DE102011116737A1

DE102011116737A1 - Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011116737A1
Application number: DE102011116737A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-22
Filing date: 2011-10-22
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur variablen/autarken Ansteuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug vorzustellen, welcher/s gegenüber dem Stand der Technik infolge der variablen Ansteuerung gewisse Vorteile aufweist, sowie darüber hinaus kostengünstiger wie auch verschleißunempfindlicher ist. Die Erfindung ist insbesondere anzuwenden bei Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur variablen Ansteuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
Verbrennungsmotoren im Kraftfahrzeugbereich sind einer ständigen Entwicklung ausgesetzt, um beispielsweise eine Reduzierung des Verbrauches zu erlangen, oder einer Verringerung des CO2 Ausstoßes.
Eine wichtige Rolle spielt hierbei die Ventilsteuerung des Verbrennungsmotors, welche gemäß dem Stand der Technik, mit der sogenannten Nockenwelle angetrieben wird. Da bei einer Steuerung der Ventile mittels einer Nockenwelle ein fester zeitlicher/dynamischer Ablauf vorgegeben ist, wird bei höherwertigen Motoren mittels aufwendiger konstruktiver Maßnahmen die Ventilsteuerung variabel gestaltet, wobei hierbei der Variabilität enge Grenzen gesetzt sind.
Aus der Schrift DE 102 61 304 A1 ist eine Ventilhubvorrichtung zur variablen Ventilsteuerung bekannt, bei dieser zur Vermeidung/Verringerung von hohen Massekräften und Massenmomenten, die auf das Ventilgetriebe und die entsprechende Verstellmechanik wirken (insbesondere bei einer hohen Motordrehzahl), vorgeschlagen wird, dass ein schwenkbarer Kipphebel, der an seinem einen Ende eine Rolle, die von einer Nockenwelle angetrieben wird, und an seinem anderen Ende eine Kulissenrolle enthält, die entlang einer Arbeitskurve in einer Kulisse bewegt wird, um das Ventil entsprechend zu steuern.
Aus der Schrift DE 10 2004 001 343 A1 ist eine variable Ventilsteuervorrichtung mit Nockenwellenverstellung und Ventilhubkonturveränderung bekannt, bei dieser mittels Verdrehung einer Exzenterwelle eine gewisse Variabilität erlangt wird.
Aus der Schrift DE 101 00 173 A1 ist ein vollvariabler mechanischer Ventiltrieb für eine Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei diesem der Hubweg in Richtung der Bewegungsachse über ein verstellbares Führungselement veränderbar ist.
Aus der Schrift DE 10 2008 003 832 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit variablem Ventilhub bekannt, um variabel auf Parameter reagieren zu können, um einen optimalen Betrieb einer Brennkraftmaschine zu erlangen.
Als gewisser Nachteil von diesen zuvor genannten Lösung kann betrachtet werden, dass der Variabilität der Ventilsteuerung gewisse/enge Grenzen gesetzt sind, sowie insbesondere bei hohen Motordrehzahlen die Nockenwelle/n (rotierende Masse) hohen mechanischen Kräften ausgesetzt ist/sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur variablen/autarken Ansteuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug vorzustellen, welcher/s vorangehend angeführte Nachteile nicht aufweist, sowie darüber hinaus kostengünstiger wie auch verschleißunempfindlicher ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 9 auch über dessen kennzeichnende Merkmale verfügt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, bzw. der variablen Ventilsteuerung sind in den Unteransprüchen dargestellt, wobei auch Kombinationen der einzelnen Anspruchsmerkmale untereinander möglich sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge und anderen mittels Verbrennungsmotor angetriebenen Maschinen/Vorrichtungen, zur Erlangung einer hohen Effektivität bzw. Leistung, variable Steuerzeiten bei Verbrennungsmotoren, insbesondere die damit notwendigen variablen Verstellmechanismen der Ein- und Auslassventile, sehr von Vorteil sind, bzw. erforderlich sind.
Ferner liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass mit den derzeitigen Konzepten/Verbrennungsmotoren mit einer Nockenwellensteuerung, sich nur eine begrenzte Variabilität der Ventilsteuerung erzielen lässt, bzw. der Variabilität gewisse/enge Grenzen gesetzt sind, sowie insbesondere bei hohen Motordrehzahlen die Nockenwelle/n (rotierende Masse) hohen mechanischen Kräften ausgesetzt ist/sind.
Zur Erlangung einer möglichst weiten Variabilität der variablen Verstellmechanismen/Verstellbereiches, insbesondere der Ein- und Auslassventile, wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Verbrennungsmotor derart zu realisieren, sodass die Nockenwelle/n gemäß dem Stand der Technik gänzlich entfallen kann/können. Neben der Erlangung eines höheren Verstellbereiches, insbesondere der Ein- und Auslassventile, ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Lösung als weiterer Vorteil, dass neben den deutlich geringeren Massen, ebenfalls die hohen Reibungsverluste, die nach heutigem Stand der Technik zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle anliegen/wirken, entfallen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Ventilsteuerung, anstatt mit der herkömmlichen Nockenwelle, mittels aktiven Aktuatoren erfolgt, welche von einer Steuereinheit und/oder der Motorsteuereinheit angesteuert werden. Die aktiven Aktuatoren zur Ansteuerung der Ventile sind hierzu vorzugsweise als Mechatronik-Einheiten ausgebildet, wobei mehrere Lösungskonzepte der aktiven Aktuatoren möglich sind, wie beispielsweise ausgeführt als „Elektromechanische-Lösung”, und/oder als „Pneumatischer-Lösung”, und/oder als „Hydraulischer-Lösung”, und/oder als „Elektromagnetischer-Lösung”.
Als sehr Vorteilhaft kann hier betrachtet werden, dass mit aktiven Aktuatoren die heutige Mimik mit Feder etc. so bleiben kann, da anstatt der Nocken der Nockenwelle, die die Ventile nach unten drücken würden, die aktiven Aktuatoren diese Aufgaben übernehmen und somit keine größeren mechanischen Konstruktionsänderungen erforderlich sind. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungskonzepte mittels aktiven Aktuatoren denkbar (im Schutzumfang enthalten), welche von der Wirkung eine vergleichbare Steuerung der Ventile bewirken.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilschaft so ausgelegt, dass er durch einen aktiven Aktuator geführt wird.
Der aktive Aktuator kann natürlich auch am Ende des Ventilschaftes angebracht sein und durch Abstoßung das Ventil aufdrücken etc.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Auf und Zu Bewegung der Ventile autark und ist völlig unabhängig vom Stand der Kurbelwelle gesteuert werden kann. Heute hingegen wird gemäß dem Stand der Technik, mittels der Kurbelwelle über einen Riemen oder einer Kette die Nockenwelle angetrieben, wobei ein Zahnriemenwechsel mit aufwendigen Einstell-Arbeiten verbunden ist.
Wie vorangehend bereits erörtert, werden heute gemäß dem Stand der Technik, die Ventile mittels einer gegen den Zylinderkopf gedrückt werden. Die Nocken ihrerseits drücken dann für den jeweiligen Moment das Ventil in entgegengesetzter Wirkrichtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann dies vom Prinzip auch so bleiben, mit dem Unterschied, dass anstatt der Nocken („Nockenarbeit”) der Ventilschaft mittels dem aktiven Aktuator gegen die Federkraft gedrückt wird.
Alternativ hierzu kann auch die Feder entfallen, indem bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, der aktive Aktuator das Ventil in der Position im geschlossenen Zustand (Ventil geschlossen) hält, und im Fall der Öffnung, der aktive Aktuator das Ventil kurz aufschiebt. Auch eine Kombination aus Feder und aktiver Aktuator ist möglich, um bestimmte Kräfte zu erzeugen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, kann der Ventilschaft mit einer Verzahnung versehen sein, in die ein aktiver Aktuator (Elektromotor/Stellmotor) eingreift, wobei auch ein Getriebe oder eine Übersetzung vorgesehen sein kann. Dieser aktive Aktuator öffnet und schließt dann in jeder beliebigen Stellung und hält das Ventil dann auch in dieser Stellung, solange es gewünscht ist.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass dieser mindestens folgende Komponenten aufweist:

– einen Zylinderblock, zur Aufnahme ein oder mehrerer Zylinderkolben,
– einer mit den Zylinderkolben in Wirkverbindung stehenden Kurbelwelle, zur Kraftübertragung des Verbrennungsmotordrehmomentes, bzw. der Verbrennungsmotorleisung, in Richtung des Antriebsstrangs,
– mehrere Ventile, zum Einlassen und Auslassen des Kraftstoffgemisches,
– einer Steuereinheit zum Öffnen und Schließen der Ventile, sowie
– einer Motorsteuereinheit, zur Steuerung der Motordrehzahl, und/oder der Motorleistung,

– das Öffnen und Schließen der Ventile,
– anstatt einer oder mehrerer Nockenwellen, ausschließlich mittels aktiven Aktuatoren erfolgt, welche von einer Steuereinheit und/oder der Motorsteuereinheit angesteuert werden, und
– mittels eines Drehwinkelgebers zur Positionserfassung, der mit der Kurbelwelle in einer eindeutigen Beziehung steht, synchronisiert wird,
– wobei die Ventile auch unabhängig von der Position der Kurbelwelle angesteuert werden können (*1).

Ferner zeichnet sich der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor dadurch aus, dass es sich bei dem aktiven Aktuator

– um eine elektromechanische Einheit handelt, welche mittels axialwirkender magnetischer Kraft das anzusteuernde Ventil in Bewegung setzt, und/oder
– um eine elektromechanische Einheit handelt, welche mittels rotationswirkender magnetischer Kraft das anzusteuernde Ventil in Bewegung setzt, und/oder
– um eine elektromechanische Einheit handelt, welche mittels axialwirkender pneumatischer und/oder hydraulischer Kraft das anzusteuernde Ventil in Bewegung setzt.

Ferner zeichnet sich der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor, bzw. der aktive Aktuator des Verbrennungsmotors dadurch aus, dass

– die axialwirkende magnetische Kraft mittels eines Hubmagneten und/oder eines Schubmagneten generiert wird, und/oder
– die radialwirkende magnetische Kraft mittels einem Elektromotor, vorzugsweise einem Stellmotor oder Schrittmotor, generiert wird, und/oder
– axialwirkende pneumatische und/oder hydraulische Kraft mittels einem Hydraulikzylinder generiert wird

Ferner umfasst die Erfindung eine Motorsteuerung für den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, wobei die Motorsteuerung die aktiven Aktuatoren direkt ansteuert, oder über eine zwischengeschaltete Steuereinheit ansteuert, wobei mittels eines Drehwinkelgebers zur Positionserfassung, der mit der Kurbelwelle in einer eindeutigen Beziehung steht, synchronisiert wird, wobei die Ventile aber auch unabhängig von der Position der Kurbelwelle angesteuert werden können.
Ferner umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur variablen Ansteuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug, ausgestattet mit einem Verbrennungsmotor und einer Motorsteuerung und/oder ein Verfahren zur variablen Ansteuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors, wie oben beschrieben.
Weitere Vorteile bzw. Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen/1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen, wobei auch Kombinationen der Figuren/der Merkmale möglich sind, bzw. im Schutzumfang mit enthalten sind. Anzumerken ist, dass es sich bei den nachfolgenden Figuren um grobe Prinzip-Darstellungen handelt, die zur Erläuterung der Erfindung dienen, wobei kein Anspruch auf Vollständigkeit besteht, sondern im wesentlichen nur die Elemente enthält, die zur Erläuterung der Erfindung erforderlich sind.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den dazugehörenden Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Im folgenden können für funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es zeigen:
Die Zeichnungen zeigen in
1: Eine Prinzip-Darstellung eines Verbrennungsmotors, mit einer Ventilsteuerung mittels Nockenwelle, gemäß dem Stand der Technik.
2: Eine Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, mit einer Ventilsteuerung mittels aktiven Aktuatoren, wobei die aktiven Aktuatoren als Elektromechanische Einheit in Form eines Schubmagneten ausgeführt sind.
3: Eine Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, mit einer Ventilsteuerung mittels aktiven Aktuatoren, wobei die aktiven Aktuatoren als Elektromechanische Einheit in Form eines Elektromotors, vorzugsweise einem Stellmotor oder Schrittmotor, ausgeführt sind.
4: Eine Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, mit einer Ventilsteuerung mittels aktiven Aktuatoren, wobei die aktiven Aktuatoren als Elektromechanische Einheit in Form einer pneumatischen und/oder hydraulischen Kraft, erzeugt mittels je eines Hydraulikzylinders, ausgeführt sind.
Die 1 zeigt eine Prinzip-Darstellung eines Verbrennungsmotors (1), mit einer Ventilsteuerung mittels zwei Nockenwellen (2, 2.1, 2.2), bzw. mittels der Nocken (2.3) der Nockenwellen (2, 2.1, 2.2), gemäß dem Stand der Technik.
Wie aus der schematischen Figur ersichtlich ist, weist der Verbrennungsmotor (1) für ein Kraftfahrzeug zwei Nockenwellen (2, 2.1, 2.2) auf, wobei die eine Nockenwelle (2, 2.1) zur Steuerung der Einlass-Ventile (3.1) zuständig ist, und die andere Nockenwelle (2, 2.2) zur Steuerung der Auslass-Ventile (3.2) zuständig ist, wobei sich beide Nockenwellen (2, 2.1, 2.2) in diesem Beispiel gleichsinnig (2.4) sowie mit der identischen Umdrehungszahl drehen – ebenso die Kardanwelle (4). Durch die Drehung (2.4) der Nockenwellen (2, 2.1, 2.2), werden die Ventile (3, 3.1, 3.2), inklusive der Ventilschafte (3.4) in Bewegung versetzt, wie dies mit der Bewegungspfeilrichtung (3.3) angezeigt ist. Der Einfachheit wegen, sind die Ventile (3, 3.1, 3.2) nur schematisch dargestellt, sowie auf das wesentliche begrenzt, um die erfindungsgemäße Motorsteuerung zeigen zu können, wobei sich der Begriff Lagerschaft (3.4), wie nicht näher gezeigt, sich auch auf die komplette Länge/Längsachse in Bewegungsrichtung (3.3) des Ventils (3, 3.1, 3.3) beziehen kann.
Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, weisen die Ventile (3, 3.1, 3.2) je eine Ventilfeder (2.5), bzw. in diesem Beispiel eine Rückstellfeder (2.5) auf, welche gegen ein feststehendes Lager (2.6) fixiert sind, und mit dem anderen Federende auf je ein mit der Ventillängsachse fest verbundenes Federteller (2.7) wirkt, um für die Ventile (3, 3.1, 3.2) die erforderliche Rückstellung/Rückstellkraft zu bewirken.
Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, stehen die Ventile (3, 3.1, 3.2) in Wirkverbindung mit dem Zylinderblock (5), bzw. mit dem Motorblock (5) und dessen nicht näher gezeigten Zylindern. Der Zylinderblock (5), bzw. Motorblock (5) beinhaltet auch wie allgemein bekannt, die Kurbelwelle (4), welche mittels eines Riemen (6)/Zahnriemen (6)/Zahnradriemen (6) mit den Ventilen (3, 3.1, 3.2) und weiteren Umlenkrollen (7, 7.1) für den Riemen (6)/den Zahnriemen (6)/den Zahnradriemen (6), in Wirkverbindung steht. Die Umlenkrollen (7, 7.1) können bei Bedarf, bzw. gegebenenfalls auch für den Antrieb für diverse Aggregate verwendet werden, wie beispielsweise für eine Lichtmaschine/einen Generator oder für Meßsysteme/Signalerfassungssysteme, indem die Drehachse der diversen Aggregate als Achse für die Umlenkrollen (7, 7.1) wirken.
Ferner zeigt die Figur die Laufrichtung (6.1) des Riemens (6)/des Zahnriemens (6)/des Zahnradriemens (6), sowie die Drehrichtung (7.2) der Umlenkrollen (7, 7.1) für den Riemen (6)/den Zahnriemen (6)/den Zahnradriemen (6), sowie die Drehrichtung (4.1) der Kurbelwelle (4).
Die 2 zeigt eine Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors (1), mit einer Ventilsteuerung mittels aktiven Aktuatoren (10, 10.1), wobei die aktiven Aktuatoren als Elektromechanische Einheit (10) in Form eines Schubmagneten (10.1) ausgeführt sind.
Abweichend zur 1, sind bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, anstatt der Nockenwellen, die elektromechanischen Einheiten (10), bzw. die aktiven Aktuatoren (10.1) als Schubmagneten (10.1) ausgeführt. Die Steuerung der aktiven Aktuatoren (10.1), die in diesem Beispiel als Schubmagneten (10.1) ausgeführt sind, erfolgt durch die Steuereinheiten (8.1) oder direkt durch die Motorsteuereinheit (8), mittels elektrischen Schnittstellen (10.3), indem die Ansteuersignale bzw. Ansteuerströme von den Steuereinheiten (8.1) oder von der Motorsteuereinheit (8) zu den Schubmagneten (10.1) geleitet werden. Der Ansteuerstrom bewirkt im Schubmagneten (10.1) magnetische Feldlinien (10.2), bzw. eine axialwirkende magnetische Kraft, die den Anker (10.4) bzw. den als Anker wirkenden Körper (10.4)/Ventilschaft (3.4) in Bewegung setzt und somit die Rückstellfeder (2.5) stärker komprimiert. Nachdem der Ansteuerstrom deaktiviert wird, bzw. (deutlich) verringert wird, und somit die Rückstellfeder (2.5) dominant wird, bewirkt dies, dass der Ventilschaft (3.4) in axialer Richtung (3.3) zurück gestellt wird.
Selbstverständlich können die Motorsteuereinheit (8) und die Steuereinheiten (8.1) zu einer Einheit (8, 8.1) zusammen gefasst werden, oder bei getrennter Realisierung die Steuereinheiten (8.1) direkt am Einsatzort möglichst nahe an den anzusteuernden Ventilen (3), bzw. an den elektromechanischen Einheiten (10)/aktiven Aktuator (10) angeordnet werden (Mechatronik-Lösung).
Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, weist die Kurbelwelle (4), sowie die Umlenkrolle (7, 7.1) einen Drehwinkelgeber (7.1.1) auf, um den Kurbelwellenstand erfassen zu können, wobei in der Praxis im Regelfall keine zwei Drehwinkelgeber (7.1.1) erforderlich sind – evtl. aus Redundanzgründen zur Erhöhung der Sicherheit. Das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers (7.1.1) wird mittels einer elektrischen Schnittstelle (9) der Motorsteuereinheit (8) zugeführt, damit die Motorsteuereinheit (8) „synchronisiert” werden kann, bzw. die Motorsteuereinheit (8, 8.1) in Abhängigkeit des Kurbelwellenstandes (4) die elektromechanischen Einheiten (10) der Ventile (3) entsprechend den momentanen Anforderungen ansteuern kann.
Selbstverständlich kann, bzw. bevorzugt wird die elektrische Schnittstelle (9), bzw. das Interface (9) zur Übertragung der Positionsdaten des Meßsystems (7.1.1)/des Drehwinkelgebers (7.1.1) an den Drehwinkelgeber (7.1.1), der sich an der Kurbelwelle (4) befindet, kontaktiert. Auf die gezeigte Kontaktierung der elektrische Schnittstelle (9), bzw. das Interface (9) zur Übertragung der Positionsdaten des Meßsystems (7.1.1) (des Drehwinkelgebers (7.1.1) von dem Drehwinkelgeber (7.1.1) an der Umlenkrolle (7, 7.1) wird bevorzug dann zugegriffen, wenn beispielsweise im Bereich der Kurbelwelle (4) zu wenig Platz ist, oder die Umweltbedingungen, infolge hoher Temperaturen vom Verbrennungsmotor stammend, zu hoch sind (der Drehwinkelgeber beispielsweise über einen sehr weiten Temperaturbereich spezifiziert sein müsste).
Die 3 zeigt eine Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors (1), mit einer Ventilsteuerung mittels aktiven Aktuatoren (11, 11.1), wobei die aktiven Aktuatoren als Elektromechanische Einheit (10) in Form eines Elektromotors (11.1), vorzugsweise einem Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (11.1), ausgeführt sind.
Abweichend zur 1, sind bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, anstatt der Nockenwellen, die elektromechanischen Einheiten (11), bzw. die aktiven Aktuatoren (11.1) als Elektromotor (11.1), vorzugsweise einem Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (11.1), ausgeführt. Die Steuerung der aktiven Aktuatoren (11.1), die in diesem Beispiel als Elektromotor (11.1), vorzugsweise als Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (11.1) ausgeführt sind, erfolgt durch die Steuereinheiten (8.1) oder direkt durch die Motorsteuereinheit (8), mittels elektrischen Schnittstellen (11.3), indem die Ansteuersignale bzw. Ansteuerströme von den Steuereinheiten (8.1) oder von der Motorsteuereinheit (8) zu den Elektromotor (11.1), vorzugsweise einem Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (11.1), geleitet werden. Der Ansteuerstrom bewirkt im Elektromotor (11.1), welcher vorzugsweise einem Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (11.1) ausgeführt ist, eine radialwirkende magnetische Kraft, die über ein Getriebe (11.2)/eine Übersetzung (11.2)/einem Schneckengetriebe (11.2) den Ventilschaft (3.4) in Bewegung setzt und somit die Rückstellfeder (2.5) stärker komprimiert. Durch Umkehrung der Drehrichtung des Elektromotors (11.1), welcher vorzugsweise als Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (11.1) ausgebildet ist, wird die Rückstellfeder (2.5) dekomprimiert. Wie aus der Beschreibung der Wirkweise leicht ersichtlich ist, kann bei diesem Ausführungsbeispiel auf die Rückstellfeder (2.5) verzichtet werden, da die axiale Bewegung (3.3) des Ventilschaftes (3.4) in beiden Richtungen wirkend, durch den Elektromotors (11.1), welcher vorzugsweise als Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (11.1) ausgebildet ist, bewerkstelligt werden kann.
Selbstverständlich können die Motorsteuereinheit (8) und die Steuereinheiten (8.1) zu einer Einheit (8, 8.1) zusammen gefasst werden, oder bei getrennter Realisierung die Steuereinheiten (8.1) direkt am Einsatzort möglichst nahe an den anzusteuernden Ventilen (3), bzw. an den elektromechanischen Einheiten (11)/aktiven Aktuator (11) angeordnet werden (Mechatronik-Lösung).
Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, weist die Kurbelwelle (4), sowie die Umlenkrolle (7, 7.1) einen Drehwinkelgeber (7.1.1) auf, um den Kurbelwellenstand erfassen zu können, wobei in der Praxis im Regelfall keine zwei Drehwinkelgeber (7.1.1) erforderlich sind – evtl. aus Redundanzgründen zur Erhöhung der Sicherheit. Das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers (7.1.1) wird mittels einer elektrischen Schnittstelle (9) der Motorsteuereinheit (8) zugeführt, damit die Motorsteuereinheit (8) „synchronisiert” werden kann, bzw. die Motorsteuereinheit (8, 8.1) in Abhängigkeit des Kurbelwellenstandes (4) die elektromechanischen Einheiten (11) der Ventile (3) entsprechend den momentanen Anforderungen ansteuern kann.
Selbstverständlich kann, bzw. bevorzugt wird die elektrische Schnittstelle (9), bzw. das Interface (9) zur Übertragung der Positionsdaten des Meßsystems (7.1.1)/des Drehwinkelgebers (7.1.1) an den Drehwinkelgeber (7.1.1), der sich an der Kurbelwelle (4) befindet, kontaktiert. Auf die gezeigte Kontaktierung der elektrische Schnittstelle (9), bzw. das Interface (9) zur Übertragung der Positionsdaten des Meßsystems (7.1.1)/des Drehwinkelgebers (7.1.1) von dem Drehwinkelgeber (7.1.1) an der Umlenkrolle (7, 7.1) wird bevorzug dann zugegriffen, wenn beispielsweise im Bereich der Kurbelwelle (4) zu wenig Platz ist, oder die Umweltbedingungen, infolge hoher Temperaturen vom Verbrennungsmotor stammend, zu hoch sind (der Drehwinkelgeber beispielsweise über einen sehr weiten Temperaturbereich spezifiziert sein müsste).
Die 4 zeigt eine Prinzip-Darstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors (1), mit einer Ventilsteuerung mittels aktiven Aktuatoren (12, 12.1), wobei die aktiven Aktuatoren als Elektromechanische Einheit (12) in Form einer pneumatischen und/oder hydraulischen Kraft, erzeugt mittels je eines Hydraulikzylinders (12.1) bzw. Druckluftzylinders (12.1), ausgeführt sind.
Abweichend zur 1, sind bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, anstatt der Nockenwellen, die elektromechanischen Einheiten (12), bzw. die aktiven Aktuatoren (12.1) als pneumatischen und/oder hydraulischen Zylinder (12.1) ausgeführt. Die Steuerung der aktiven Aktuatoren (12.1), die in diesem Beispiel als pneumatische und/oder hydraulische Zylinder (12.1) (Druckluftzylinder und/oder Hydraulikzylinder) ausgeführt sind, erfolgt durch die Steuereinheiten (8.1) oder direkt durch die Motorsteuereinheit (8), mittels elektrischen Schnittstellen (12.3), indem die Ansteuersignale bzw. Ansteuerströme von den Steuereinheiten (8.1) oder von der Motorsteuereinheit (8) zu den pneumatischen und/oder hydraulischen Zylindern (12.1) geleitet werden, um die Ventile (12.2) der pneumatischen und/oder hydraulischen Zylinder (12.1) zu öffnen, bzw. pneumatischen und/oder hydraulischen Zylinder (12.1) zu komprimieren. Der Ansteuerstrom bewirkt in den pneumatischen und/oder hydraulischen Zylindern (12.1) eine axialwirkende Kraft die den Ventilschaft (3.4) in Bewegung setzt und somit die Rückstellfeder (2.5) stärker komprimiert. Nachdem der Ansteuerstrom deaktiviert wird, bzw. das Ventil (12.2) geschlossen wird, und die der pneumatische und/oder hydraulische Zylinder (12.1) belüftet bzw. dekomprimiert wird, und somit die Rückstellfeder (2.5) dominant wird, bewirkt dies, dass der Ventilschaft (3.4) in axialer Richtung (3.3) zurück gestellt wird.
Selbstverständlich können die Motorsteuereinheit (8) und die Steuereinheiten (8.1) zu einer Einheit (8, 8.1) zusammen gefasst werden, oder bei getrennter Realisierung die Steuereinheiten (8.1) direkt am Einsatzort möglichst nahe an den anzusteuernden Ventilen (3), bzw. an den elektromechanischen Einheiten (12)/aktiven Aktuator (12) angeordnet werden (Mechatronik-Lösung). Die zu steuernden pneumatischen und/oder hydraulischen Zylinder (12.1) werden mittels Ventilen (12.2) gesteuert, indem die druckführenden Zuleitungen zu den Druckluftzylindern (12.1) oder Hydraulikzylindern (12.1) mittels den Ventilen (12.1) aktiviert/durchgeschaltet bzw. deaktiviert/gesperrt werden.
Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, weist die Kurbelwelle (4), sowie die Umlenkrolle (7, 7.1) einen Drehwinkelgeber (7.1.1) auf, um den Kurbelwellenstand erfassen zu können, wobei in der Praxis im Regelfall keine zwei Drehwinkelgeber (7.1.1) erforderlich sind – evtl. aus Redundanzgründen zur Erhöhung der Sicherheit. Das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers (7.1.1) wird mittels einer elektrischen Schnittstelle (9) der Motorsteuereinheit (8) zugeführt, damit die Motorsteuereinheit (8) „synchronisiert” werden kann, bzw. die Motorsteuereinheit (8, 8.1) in Abhängigkeit des Kurbelwellenstandes (4) die elektromechanischen Einheiten (12) der Ventile (3) entsprechend den momentanen Anforderungen ansteuern kann.
Selbstverständlich kann, bzw. bevorzugt wird die elektrische Schnittstelle (9), bzw. das Interface (9) zur Übertragung der Positionsdaten des Meßsystems (7.1.1)/des Drehwinkelgebers (7.1.1) an den Drehwinkelgeber (7.1.1), der sich an der Kurbelwelle (4) befindet, kontaktiert. Auf die gezeigte Kontaktierung der elektrische Schnittstelle (9), bzw. das Interface (9) zur Übertragung der Positionsdaten des Meßsystems (7.1.1)/des Drehwinkelgebers (7.1.1) von dem Drehwinkelgeber (7.1.1) an der Umlenkrolle (7, 7.1) wird bevorzug dann zugegriffen, wenn beispielsweise im Bereich der Kurbelwelle (4) zu wenig Platz ist, oder die Umweltbedingungen, infolge hoher Temperaturen vom Verbrennungsmotor stammend, zu hoch sind (der Drehwinkelgeber beispielsweise über einen sehr weiten Temperaturbereich spezifiziert sein müsste).
Anzumerken ist, dass die Formulierung „wobei die Ventile auch unabhängig von der Position der Kurbelwelle angesteuert werden können”, derart zu verstehen ist, dass zumindest die theoretische Möglichkeit, bzw. der theoretische Freiheitsgrad besteht, ungeachtet des Sachverhaltes/der Tatsache, ob die Nutzung der theoretischen Möglichkeit/des theoretischen Freiheitsgrades einen Sinn macht oder nicht. Diese theoretische Möglichkeit, bzw. der theoretische Freiheitsgrad wird dadurch erreicht, indem keine feste mechanische Wirkverbindung mittels eines Zahnriemens zwischen der Kurbelwelle und den Nockenwellen besteht, und somit ein großer variabler Ansteuerbereich der Ventile – mittels Elektronik – realisiert werden kann, und zwar in der Größe wie dieses gewünscht ist, bzw. aus technischer Sicht erforderlich ist.
Ferner ist anzumerken, dass der Begriff „Steuereinheit (8, 8.1)” nicht nur ausschließlich im Plural zu verstehen ist, sondern (und/oder) sowohl als auch als Einzahl und/oder als Mehrzahl anzusehen ist, was zum Teil mit der Formulierung „einer Steuereinheit/en (8, 8.1)” zum Ausdruck gebracht ist. Diese Vereinfachung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit gewählt, da die Steuereinheiten (8.1) für jedes Ventil (3, 3.1, 3.2) als separate Einheit ausgeführt sein können, oder als eine einzige Einheit, welche mehrere Ventile (3, 3.1, 3.2) steuert, bzw. je eine Ventilgruppe (Einlassventile & Auslassventile) steuert.
Ferner ist anzumerken, dass der Begriff „Steuerung” bzw. „steuern” als Überbegriff zu verstehen ist, welcher sowohl eine „Steuerung” wie auch „Regelung” umfasst, bzw. sowohl „steuern” wie auch „regeln” umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug
2: Nockenwelle zur Steuerung der Ventile
2.1: Nockenwelle zur Steuerung der Einlass-Ventile
2.2: Nockenwelle zur Steuerung der Auslass-Ventile
2.3: Nocken der Nockenwelle(n)
2.4: Drehrichtung der Nockenwelle
2.5: Ventilfeder, Rückstellfeder
2.6: Lager für Rückstellfeder
2.7: Federteller für Rückstellfeder
3: Ventile (Schematische Darstellung – auf das Wesentliche begrenzt)
3.1: Einlass-Ventile
3.2: Auslass-Ventile
3.3: Bewegungsrichtung der Ventile (3, 3.1, 3.2)/der Ventilschafte (3.4)
3.4: Ventilschaft der Ventile (3, 3.1, 3.2)
4: Kurbelwelle
4.1: Drehrichtung der Kurbelwelle (4)
5: Zylinderblock/Motorblock mit Zylinder (Schematische Teil-Darstellung)
6: Riemen/Zahnriemen/Zahnradriemen
6.1: Laufrichtung des Riemens/Zahnriemens (6)
7: Umlenkrolle für Riemen/Zahnriemen (6)
7.1: Ggfls. Antrieb für diverse Aggregate, z. B. Lichtmaschine/Generator oder Meßsysteme, wie z. B. Drehwinkelgeber zur Positionserfassung
7.1.1: Drehwinkelgeber zur Positionserfassung des Kurbelwellenstandes
7.2: Drehrichtung der Umlenkrolle/des Aggregatantriebs/Messsystems
8: Motorsteuereinheit
8.1: Steuereinheit/Steuereinheit zum steuern der aktiven Aktuatoren (10.1, 11.1, 12.1)
9: Elektrische Schnittstelle/Interface zur Übertragung der Positionsdaten des Meßsystems (7.2); Positionsdaten im Sinne von Drehwinkelposition
10: Elektromechanische Einheit
10.1: Hubmagnet/Schubmagnet
10.2: Magnetische Feldlinien
10.3: Elektrische Schnittstelle
10.4: Anker/als Anker wirkender Körper
11: Elektromechanische Einheit
11.1: Stellmotor/Schrittmotor
11.2: Getriebe/Übersetzung/Schneckengetriebe
11.3: Elektrische Schnittstelle
12: Elektromechanische Einheit
12.1: Druckluftzylinder/Hydraulikzylinder
12.2: Ventil für pneumatische Kraft/Ventil für Hydraulikzylinder Hydraulisches Ventil/ Magnetventil zur Steuerung der Hydraulikzylinder
12.3: Elektrische Schnittstelle
12.4: Druckführende Zuleitung für Druckluftzylinder/Hydraulikzylinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10261304 A1 [0004]
DE 102004001343 A1 [0005]
DE 10100173 A1 [0006]
DE 102008003832 B4 [0007]

Claims

Verbrennungsmotor (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mindestens a) einen Zylinderblock (5), zur Aufnahme ein oder mehrerer Zylinderkolben, b) einer mit den Zylinderkolben in Wirkverbindung stehenden Kurbelwelle (4), zur Kraftübertragung des Verbrennungsmotordrehmomentes, bzw. der Verbrennungsmotorleisung, in Richtung des Antriebsstrangs, c) mehrere Ventile (3, 3.1, 3.2), zum Einlassen und Auslassen des Kraftstoffgemisches, d) einer Steuereinheiten (8.1) zum Öffnen und Schließen der Ventile (3, 3.1, 3.2), sowie e) einer Motorsteuereinheit (8, 8.1), zur Steuerung der Motordrehzahl, und/oder der Motorleistung, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen der Ventile (3, 3.1, 3.2), f) anstatt einer oder mehrerer Nockenwellen (2, 2.1, 2.2), g) ausschließlich mittels aktiven Aktuatoren (10, 11, 12) erfolgt, welche von einer Steuereinheit/en (8.1) und/oder der Motorsteuereinheit (8, 8.1) angesteuert werden, und h) mittels eines Drehwinkelgebers (7.1.1) zur Positionserfassung, der mit der Kurbelwelle (4) in einer eindeutigen Beziehung steht, synchronisiert wird, i) wobei die Ventile (3, 3.1, 3.2) auch unabhängig von der Position der Kurbelwelle (4) angesteuert werden können.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem aktiven Aktuator (10, 11, 12) um eine elektromechanische Einheit (10) handelt, welche mittels axialwirkender magnetischer Kraft das anzusteuernde Ventil (3, 3.1, 3.2) in Bewegung setzt.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axialwirkende magnetische Kraft mittels eines Hubmagneten (10.1) und/oder eines Schubmagneten (10.1) generiert wird.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem aktiven Aktuator (10, 11, 12) um eine elektromechanische Einheit (11) handelt, welche mittels rotationswirkender magnetischer Kraft das anzusteuernde Ventil (3, 3.1, 3.2) in Bewegung setzt.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radialwirkende magnetische Kraft mittels einem Elektromotor (11.1), vorzugsweise einem Stellmotor (11.1) oder Schrittmotor (1.1), generiert wird.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem aktiven Aktuator (10, 11, 12) um eine elektromechanische Einheit (12) handelt, welche mittels axialwirkender pneumatischer und/oder hydraulischer Kraft das anzusteuernde Ventil (3, 3.1, 3.2) in Bewegung setzt.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axialwirkende pneumatische und/oder hydraulische Kraft mittels einem Druckluftzylinder (12.1) und/oder Hydraulikzylinder (12.1) generiert wird.
Motorsteuerung (8, 8.1) für einen Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Motorsteuerung (8, 8.1) die aktiven Aktuatoren (10, 11, 12) direkt ansteuert, oder über eine zwischengeschaltete Steuereinheit/en (8.1) ansteuert, und b) mittels eines Drehwinkelgebers (7.1.1) zur Positionserfassung, der mit der Kurbelwelle (4) in einer eindeutigen Beziehung steht, synchronisiert wird, c) wobei die Ventile (3, 3.1, 3.2) auch unabhängig von der Position der Kurbelwelle (4) angesteuert werden können.
Verfahren zur variablen Ansteuerung der Ventile (3, 3.1, 3.2) eines Verbrennungsmotors (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei der Verbrennungsmotor (1) mindestens aufweist: a) einen Zylinderblock (5), zur Aufnahme ein oder mehrerer Zylinderkolben, b) einer mit den Zylinderkolben in Wirkverbindung stehenden Kurbelwelle (4), zur Kraftübertragung des Verbrennungsmotordrehmomentes, bzw. der Verbrennungsmotorleisung, in Richtung des Antriebsstrangs, c) mehrere Ventile (3, 3.1, 3.2), zum Einlassen und Auslassen des Kraftstoffgemisches, d) einer Steuereinheiten (8.1) zum Öffnen und Schließen der Ventile (3, 3.1, 3.2), sowie e) einem Motorsteuereinheit (8, 8.1), zur Steuerung der Motordrehzahl, und/oder der Motorleistung, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen der Ventile (3, 3.1, 3.2), f) anstatt einer oder mehrerer Nockenwellen (2, 2.1, 2.2), g) ausschließlich mittels aktiven Aktuatoren (10, 11, 12) erfolgt, welche von einer Steuereinheit/en (8.1) und/oder der Motorsteuereinheit (8, 8.1) angesteuert werden, wobei die Ventile (3, 3.1, 3.2) auch völlig unabhängig von der Position der Kurbelwelle (4) angesteuert werden können.
Kraftfahrzeug, ausgestattet mit einem Verbrennungsmotor (1) und einer Motorsteuerung (8, 8.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder einem Verfahren zur variablen Ansteuerung der Ventile (3, 3.1, 3.2) eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 9.