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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verstellbare Ventilsteuerung zum kontinuierlichen oder stufenweisen Ändern einer Ventilsteuerzeit und eines Hubbetrags in einem Bereich von niedrigeren Drehzahlen bis höheren Drehzahlen eines Verbrennungsmotors.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der Druckschrift
DE 197 52 414 A1 bekannt. Einrichtungen zum Ändern einer Ventilsteuerzeit und eines Hubbetrags sind weiterhin aus den Druckschriften
DE 35 36 742 A1 ,
DE 100 46 221 A1 und
DE 103 30 871 A1 bekannt. Diese zeigen um eine Drehachse drehbare Nocken, die axial zu der Drehachse verstellbar sind und in Abhängigkeit dieser Verstellung die Betätigung eines Ventils beeinflussen.
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Die Verstellung eines Nockens dient dazu, während des normalen Motorlaufs einerseits die Öffnungszeit und andererseits die Amplituden der Öffnung der Einlass- und Auslassventile zu verändern, wodurch sowohl die Leistung als auch das Antriebsmoment des Motors verändert werden können. Hierdurch ist es möglich, eine Steuerung des Verbrennungsmotors exakt durchzuführen, und zwar in Abhängigkeit von dessen Betätigungsbedingungen durch kontinuierliches oder schrittweises Ändern der Ventilöffnungszeit und des Hubbetrags in einem Bereich von niedrigeren Drehzahlen bis höheren Drehzahlen des Verbrennungsmotors. Dabei können verschiedenartige Kennwerte einschließlich Drehmoment, Ausgaben, Kraftstoffverbrauch und Reinheit des Abgases über den gesamten Drehzahlbereich verbessert werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue, verstellbare Ventilsteuerung zu schaffen, die in der Lage ist leichtgängig und ruhig betätigt werden zu können und/oder in einfacher und kompakter Konstruktion aufgebaut zu werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Ventilsteuerung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine verstellbare Ventilsteuerung, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, vorgesehen, beider der Arm um eine Längsachse drehbar gelagert ist. Hierdurch ist es möglich, dass der Arm bei jeder Änderung der Neigung des Nockenprofils dessen Tangentiallinie folgt. Die Rotations- oder Kippbewegung um die Längsachse wird auch Rollen genannt. Die Ausführung der Ventilsteuerung mit einem Arm, welcher lediglich zwei Freiheitsgrade zur Bewegung hat, ermöglicht es, eine Ventilsteuerung zu schaffen, bei der zum einen die Oberfläche des Nockens, insbesondere die eines Raumnockens mit einem kegelförmigen Vorsprung, plan an dem Arm anliegt beziehungsweise die Berührung von Arm und Nocken linienförmig ist. So wird die Stellkraft aus dem Nocken gleichmäßig auf den Arm übertragen, was den Verschleiß reduziert. Zum anderen kann mit einer geringen Anzahl an Einzelteilen, insbesondere gegenüber dem Stand der Technik, eine variable, verstellbare Ventilsteuerung geschaffen werden.
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Die Bewegung des Arms um eine seiner Querachsen wird auch Nicken genannt. Der Arm ist an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors zumindest um die Querachse drehbeweglich mit einem Lagergelenk gelagert. Vorzugsweise ist der Berührungsabschnitt des Arms zwischen einem Anlagepunkt des Arms an dem Ventil und dem Lagergelenk angeordnet. Der Arm hat weiterhin eine Hochachse. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Arm an dem Ventil und/oder an dem Gehäuse so gelagert ist, dass eine Bewegung des Arms um die Hochachse verhindert ist. Eine derartige Bewegung um die Hochachse würde Gieren genannt werden.
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Zur Verhinderung der Gierbewegung um die Hochachse ist das Lagergelenk entsprechend ausgestaltet und/oder die Ventilsteuerung umfasst wenigstens eine Lagerfläche, an der der Arm anliegt. Die Lagerfläche ist mit dem Gehäuse des Verbrennungsmotors verbunden oder ein Teil des Gehäuses. In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Lagerfläche und das Lagergelenk einen Abstand auf. Die Längsachse, die Querachse und die Hochachse sind jeweils senkrecht zueinander orientiert und entsprechen somit den Hauptachsen in einem kartesischen Koordinatensystem.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass der als Raumnocken ausgebildete Nocken in Bezug auf seine Drehachse beziehungsweise in Bezug auf die Drehachse einer Nockenwelle axial verschieblich gehalten ist. Hierzu ist der auf einer Nockenwelle angeordnete Nocken entweder relativ zur Nockenwelle beweglich oder fest mit der Nockenwelle verbunden, wobei dann die Nockenwelle axial zur Drehachse beweglich ist. Das Bewegen beziehungsweise Verschieben des Nockens führt zu der Verstellung des Ventilhubs und/oder der Ventilphase. Die gekrümmte Oberfläche des als Raumnocken gestalteten Nockens ermöglicht eine stufenlose Verstellung des Ventilhubs und der Ventilphase. Vorzugsweise ist bei einem minimalen Ventilhub das Ventil über zumindest eine Vollwinkelumdrehung des Nockens geschlossen. Der maximale Ventilhub ist bauartbedingt, wobei sich beim größten Ventilhub der größte Abstand zwischen Ventilsitz und Ventilteller ausbildet. Eine Ventilphase beinhaltet die Bewegung des Ventils im Zeitraum einer Vollwinkelumdrehung des Nockens. Innerhalb einer Vollwinkelumdrehung kann als ein Extrem keine Öffnung des Ventils stattfinden. Das andere Extrem wäre die Öffnung des Ventils über die gesamte Vollwinkelumdrehung. Der in der Regel stattfindende Übergang beim Öffnen und beim Schließen des Ventils innerhalb einer Ventilphase kann mittels der Ausgestaltung des Nockens stufenlos sein. Zur Veränderung der Ventilphase umfasst die Ventilsteuerung einen auf den Nocken und/oder die Nockenwelle wirkenden Phasensteller.
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Die Orientierung des Arms zu der Drehachse des Nockens ist nahezu beliebig. Als bevorzugte Ausführungsform hat sich herausgestellt, dass die Hochachse und/oder die Längsachse senkrecht zu der Drehachse orientiert sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft den Arm, welcher einerseits an dem Ventil anliegt und andererseits mittels des Lagergelenks mit dem Gehäuse des Verbrennungsmotors verbunden ist. Bei einer Ausführungsvariante ist das Lagergelenk als ein Kardangelenk ausgeführt. Bei einer anderen Ausführungsvariante ist das Lagergelenk als Kugelgelenk ausgeführt. Zur Unterbindung einer Bewegung des Arms um die Hochachse umfasst das Kugelgelenk zwei zur Drehachse normal orientierte Gleitflächen, an denen jeweils ein halbzylinderförmiger Gleitkörper des Arms anliegt. Die Mittellängsachsen der Gleitkörper sind parallel zu der Gleitfläche und/oder der Längsachse orientiert.
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Vorzugsweise weist das Lagergelenk eine Ventilspielausgleichseinrichtung auf. Diese ermöglicht eine insbesondere translatorische, hauptsächlich eine zur Hochachse axiale und zu dem Gehäuse relative Bewegung des gesamten Lagergelenks oder einzelner Teile des Lagergelenks, beispielsweise der Kugelkalotte des Kugelgelenks.
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Der Arm ist bevorzugt als ein Schlepphebel, ein Schwinghebel oder ein Kipphebel ausgeführt. Der Berührungsabschnitt des Arms ist bevorzugt als eine Rolle ausgeführt, wodurch ein leichtes Abgleiten des Nockens möglich ist. Die Rotationsachse der Rolle ist parallel zur Querachse des Arms orientiert.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine schematische Darstellung einer verstellbaren Ventilsteuerung mit einem Nocken;
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2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ventilsteuerung in einer ersten Funktionsstellung des Nockens;
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3 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ventilsteuerung in einer zweiten Funktionsstellung des Nockens;
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4 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ventilsteuerung in einer dritten Funktionsstellung des Nockens;
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5 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ventilsteuerung;
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6 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ventilsteuerung mit einer ersten Variante eines Lagergelenks;
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7 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ventilsteuerung mit einer zweiten Variante eines Lagergelenks.
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1 zeigt eine verstellbare Ventilsteuerung 1 für einen nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotor. Die Ventilsteuerung 1 umfasst einen um eine Drehachse w rotatorisch beweglichen Nocken 2, ein Ventil 3 und einen Arm 4, der die Steuerbewegung des Nockens 2 auf das Ventil 3 überträgt. Der Arm 4 ist mittels eines Kugelgelenks mit dem Ventil 3 verbunden. Der Nocken 2 hat ein Nockenprofil, welches einerseits einen zur Drehachse w konzentrischer Grundkreis 5 und andererseits einen gegenüber dem Grundkreis 5 zur Drehachse w exzentrischen Vorsprung 6 umfasst. Der Grundkreis 5 korrespondiert mit der Schließstellung, des Ventils 3. Die Geometrie des Vorsprungs 6 bestimmt den Hub und die Öffnungsdauer des Ventils 3. Die Oberfläche des Nockens 2 ist über die gesamte Länge des Vorsprungs 6 gegenüber der Drehachse w geneigt. Der Nocken 2 ist auf einer Nockenwelle 7 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Nockenwelle 7 axial zu der Drehachse w verstellbar, was durch den Doppelpfeil 8 angedeutet ist. Durch die axiale Verstellung der Nockenwelle 7 und somit des Nockens 2 können der Hub und die Öffnungsdauer des Ventils 3 bei kontinuierlich rotierendem Nocken 2 geändert werden. Die Rotationsbewegung des Nockens 2 beziehungsweise der Nockenwelle 7 um die Drehachse w ist durch einen Pfeil 9 angedeutet. Zum Öffnen wird das Ventil 3 gegen die Rückstellkraft 10 einer Ventilfeder 11 bewegt. In der Schließstellung liegt das Ventil 3 gasdicht schließend an einem Ventilsitzring 12 eines Gehäuses 13 des Verbrennungsmotors an. Der Arm 4 schwingt durch die Einwirkung der Nocke 2, entsprechend der Gestaltung des Nockenprofils, drehbar um eine Querachse y. Diese Drehung des Arms 4 wird auch Nicken genannt. Der Arm 4 hat einen Berührungsabschnitt 14, an welchem der Nocken 2 bei zumindest einer Winkelstellung des Nockens 2 anliegt. Vorzugsweise ist der Berührungsabschnitt 14 die Mantelfläche einer Rolle 24, welche auf einer Rollenachse 15 an dem Arm 4 gelagert ist. Der Berührungsabschnitt 14 ist in der gezeigten Ausführungsform zwischen den Anschlüssen des Arms 4 an dem Ventil 3 und an dem Gehäuse 13 angeordnet. Der Arm 4 ist mittels eines Lagergelenks 17, 18 mit dem Gehäuse 13 verbunden. Der Arm 4 ist um eine Hochachse z unbeweglich gelagert. Eine Bewegung um die Hochachse z wird auch Gieren genannt.
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Die 2, 3 und 4 zeigen die Ventilsteuerung 1 in unterschiedlichen Funktionsstellungen, wobei 3 mit der Darstellung in 1 identisch ist. In der Zusammenschau dieser Figuren lässt sich die Funktionsweise der Verstellung 8 des Nockens 2 und der damit verbundenen Wirkung auf das Ventil 3 erkennen. Der Nocken 2 befindet sich dabei stets in einer Rotationsbewegung 9. In den unterschiedlichen Funktionsstellungen des Nockens 2 ist eine axiale Verstellung 8 des Nockens 2 entsprechend dem angedeuteten Pfeil möglich.
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2 zeigt den Nocken 2 in einer ersten Funktionsstellung. Dabei ist der Vorsprung 6 dem Arm 4 zugewandt und der Berührungsabschnitt 14 liegt an dem unteren Abschnitt des Vorsprungs 6 an. Der Durchmesser des unteren Abschnitts entspricht dem Grundkreis 5, sodass das Ventil 3 in der Schließstellung an dem Ventilsitzring 12 anliegt. Aufgrund der auch im Bereich des unteren Abschnitts des Vorsprungs 6 gegenüber der Drehachse w geneigten Oberfläche des Nockens 2 wird der Arm 4 um seine Längsachse x gedreht. Dazu ist der Arm 4 um die Längsachse x drehbar gelagert. Das Verdrehen 16 des Arms 4 um die Längsachse x wird auch Rollen genannt.
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3 zeigt den Nocken 2 in einer zweiten Funktionsstellung. Dabei ist der Vorsprung 6 von dem Arm 4 abgewandt und der Berührungsabschnitt 14 liegt an dem Grundkreis 5 des Nockens 2 an, sodass das Ventil 3 in der Schließstellung an dem Ventilsitzring 12 anliegt.
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4 zeigt den Nocken 2 in einer dritten Funktionsstellung. Dabei ist der Vorsprung 6 dem Arm 4 zugewandt und der Berührungsabschnitt 14 liegt an einem oberen Abschnitt des Vorsprungs 6 an. Der Radius des oberen Abschnitts ist größer als der des Grundkreises 5, sodass das Ventil 3 aus dem Ventilsitzring 12 heraus in eine Offenstellung gehoben wird. Die Größe des Hubs ist abhängig von dem am Berührungsabschnitt 14 anliegenden Radius des Vorsprungs 6. Aufgrund der im Bereich des Vorsprungs 6 gegenüber der Drehachse w geneigten Oberfläche des Nockens 2 wird der Arm 4 um seine Längsachse x gedreht, wie in 2 beschrieben.
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5 zeigt die Ventilsteuerung 1 in einer räumlichen Draufsicht. Mit einem ersten Doppelpfeil ist die bereits beschriebene axiale Verstellung 8 des Nockens 2 angedeutet. Da der Nocken 2. bei der Verstellung 8 in der Regel an dem Arm 4 anliegt, wird mit der Verstellung 8 des Nockens 2 eine Querkraft 19 in den Arm 4 übertragen. Die Querkraft 19 ist mit einem zweiten Doppelpfeil angedeutet. Die Querkraft 19 wird im Berührungsabschnitt 14 in den Arm 4 eingeleitet. Um eine Bewegung des Arms 4 in der Ebene der Querkraft 19 zu unterdrücken, um so ein Verkanten des Ventils 3 zu vermeiden, ist der Arm 4 um die auch in 1 dargestellte und zu der Querachse y und der Längsachse x senkrecht orientierten Hochachse z unbeweglich gelagert. Dazu hat das Gehäuse 13 zumindest eine Lagerfläche 20. Das Lagergelenk 17,18 kann beispielsweise zwischen dem Berührungsabschnitt 14 und dem Anschluss an das Ventil 3 an dem Arm 4 anliegen oder aber am Lagergelenk 17, 18. In der gezeigten Ausführungsform ist beides verwirklicht. An dem Lagergelenk 17, 18 sind zwei Lagerflächen 20 vorgesehen, die zur Aufnahme der Querkräfte 19 und der aus einer Querkraft 19 resultierenden Torsion in beide zur Querachse y axialen Richtungen dienen. Wenn der Vorsprung 6 an dem Berührungsabschnitt 14 anliegt, kann, insbesondere bei einer axialen Verstellung 8 des Nockens 2 von dem unteren Abschnitt des Vorsprungs 6 zu einem oberen Abschnitt des Vorsprungs 6, die auftretende Querkraft 19 größer sein als bei einer Verstellung 8, während der Grundkreis 5 an dem Berührungsabschnitt 14 des Nockens 2 anliegt. Daher hat die gezeigte Ausführungsform eine weitere Lagerfläche 20 zwischen dem Berührungsabschnitt 14 und dem Anschluss an das Ventil 3. Diese Lagerfläche 20 ist vorzugsweise nah an dem Ventil 3 angeordnet.
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6 zeigt die Ventilsteuerung 1 mit einer ersten Variante des Lagergelenks 17. Das Lagergelenk 17 ist als ein Kugelgelenk ausgeführt, wobei der Arm 4 eine sphärische Ausnehmung hat, an der eine Kugelkalotte des Lagergelenks 17 anliegt. Beidseitig des Lagergelenks 17 sind zwei Lagerflächen 20 angeordnet. Jede der Lagerflächen 20 hat eine Gleitfläche 21. Die Gleitflächen 21 sind zur Drehachse w des Nockens 2 senkrecht orientiert. An dem Arm 4 sind Gleitkörper 22 ausgebildet, wobei an jeder Gleitfläche 21 ein Gleitkörper 22 anliegt. Die Gleitkörper 22 sind halbzylinderförmig gestaltet, wobei deren Mittellängsachse parallel zu der Gleitfläche 21 und/oder parallel zu der Längsachse x orientiert ist. Bei einer Weiterbildung umfasst das Lagergelenk 17 eine Ventilspielausgleichseinrichtung 23, mittels welcher die Kugelkalotte parallel zu der Gleitfläche 21 und senkrecht zur Mittellängsachse des Gleitkörpers 22 beziehungsweise axial zur Hochachse z verlagert werden kann.
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7 zeigt die Ventilsteuerung 1 mit einer zweiten Variante eines Lagergelenks 18. Das Lagergelenk 18 ist ein Kardangelenk. Das Kardangelenk lässt eine Bewegung des Arms 4 relativ zu dem Gehäuse 13 nur um die Längsachse x und um die Querachse y im vollen Drehwinkelbereich zu. Für die Bewegung um die Längsachse x hat das Lagergelenk 18 zwei über einen Steg verbundene Innenlagerelemente 25 mit einem Freiheitsgrad. Die Drehung um die Querachse y wird durch zwei Außenlagerelemente 26 mit einem Freiheitsgrad ermöglicht. Die Außenlagerelemente 26 haben einen zylindrischen Abschnitt, der an dem Gehäuse 13 anliegt, und einen kegelförmigen Abschnitt, der an dem Arm 4 anliegt. Ein zylinderförmiger Vorsprung an der Spitze des kegelförmigen Abschnitts liegt an dem Steg und/oder an den Innenlagerelementen 25 an. Da die Lagerelemente 25, 26 des Kardangelenks lediglich eine Drehung um die Längsachse x und um die Querachse y des Arms 4 ermöglichen, kann der Arm 4 weder rotatorisch um die Hochachse x noch translatorisch, relativ zu dem Gehäuse 13 in Richtung der Längsachse x, Querachse y und der Hochachse z bewegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilsteuerung
- 2
- Nocken
- 3
- Ventil
- 4
- Arm
- 5
- Grundkreis
- 6
- Vorsprung
- 7
- Nockenwelle
- 8
- Axiale Verstellung des Nocken
- 9
- Rotationsbewegung des Nocken
- 10
- Rückstellkraft
- 11
- Ventilfeder
- 12
- Ventilsitzring
- 13
- Gehäuse
- 14
- Berührungsabschnitt
- 15
- Rollenachse
- 16
- Verdrehung des Arms
- 17
- Lagergelenk
- 18
- Lagergelenk
- 19
- Querkraft im Arm
- 20
- Lagerfläche
- 21
- Gleitfläche
- 22
- Gleitkörper
- 23
- Ventilspielausgleichseinrichtung
- 24
- Rolle
- 25
- Innenlagerelemente
- 26
- Außenlagerelemente
- w
- Drehachse der Nocke
- y
- Querachse des Arms
- x
- Längsachse des Arms
- z
- Hochachse des Arms
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19752414 A1 [0002]
- DE 3536742 A1 [0002]
- DE 10046221 A1 [0002]
- DE 10330871 A1 [0002]
