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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 025 100 A1 bekannt.
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Mit einem gattungsgemäßen Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine lässt sich unter anderem eine Zylinderabschaltung realisieren. Eine Variante der Zylinderabschaltung für eine Brennkraftmaschine ist beispielsweise in der Motortechnischen Zeitschrift, MTZ, 0312012, 73. Jahrgang, auf den Seiten 186 - 193 beschrieben. In diesem Fachartikel ist eine Zylinderabschaltung für eine 1,4 l TSI Otto-Brennkraftmaschine beschrieben. Mit Hilfe der Zylinderabschaltung lässt sich der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine deutlich reduzieren. Erzielt wird dies in dem vorliegenden Fachartikel dadurch, dass bei der 4-Zylinder-Brennkraftmaschine zwei Zylinder über axial verschiebbare Nocken auf den Nockenwellen verfügen, mit unterschiedlichem Hubverlauf. Beim normalen Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. alle vier Zylinder werden befeuert, werden die Ventile, wie aus dem Stand der Technik bekannt, normal betätigt, d. h. geöffnet und geschlossen. Wird eine Zylinderabschaltung für zwei Zylinder eingestellt, so werden für diese Zylinder die Nocken axial auf den Nockenwellen verschoben und das Hubprofil wird durch ein Nullhubprofil ersetzt, d. h. die Ventile bleiben geschlossen. Durch diese Maßnahme läuft die Brennkraftmaschine nur noch mit zwei befeuerten Zylindern, die jedoch in einem höheren Lastbereich mit besserem Wirkungsgrad betrieben werden, wodurch Kraftstoff bis in einen zweistelligen Prozentbereich eingespart wird.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 25 964 A1 ein Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine bekannt. In dieser Offenlegungsschrift wird ein Ventiltrieb vorgeschlagen, der als Feder-Masse-Schwingsystem ausgebildet ist. Er besteht aus einer hebelartigen Antriebsvorrichtung für jedes Gaswechselventil. Die Antriebsvorrichtung ist mit einer längs im Zylinderkopf verlaufenden Achse koppelbar. Diese Achse wiederum ist mit einem als Elektromotor oder Servoschwenkmotor ausgebildeten Drehmittel verbunden. Das Drehmittel führt lediglich eine Schwenkbewegung im Sinne eines Hubes der Gaswechselventile aus. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Ventiltriebes soll insbesondere die lästige Schallemission eines elektromagnetischen Ventiltriebes verhindert werden.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 195 46 652 A1 ein Verfahren zur Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit eines mit einem Kollisionsvermeidungssystem ausgerüsteten Kraftfahrzeuges beschrieben. Mit dem Kollisionsvermeidungssystem wird der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug fortlaufend erfasst und bei Unterschreiten eines vorgegebenen, geschwindigkeitsabhängigen Mindestabstandes eine Einrichtung zur zwangsweisen Abbremsung angesteuert. Der Antrieb des Fahrzeuges erfolgt hierbei durch eine Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine mit variabel steuerbaren Ventiltrieben. Beim Unterschreiten des vorgegebenen Mindestabstandes wird der Ventiltrieb mindestens eines Zylinders der Kolbenbrennkraftmaschine auf Kompressorbetrieb umgestellt. Besonders eignet sich das Verfahren in Verbindung mit vollvariablen Ventiltrieben, wie sie beispielsweise durch elektromagnetische Ventiltriebe (EVT) verwirklicht werden können.
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Ein elektromagnetischer Ventiltrieb weist einen mit dem zu betätigenden Ventil verbundenen Magnetanker auf, der zwischen zwei elektrisch ansteuerbaren Elektromagneten jeweils in die Schließstellung und die Öffnungsstellung hin- und herbewegbar ist. Über eine entsprechende zeitliche Ansteuerung der Elektromagnete ist es dann möglich, nicht nur die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils entsprechend durch von der Motorsteuerung vorgegebenen Betriebsanforderungen zu beeinflussen, sondern über die Motorsteuerung auch die Ventile unabhängig vom normalen Arbeitstakt zu betätigen. Damit ist es auch möglich, unter Abschaltung der Kraftstoffzufuhr wahlweise beginnend mit nur einem Zylinder und fortschreitend bis zur Ansteuerung aller Zylinder die Kolbenbrennkraftmaschine auf Kompressorbetrieb umzuschalten. Das bedeutet, dass die angesaugte Luft zunächst komprimiert wird, dann aber vorzeitig aus dem Brennraum ausströmen kann. Da die Ansteuerung voll variabel ist, ergibt sich somit bei einer üblichen 4-Takt-Kolbenbrennkraftmaschine eine Umsteuerung auf einen 2-Takt-Kompressorbetrieb, mit dem die oben erwähnte, zwangsweise Abbremsung des Fahrzeuges erfolgen kann.
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Die Verwendung eines bezüglich des Kurbelwinkels frei steuerbaren Ventiltriebs, wie der gerade genannte elektromagnetische Ventiltrieb, bedingt auf der anderen Seite stets die Notwendigkeit, große Ventiltaschen in den Kolben vorzuhalten. Aufgrund der freien zeitlichen Steuerung der Gaswechselventile sind diese Ventiltaschen notwendig, um die Kollisionsgefahr zwischen Gaswechselventil und Kolben zu verhindern. Dies führt zu ungünstigen Brennraumformen für die Verbrennung, erhöhten HC- (Kohlenwasserstoff) und Schadstoffemissionen, wie z. B. Ruß.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine „gemischte“ Betätigung der Gaswechselventile vorgeschlagen, bei der die Gaswechselventile der normalen, ständig befeuerten Zylinder konventionell über eine Nockenwelle angesteuert werden. Somit treten für diese Zylinder in vorteilhafter Weise keine Probleme bezüglich Verbrennung oder Emissionen mit der Brennraumform auf, da keine oder nur kleine Ventiltaschen vorgehalten werden müssen.
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Für die Zylinder mit Spezialaufgaben (z. B. 2-Takt-Kompressorbetrieb) werden die Gaswechselventile erfindungsgemäß mit einem entkoppelbaren Ventiltrieb betätigt. Somit sind die o. g. Nachteile der Brennraumform auf diese Spezialzylinder beschränkt. In vielen Fällen ist diese Brennraumform, sowie eine geringere geometrisch erreichbare Verdichtung, bei der Spezialaufgabe unwesentlich. Sollen diese Zylinder mit Spezialaufgaben auch als Verbrennungszylinder arbeiten, wird das in den meisten Fällen nur bei erhöhter Lastanforderung an die Brennkraftmaschine geschehen und der Nachteil der ungünstigeren Brennraumform kann, z. B. durch eine geringere Verdichtung, gemildert werden.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erschließt somit in vorteilhafter Weise Funktionsvorteile in den Brennräumen der konventionellen Brennkraftmaschine. Diese kann mit allen Zylindern bei höheren Lasten befeuert, ohne Nachteil betrieben werden. Bei Teillast ermöglichen die frei ansteuerbaren, entkoppelbaren Ventiltriebe der Spezialzylinder neben der Zylinderabschaltung weitere Funktionen, wie z. B. Vorexpansion oder Kompression der Ansaugluft mit Zwischenkühlung, wie sie beispielsweise in der nachveröffentlichten Schrift
DE 10 2012 206 372 A1 beschrieben ist.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der entkoppelbare Ventiltrieb ein elektromagnetischer Ventiltrieb, ausgebildet als Hubaktuator, wie z. B. in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 195 46 652 A1 , oder als Drehaktuator, wie z. B. in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 25 964 A1 beschrieben.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der entkoppelbare Ventiltrieb ein hydraulischer oder ein elektrohydraulischer Ventiltrieb.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 kann die Brennkraftmaschine trotz der Sonderzylinder als Vollmotor betrieben werden.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 erlaubt die größten Variabilitäten im Ventiltrieb.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 ermöglicht die Verwendung des Sonderzylinders in einem 2-Takt-Betrieb als Kompressor für die Ansaugluft.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
- 1 zeigt eine Aufsicht auf einen schematisch dargestellten, erfindungsgemäßen Ventiltrieb für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine Aufsicht auf einen schematisch dargestellten, erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 für einen Zylinderkopf 6, in diesem Ausführungsbeispiel einer 4-zylindrigen Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine weist einen nicht dargestellten Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle auf, sowie zumindest einen ersten und einen zweiten Zylinder 2, 3 oder eine erste und eine zweite Zylindergruppe. In jedem Zylinder 2, 3 ist jeweils ein nicht dargestellter Kolben angeordnet, die von der Kurbelwelle hubbeweglich über Pleuel antreibbar sind. Weiter ist jedem Zylinder 2, 3 zumindest ein von dem Ventiltrieb 1 betätigbares, nicht dargestelltes Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventil zugeordnet. Die Nockenwellen 4 werden über Nockenwellenantriebe 7, beispielsweise Zahnriemen oder Ketten, kurbelwellensynchron von der Kurbelwelle angetrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Ventiltrieb 1 zwei Nockenwellen 4 auf, eine für die einlassseitigen Gaswechseleinlassventile und eine für die auslassseitigen Gaswechselauslassventile. Die Gaswechselventile des ersten Zylinders 2 sind von den Nockenwellen 4 des Ventiltriebs 1 betätigbar. Die Gaswechselventile des zweiten Zylinders 3 sind von einem entkoppelbaren Ventiltrieb 5 betätigbar.
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Unter entkoppelbar wird verstanden, dass ein Phasenwinkel der Gaswechseleinlassventile und der Gaswechselauslassventile des Ventiltriebs 5 bezüglich der Kurbelwelle oder der Nockenwellen 4 vom zweiten Zylinder 3 zum ersten Zylinder 2 unabhängig einstellbar ist. Der Phasenwinkel ist beispielsweise über den höchsten Gaswechselventilerhebungspunkt definiert.
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Der entkoppelbare Ventiltrieb 5 kann beispielsweise ein elektromagnetischer Ventiltrieb, ausgebildet als Hubaktuator oder Drehaktuator, oder ein hydraulischer oder ein elektrohydraulischer oder ein Welle in Welle Ventiltrieb sein. Nachteilig an der Welle in Welle Lösung ist jedoch, dass nur der Phasenwinkel einstellbar ist. Besonders bevorzugt ist der entkoppelbare Ventiltrieb 5 mit der Nockenwelle 4 und somit auch mit der Kurbelwelle synchronisierbar. Das weiteren ist zumindest der entkoppelbare Ventiltrieb 5 bevorzugt als ein hub- und/oder zeitvariabler Ventiltrieb ausgelegt, wie z. B. die von BMW seit 2001 in Serie befindliche Valvetronic für Otto Brennkraftmaschinen. Mit dieser hub- und/oder zeitvariablen Ausgestaltung des entkoppelbaren Ventiltriebs 5 kann in Vorteilhafter Weise ein Expansionsgrad der Ansaugluft variiert werden.
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Bevorzugt ist für das Gaswechseleinlassventil und das Gaswechselauslassventil des zweiten Zylinders 3, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt, jeweils ein eigener entkoppelbarer Ventiltrieb 5 vorgesehen. Ebenfalls bevorzugt ist für das Gaswechseleinlassventil und das Gaswechselauslassventil des ersten Zylinders 2 jeweils eine Nockenwelle 4, ebenfalls wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt, vorgesehen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann auch eine einzige Nockenwelle 4 sowohl für die Gaswechseleinlassventile als auch für die Gaswechselauslassventile vorgesehen werden.
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Ebenfalls besonders bevorzugt ist der entkoppelbare Ventiltrieb 5 sowohl in einem 2-Takt- als auch in einem 4-Takt-Betrieb betreibbar.
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Es wird somit eine gemischte Gaswechselventilbetätigung vorgeschlagen, bei der die ersten Zylinder 2 konventionell über die Nockenwelle 4 angesteuert werden und somit keine Probleme mit der Brennraumform (Emissionen, Wirkungsgrad, etc.) auftreten. Die zweiten Zylinder 3 mit Spezialaufgaben werden mit einem entkoppelbaren Ventiltrieb 5, z. B. mit einem elektromagnetischen Ventiltrieb bestückt.
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Somit ist der Nachteil der Brennraumform auf die Spezialzylinder, die zweiten Zylinder 3, beschränkt. In vielen Fällen ist diese, so wie die geometrisch erreichbare Verdichtung, bei der Spezialanwendung unwesentlich. Sollen die zweiten Zylinder 3 auch als Verbrennungszylinder arbeiten, wird das in vielen Fällen nur bei erhöhter Lastanforderung an die Brennkraftmaschine geschehen und der Nachteil der ungünstigeren Brennraumform kann, z. B. durch eine geringere Verdichtung, gemildert werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventiltriebs 1 können in vorteilhafter Weise Funktionsvorteile im Bauraum der konventionellen Brennkraftmaschine erschlossen werden. Diese kann mit allen Zylindern 2, 3 bei höheren Lasten ohne Nachteil betrieben werden, bei Teillast ermöglichen die frei ansteuerbaren, entkoppelbaren Ventiltriebe 5 der zweiten Zylinder 3 neben einer Zylinderabschaltung weitere Funktionen, wie z. B. eine Vorexpansion mit Zwischenkühlung, eine Kompression oder eine Nachexpansion usw..
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Ein Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb
1 ist beispielsweise in der nachveröffentlichten Schrift
DE 10 2012 206 372 A1 beschrieben.
