Schwinghebel (1) mit einem gehäusefesten Drehpunkt (3) und einem Anlenkhebel (5) aufweist, welcher über einen Anlenkpunkt an dem Schwinghebel drehbar gelagert ist, wobei der Anlenkhebel (5) den Zwischennockenfolger aufweist, den Schwinghebel (1) antreibt und über den Stelltrieb variierbar ist und wobei der Schwinghebel die Nockenbahn trägt.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlenkhebel mittels eines Drehwinkels am Anlenkpunkt variierbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenbahn zumindest zum Teil konzentrisch zum Drehpunkt des Schwinghebels verläuft.
Ventiltrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stelltrieb ein Exzenter ist und/oder an dem Drehpunkt des Schwinghebels angeordnet ist.
Ventiltrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hebelstrecke des Anlenkhebels zwischen dem Drehpunkt des Schwinghebels und dem Zwischennockenfolger variierbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Anlenkhebels mit der Variation der Hebelstrecke gekoppelt ist.
Ventiltrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Nockenhubübersetzer zwischen der Nockenbahn und dem Ventil, welcher zwei gehäusefeste Auflager aufweist, wobei wenigstens eines der Auflager versteifbar ausgeführt ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Auflager mit unterschiedlichen Abständen zum Ventil an dem Nockenhubübersetzter angeordnet sind.
Ventiltrieb nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflager hydraulisch betätigte Elemente zum Ventilspielausgleich sind.
Verfahren zur Variation der Steuerzeiten von Ventilen eines Kolbenmotors, bei welchen der Arbeitsbereich eines Schwinghebels über einen Stelltrieb variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schwinghebel und einer Nockenwelle ein Anlenkhebel vorgesehen ist, dessen Lage relativ zum Schwinghebel mittels des Stelltriebs variiert werden kann, wobei der Anlenkhebel relativ zum Schwinghebel um einen ortfesten Drehpunkt dreht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel um einen am Kolbenmotor gehäusefest vorgesehenen Drehpunkt schwingt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlenkhebels um einen vom Drehpunkt des Zwischenhebels verschiedenen Drehpunkt dreht.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm eines Nockenhubübersetzers, welcher über den Schwinghebel ein Ventil betätigt, verkürzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dass der Hebelarm bei kleinen Ventilhüben verkürzt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während der Variation der Steuerzeiten die Phase der Steuerzeit relativ zu einer Kurbelwelle des Kolbenmotors verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverstellung der Steuerzeit relativ zur Kurbelwelle nach früh erfolgt.
Verfahren mach dem Anspruch 16, wobei die Phasenverstellung in Richtung früh beim Verkürzen der Ventilöffnungszeiten gewährleistet wird, indem mit der Verstellung der Ventilsteuerzeitenlänge bedingt durch die Geometrie der Ventilsteuerung die Kontaktfläche zwischen der Nockenwelle und dem Zwischennockenfolger entgegen der Nockenwellendrehrichtung um die Achse der Nockenwelle verdreht wird.
Verfahren nach vorstehenden Ansprüchen, wobei ein Nockenwellensteller eingesetzt wird um die Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle ändern zu können.