DE102013203821A1

DE102013203821A1 - Reibleistungsoptimierte Brennkraftmaschine undVerfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013203821A1
Application number: DE201310203821
Authority: DE
Inventors: Jean-Philippe Pützer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-11
Also published as: RU149487U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (15) umfassend – mindestens einen Zylinder (14), der mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem aufweist, und – ein Ventil (2) für jede Öffnung, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlass- oder Auslassöffnung freizugeben oder zu versperren, – eine Ventilfeder (4) für jedes Ventil (2), um das Ventil (2) in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und – eine Ventilbetätigungseinrichtung (1a) zur Betätigung der Ventile (2), um ein Ventil (2) entgegen der Vorspannkraft der Ventilfeder (4) zu öffnen, die mindestens eine Nockenwelle (5) mit einem Nocken (5a) für jedes Ventil (2) und mindestens ein Nockenfolgeelement (6) für jedes Ventil (2) umfasst, wobei jedes Nockenfolgeelement (6) im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle (5) und dem dazugehörigen Ventil (2) angeordnet ist. Es soll eine Brennkraftmaschine (15) bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Reibleistung des Ventiltriebs (1) und dem Verschleiß optimiert ist. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine (15) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – eine Verstellvorrichtung (7) vorgesehen ist, mit der die Vorspannkraft der Ventilfeder (4) mindestens eines Ventils (2) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine umfassend

– mindestens einen Zylinder, der mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem aufweist, und
– ein Ventil für jede Öffnung, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlass- oder Auslassöffnung freizugeben oder zu versperren,
– eine Ventilfeder für jedes Ventil, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und
– eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung der Ventile, um ein Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfeder zu öffnen, die mindestens eine Nockenwelle mit einem Nocken für jedes Ventil und mindestens ein Nockenfolgeelement für jedes Ventil umfasst, wobei jedes Nockenfolgeelement im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle und dem dazugehörigen Ventil angeordnet ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, bzw. Brennkraftmaschinen, die über eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verfügen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d. h. der Brennräume, miteinander verbunden werden. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die mindestens eine Auslassöffnung und das Füllen mit Frischgemisch bzw. Frischluft über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind und während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen, um die Einlass- und Auslassöffnungen freizugeben bzw. zu versperren.
Der erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich der Ventile wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu versperren, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Zylinder mit Frischgemisch bzw. ein effektives d. h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten.
Zur Betätigung eines Ventils wird einerseits eine Ventilfeder vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft dieser Ventilfeder zu öffnen, eine Ventilbetätigungseinrichtung.
Die Ventilbetätigungseinrichtung umfasst mindestens eine Nockenwelle mit einem Nocken für jedes Ventil und für jedes Ventil mindestens ein Nockenfolgeelement, das im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle und dem dazugehörigen Ventil angeordnet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Zwischenelemente der Ventilbetätigungseinrichtung, d. h. Ventiltriebsbauteile, die im Kraftfluss zwischen Nocken und Ventil liegen, d. h. angeordnet sind, als Nockenfolgeelement bezeichnet, d. h. unter diesem Begriff zusammengefasst.
In der Regel wird für die Einlassventile und die Auslassventile jeweils eine Nockenwelle vorgesehen, die beispielsweise mittels eines Zugmitteltriebes von der Kurbelwelle in der Art in Drehung versetzt wird, dass die Nockenwelle und mit dieser die Nocken mit der halben Kurbelwellendrehzahl umläuft bzw. umlaufen. Grundsätzlich wird dabei zwischen einer untenliegenden Nockenwelle und einer obenliegenden Nockenwelle unterschieden, wobei auf die Trennebene zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf Bezug genommen wird.
Untenliegende Nockenwellen eignen sich für die Betätigung sogenannter stehender Ventile, aber auch unter Zuhilfenahme von Stoßstangen und Hebeln als Nockenfolgeelement, beispielsweise Schwinghebeln oder Kipphebeln, für die Betätigung hängender Ventile. Stehende Ventile werden geöffnet, indem sie nach oben verschoben werden, wohingegen hängende Ventile durch eine Abwärtsbewegung geöffnet werden. Dabei wird üblicherweise ein Stößel als Nockenfolgeelement verwendet, der sich zumindest während des Öffnungs- und Schließvorganges mit dem Nocken der Nockenwelle in Eingriff befindet.
Obenliegende Nockenwellen werden hingegen ausschließlich für die Betätigung hängender Ventile verwendet, wobei ein Ventiltrieb mit obenliegender Nockenwelle als weiteres Ventiltriebsbauteil einen Schwinghebel, einen Kipphebel und/oder einen Stößel als Nockenfolgeelement aufweist. Der Schwinghebel dreht dabei um einen festen Drehpunkt und verschiebt bei Auslenkung durch den Nocken das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel in Richtung Ventiloffenstellung. Bei einem Kipphebel, der um einen mittig angeordneten Drehpunkt schwenkbar ist, greift der Nocken an dem einen Ende des Kipphebels ein, wobei das Ventil am gegenüberliegenden Ende des Hebels angeordnet ist.
Im Folgenden wird die der Erfindung zugrunde liegende Problematik am Beispiel eines Stößels als Nockenfolgeelement erörtert. Bei Verwendung eines Stößels wird dieser Stößel auf das dem Brennraum abgewandte Ende des Hubventils aufgesetzt, so dass der Stößel an der oszillierenden Hubbewegung des Ventils teilnimmt, wenn der Nocken sich bei umlaufender Nockenwelle mit seiner Nockenmantelfläche im Bereich der Nockennase entlang einer Berührungslinie in Eingriff befindet mit dem Stößel.
An die Kontur des Nockens werden hohe Anforderungen gestellt. Zum einen soll der Nocken, wie bereits erwähnt, ein schnelles Öffnen und Schließen der Ventile und damit eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte gewährleisten. Zum anderen muss berücksichtigt werden, dass der Ventiltrieb ein elastisches Massesystem ist, dass aufgrund der oszillierenden Bewegung insbesondere des Ventils und des Stößels hohen Beschleunigungen und Verzögerungen ausgesetzt ist. Insbesondere ein Abheben des Nockens vom Stößel bei höheren Drehzahlen soll vermieden werden.
Befindet sich der Nocken mit dem Stößel im Eingriff, gleitet der Nocken mit seiner Nockenmantelfläche entlang einer Berührungslinie auf der Oberfläche des Stößels ab. Dabei hat die Drehbewegung des Nockens eine Hubbewegung des Stößels zur Folge. Um das Abgleiten zu erleichtern und den Verschleiß beider Bauteile zu minimieren, wird die Kontaktzone zwischen Nocken und Stößel in der Regel mit Schmieröl versorgt. Günstigstenfalls bildet sich ein tragfähiger Schmierfilm aus. In der Praxis liegt aber in der Regel keine Flüssigkeitsreibung, sondern vielmehr Mischreibung mit einem mehr oder weniger großen Anteil an Festkörperreibung vor.
Ein Verschleiß von Nocken und Stößel ist nicht nur nachteilig im Hinblick auf die Lebensdauer dieser Bauteile, sondern auch insbesondere hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit des Ventiltriebes. Ein Materialabtrag auf der Nockenmantelfläche und/oder der Stößeloberfläche hat nämlich zum einen Einfluss auf das Ventilspiel und zum anderen Auswirkungen auf den Ventilhub und die Steuerzeiten, d. h. auf die Kurbelwinkel, zu denen das Ventil geöffnet und geschlossen wird.
Zudem geht die Reibung zwischen Nocken und Stößel in die Reibleistung der Brennkraftmaschine ein und bildet einen maßgeblichen Anteil dieser Reibleistung. Zu berücksichtigen ist dabei, dass der Anpressdruck zwischen Nocken und Stößel ein Abheben des Nockens vom Stößel auch bei höheren Drehzahlen sicher vermeiden soll. Die Vorspannkraft der Ventilfeder, welche den Anpressdruck determiniert und damit auch die Reibung, das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorspannt und den Kraftfluss bzw. den Kraftschluss zwischen der Nockenwelle und dem dazugehörigen Ventil sicherstellt, wird dementsprechend hoch gewählt. D. h. die Vorspannkraft der Ventilfeder ist auf den kritischen Betrieb des Ventiltriebs bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ausgelegt, weshalb bei niedrigen Drehzahlen eine viel zu hohe Vorspannkraft die tatsächlich erforderliche Vorspannkraft deutlich übersteigt und eine unnötig hohe Reibleistung generiert.
Es ist grundsätzlich ein Ziel der Konstrukteure bei der Auslegung eines Ventiltriebs, den Verschleiß zwischen Nocken und Stößel bzw. zwischen Nocken und Nockenfolgeelement so gering wie möglich zu halten. Zudem ist man bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei eine verminderte Reibleistung, insbesondere des Ventiltriebs, zielführend sein kann.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Reibleistung des Ventiltriebs und dem Verschleiß optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine umfassend

– mindestens einen Zylinder, der mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem aufweist, und
– ein Ventil für jede Öffnung, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlass- oder Auslassöffnung freizugeben oder zu versperren,
– eine Ventilfeder für jedes Ventil, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und
– eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung der Ventile, um ein Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfeder zu öffnen, die mindestens eine Nockenwelle mit einem Nocken für jedes Ventil und mindestens ein Nockenfolgeelement für jedes Ventil umfasst, wobei jedes Nockenfolgeelement im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle und dem dazugehörigen Ventil angeordnet ist,

– eine Verstellvorrichtung vorgesehen ist, mit der die Vorspannkraft der Ventilfeder mindestens eines Ventils veränderbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann die Vorspannkraft der Ventilfeder mittels Verstellvorrichtung verändert, insbesondere bedarfsgerecht eingestellt werden. Vorzugsweise wird eine Vorspannkraft gewählt, d. h. eingestellt, mit der ein Abheben des Nockens vom Nockenfolgeelement bzw. ein Auflösen des Kraftschlusses bei der momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine sicher vermieden wird.
Die Vorspannkraft der Ventilfeder ist erfindungsgemäß nicht auf den kritischen Betrieb des Ventiltriebs bei hohen Drehzahlen ausgelegt und damit unveränderbar hoch, d. h. über weite Betriebsphasen der Brennkraftmaschine unnötig hoch, sondern kann den tatsächlichen Erfordernissen, insbesondere der momentanen Drehzahl, angepasst werden, so dass die durch die Vorspannkraft bzw. den Anpressdruck generierte Reibleistung deutlich reduziert wird.
Der im Mittel verminderte Anpressdruck zwischen Nocken und Nockenfolgeelement reduziert auch den Verschleiß der Ventiltriebsbauteile und stellt auf diese Weise die Funktionstüchtigkeit des Ventiltriebes sicher. Vorteilhaft wirkt sich dies auch auf die Steuerzeiten und das Ventilspiel aus.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Reibleistung des Ventiltriebs und dem Verschleiß optimiert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Nockenfolgeelement für jedes Ventil ein Stößel ist. Ein Stößel kann in einfacher Weise als hydraulisch zuschaltbares Nockenfolgeelement ausgeführt werden, das mit Öldruck beaufschlagt wird, damit der dann zugeschaltete Stößel als im Kraftfluss befindliches Nockenfolgeelement Kräfte vom Nocken auf das Ventil überträgt, bzw. vom Öldruck getrennt wird, um im abgeschalteten Zustand die Kraftübertragung vom Nocken auf das Ventil zu unterbinden.
Das mindestens eine Nockenfolgeelement kann auch ein Kipphebel oder ein Schwinghebel sein. Durch die Verwendung von Hebeln wird ausreichend Bauraum zur Verfügung gestellt, um den Ventiltrieb im Zylinderkopf anzuordnen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sowohl eine Einlassnockenwelle für das mindestens eine Einlassventil als auch eine Auslassnockenwelle für das mindestens eine Auslassventil vorgesehen sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Nockenwelle eine obenliegende Nockenwelle ist. Vorteilhaft bei der Verwendung von obenliegenden Nockenwellen ist, dass insbesondere durch den Wegfall der Stoßstange die bewegte Masse des Ventiltriebes reduziert wird und der Ventiltrieb starrer, d. h. weniger elastisch ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für die Ventilfeder des mindestens einen Ventils mindestens zwei Auflager vorgesehen sind, an denen sich die Ventilfeder abstützt. Ein Auflager kann als Teil der Verstellvorrichtung ausgebildet und in vorteilhafter Weise zum Variieren der Vorspannkraft eingesetzt werden.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein erstes Auflager beweglich ausgeführt ist und mittels Verstellvorrichtung bewegbar ist, um die Vorspannkraft der dazugehörigen Ventilfeder zu verändern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Ventil ein Hubventil ist, welches über einen Schaft verfügt und bei umlaufender Nockenwelle eine oszillierende Hubbewegung in Richtung seiner Längsachse vollzieht. Hubventile zur Steuerung des Ladungswechsels eignen sich als Steuerorgane vorliegend besonders, weil der Schaft des Hubventils in vorteilhafter Weise die Möglichkeit bietet, eine Feder, beispielsweise ein Schraubenfeder, in der Art anzuordnen, dass das Hubventil in Richtung Schließstellung vorgespannt wird und sich die Vorspannkraft verstellen lässt.
Ist das mindestens eine Ventil ein Hubventil sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das mindestens eine Hubventil über eine Ventilplatte als zweites Auflager für die Ventilfeder verfügt, wobei die Ventilplatte starr mit dem Schaft verbunden ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ventilplatte an dem Ende des Schaftes angeordnet ist, das der Ventilbetätigungseinrichtung zugewandt und vom Zylinder abgewandt ist.
Bei Verwendung eines Hubventils sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager relativ zum Schaft des Hubventils bewegbar ist und mittels Verstellvorrichtung entlang der Längsachse des Ventils bewegbar ist, um die Vorspannkraft der dazugehörigen Ventilfeder zu verändern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager ein plattenförmiges Element umfasst, welches mit einem Durchgang für den Schaft ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager zwischen dem zweiten Auflager und dem Zylinder angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager eine mit Öl beaufschlagbare Druckkammer mit begrenzt.
Vorliegend wird das erste Auflager mit dem in der Druckkammer herrschenden Öldruck beaufschlagt, d. h. unter Verwendung des in der Druckkammer vorliegenden Öldrucks gesteuert und bewegt. Diese Ausführung der Verstellvorrichtung bietet gleich mehrere Vorteile.
Zum einen ist die Verwendung von Schmieröl, d. h. Motoröl, als Arbeitsfluid unschädlich, beispielsweise im Gegensatz zu Wasser, das eine Korrosionsproblematik mit sich bringt. Zum anderen wird der Ventiltrieb in der Regel zwecks Schmierung ohnehin mit Öl versorgt, wozu im Zylinderkopf in der Regel Versorgungsbohrungen für die Schmierung des Ventiltriebs vorgesehen sind, so dass Öl grundsätzlich verfügbar ist.
Das hydraulisch steuerbare Auflager ist eine vergleichsweise kostengünstige Alternative, die Verstellvorrichtung auszubilden, insbesondere im Vergleich zu einer elektrischen Verstellvorrichtung, die grundsätzlich eine Alternative darstellt, aber eine komplexe elektrische Betätigung mittels Motorsteuerung erfordert.
Zudem kann die Druckkammer mit dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine verbindbar ausgebildet und auf diese Weise mit Öl versorgt werden, wodurch sich zahlreiche Synergieeffekte ergeben.
In diesem Zusammenhang muss berücksichtigt werden, dass der Öldruck im Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine variiert. Die üblicherweise mittels Zugmitteltrieb von der Kurbelwelle angetriebene Ölpumpe der Brennkraftmaschine fördert dabei in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle, d. h. der Drehzahl der Brennkraftmaschine, mehr oder weniger Öl durch den Kreislauf. Der Öldruck ändert sich dabei ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl und zwar in der Weise, dass bei höheren Drehzahlen ein höherer Öldruck und bei niedrigen Drehzahlen ein niedrigerer Öldruck vorliegt.
Ein sich derart ändernder Öldruck korrespondiert in vorteilhafter Weise mit dem in der Druckkammer erforderlichen Öldruck zur Einstellung der momentan notwendigen Vorspannkraft der Ventilfeder, denn eine höhere Drehzahl erfordert eine höhere Vorspannkraft, um den Kraftschluss im Ventiltrieb sicherzustellen, wobei die höhere Vorspannkraft durch den höheren Öldruck bei der höheren Drehzahl generiert wird.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Druckkammer via Versorgungskanal mit einem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine verbindbar ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Druckkammer zwischen dem beweglich ausgeführten ersten Auflager und dem Zylinder angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Versorgungskanal ein Rückschlagventil angeordnet ist, damit sich der Öldruck in der Druckkammer nicht ungewollt abbauen kann, insbesondere unter Belastung, d. h. bei umlaufender Nockenwelle, aufrechterhalten werden kann.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Pumpe im Ölkreislauf eine Flügelzellenpumpe ist. Eine Flügelzellenpumpe arbeitet wie eine Kolbenpumpe nach dem Verdrängungsprinzip, aber im Gegensatz zu dieser nicht oszillierend und damit intermittierend, sondern rotierend und damit kontinuierlich, was als vorteilhaft anzusehen ist. In einem als Stator dienenden Hohlzylinder läuft ein weiterer als Rotor dienender Zylinder um, wobei die Drehachse des Rotors exzentrisch zum Stator angeordnet ist. Im Rotor sind mehrere radial angeordnete Schieber translatorisch verschiebbar gelagert, die den Raum zwischen Stator und Rotor in mehrere Kammern unterteilen.
Die Fördermenge der Pumpe kann durch Verstellen der Exzentrizität des Rotors verändert werden, wobei eine vergrößerte Fördermenge zu einem erhöhten Öldruck am Pumpenausgang führt. Ein Verstellen der Exzentrizität kann mittels Motorsteuerung unter Verwendung eines elektrisch steuerbaren Ventils erfolgen, wobei das Ventil eine Öldruckleitung zur Flügelzellenpumpe freigibt oder versperrt, wodurch Einfluss genommen wird auf die Exzentrizität des Rotors.
Bei einer derart verstellbaren Flügelzellenpumpe handelt es sich um eine variabel einstellbare Ölpumpe im Gegensatz zu der üblicherweise eingesetzten oben beschriebenen Standardpumpe, bei der die Fördermenge und der Öldruck infolge des starren Übersetzungsverhältnisses des Zugemittelantriebs streng mit der Drehzahl korrelieren, auch wenn bei Pumpen der letztgenannten Art bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl der funktionale Zusammenhang zwischen Drehzahl und Fördermenge bzw. Förderdruck konstruktiv aufgelöst wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ventilfeder des mindestens einen Ventils eine Schraubenfeder ist.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer vorstehend beschriebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorspannkraft der Ventilfeder des mindestens einen Ventils mit zunehmender Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine erhöht wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Entsprechend den unterschiedlichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind auch unterschiedliche Verfahrensvarianten erforderlich bzw. zielführend, wozu auch auf die entsprechenden gegenständlichen Merkmale der Brennkraftmaschine und die dazugehörigen Ausführungen Bezug genommen wird.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager eine mit Öl beaufschlagbare Druckkammer mit begrenzt, die via Versorgungskanal mit einem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine verbindbar ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die Vorspannkraft der Ventilfeder durch Anheben des Drucks des in der Druckkammer befindlichen Öls mittels einer im Ölkreislauf angeordneten Ölpumpe erhöht wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch Teile des Ventiltriebs einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten, und
2 schematisch den Ölkreislauf einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Ventiltriebanschluss.
1 zeigt schematisch Teile des Ventiltriebs 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten.
Der Ventiltrieb 1 umfasst als Ventil 2 ein Hubventil 3, das über einen Schaft 3a verfügt. An dem Ende des Schaftes 3a, das dem Zylinder 14 zugewandt ist, ist ein Ventilteller 3c angeordnet. Das Hubventil 3 ist zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar, um eine Einlass- bzw. Auslassöffnung des Zylinders 14 freizugeben oder zu versperren (nicht dargestellt). Bei umlaufender Nockenwelle 5 führt das Hubventil 3 eine oszillierende Hubbewegung in Richtung seiner Längsachse 3b aus. Um das Ventil 2 in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, ist eine Ventilfeder 4 vorgesehen. Bei dem in 1 dargestellten Ventiltrieb 1 wird als Ventilfeder 4 eine Schraubenfeder 4a verwendet.
Es sind zwei Auflager 8a, 8b vorgesehen, an denen sich die Ventilfeder 4 abstützt. Als erstes Auflager 8a dient ein plattenförmiges Element 9a, welches mit einem Durchgang 9a´ für den Schaft 3a des Hubventils 3 ausgestattet ist. Dieses erste Auflager 8a ist relativ zum Schaft 3a des Hubventils 3 entlang der Längsachse 3b des Ventils 2 bewegbar. Als zweites Auflager 8b dient eine Ventilplatte 9b, die starr mit dem Schaft 3a verbunden ist, wobei die Ventilplatte 9b an dem Ende des Schaftes 3a angeordnet ist, das vom Zylinder 14 abgewandt ist.
Zur Betätigung des Ventils 2 ist eine Ventilbetätigungseinrichtung 1a vorgesehen, mit der das Ventil 2 entgegen der Vorspannkraft der Ventilfeder 4 geöffnet werden kann. Die Ventilbetätigungseinrichtung 1a umfasst eine Nockenwelle 5 mit einem Nocken 5a und einem als Nockenfolgeelement 6 dienenden Stößel 6a, der im Kraftfluss zwischen Nocken 5a und Ventil 2 an dem Ende des Schaftes 3a angeordnet ist, das vom Zylinder 14 abgewandt ist. Bei umlaufender Nockenwelle 5 oszilliert das Hubventil 3.
Die Vorspannkraft der Ventilfeder 4 kann mittels Verstellvorrichtung 7 verändert werden, insbesondere bedarfsgerecht, d. h. entsprechend der momentanen Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine, eingestellt werden, um ein Abheben des Nockens 5a vom Stößel 6a bzw. ein Auflösen des Kraftschlusses innerhalb des Ventiltriebs 1 sicher zu vermeiden.
Die Verstellvorrichtung 7 umfasst eine via Versorgungskanal 11 mit Öl beaufschlagbare Druckkammer 10, die im Zylinderkopf 13 angeordnet ist und von dem beweglichen plattenförmigen Element 9a, welches als erstes Auflager 8a dient, mit begrenzt wird. Die Druckkammer 10 ist zwischen dem beweglichen ersten Auflager 8a und dem Zylinder 14 angeordnet.
Die Vorspannkraft der Ventilfeder 4 kann verändert, insbesondere mit zunehmender Motordrehzahl n_mot erhöht werden und zwar durch Anheben des Öldrucks in der Druckkammer 10 mittels einer im Ölkreislauf der Brennkraftmaschine angeordneten Ölpumpe, die via Versorgungsleitung 11 auch mit der Druckkammer 10 kommunizieren kann.
2 zeigt schematisch den Ölkreislauf 12 der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine 15 mitsamt angeschlossenem Ventiltrieb 1. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die von der Brennkraftmaschine 15 angetriebene Ölpumpe 16 fördert aus der Ölwanne 17 stammendes Motoröl via Ölkreislauf 12 zu den verschiedenen Verbrauchern, zu denen auch der Ventiltrieb und die Druckkammer 10 der Verstellvorrichtung gehören. Ein Überdruckventil 18 ist vorgesehen, um den Druck im Ölkreislauf 12 zu begrenzen.
Die Druckkammer 10 ist via Versorgungskanal 11 mit dem Ölkreislauf 12 der Brennkraftmaschine 15 verbindbar, wobei ein Steuerventil 20 eingesetzt wird, um den Öldruck in der Kammer 10 einstellen zu können. Im ersten Schaltungszustand 20a des Steuerventils 20 kann der Druck in der Kammer 10 durch Freischalten der Verbindung zum Ölkreislauf 12 erhöht werden. Um die Kammer 10 vom Ölkreislauf 12 zu trennen und den Druck in der Druckkammer 10 aufrechtzuerhalten, wird das Steuerventil 20 vorzugsweise in den zweiten Schaltungszustand 20b überführt, wobei bereits ein im Versorgungskanal 11 vorgesehenes Rückschlagventil 19 ein Abfließen von Öl auch bei im ersten Schaltungszustand befindlichen Steuerventil 20 verhindert. Im dritten Schaltungszustand 20c des Steuerventils 20 kann der Druck in der Kammer 10 durch Abführen von Öl abgebaut werden.
In Abhängigkeit von dem in der Kammer 10 vorliegenden Öldruck wird das die Kammer 10 mit begrenzende und als erstes Auflager 8a dienende plattenförmige Element 9a mehr oder weniger stark kraftbeaufschlagt und gegen die Federkraft der Ventilfeder 4 verschoben. Auf diese Weise kann die Vorspannkraft der Ventilfeder 4 eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Ventiltrieb
1a: Ventilbetätigungseinrichtung
2: Ventil
3: Hubventil
3a: Schaft des Hubventils
3b: Längsachse des Hubventils
3c: Ventilteller
4: Ventilfeder
4a: Schraubenfeder
5: Nockenwelle
5a: Nocken
6: Nockenfolgeelement
6a: Stößel
7: Verstellvorrichtung
8a: erstes Auflager
8b: zweites Auflager
9a: plattenförmiges Element
9a´: Durchgang
9b: Ventilplatte
10: Druckkammer
11: Versorgungskanal
12: Ölkreislauf der Brennkraftmaschine
13: Zylinderkopf
14: Zylinder, Brennraum
15: Brennkraftmaschine
16: Ölpumpe
17: Ölwanne
18: Überdruckventil
19: Rückschlagventil
20: Steuerventil
20a: erster Schaltzustand
20b: zweiter Schaltzustand
20c: dritter Schaltzustand
n_mot: Drehzahl der Brennkraftmaschine

Claims

Brennkraftmaschine (15) umfassend – mindestens einen Zylinder (14), der mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem aufweist, und – ein Ventil (2) für jede Öffnung, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlass- oder Auslassöffnung freizugeben oder zu versperren, – eine Ventilfeder (4) für jedes Ventil (2), um das Ventil (2) in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und – eine Ventilbetätigungseinrichtung (1a) zur Betätigung der Ventile (2), um ein Ventil (2) entgegen der Vorspannkraft der Ventilfeder (4) zu öffnen, die mindestens eine Nockenwelle (5) mit einem Nocken (5a) für jedes Ventil (2) und mindestens ein Nockenfolgeelement (6) für jedes Ventil (2) umfasst, wobei jedes Nockenfolgeelement (6) im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle (5) und dem dazugehörigen Ventil (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Verstellvorrichtung (7) vorgesehen ist, mit der die Vorspannkraft der Ventilfeder (4) mindestens eines Ventils (2) veränderbar ist.
Brennkraftmaschine (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ventilfeder (4) des mindestens einen Ventils (2) mindestens zwei Auflager (8a, 8b) vorgesehen sind, an denen sich die Ventilfeder (4) abstützt.
Brennkraftmaschine (15) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Auflager (8a) beweglich ausgeführt ist und mittels Verstellvorrichtung (7) bewegbar ist, um die Vorspannkraft der dazugehörigen Ventilfeder (4) zu verändern.
Brennkraftmaschine (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (2) ein Hubventil (3) ist, welches über einen Schaft (3a) verfügt und bei umlaufender Nockenwelle (5) eine oszillierende Hubbewegung in Richtung seiner Längsachse (3b) vollzieht.
Brennkraftmaschine (15) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hubventil (3) über eine Ventilplatte (9b) als zweites Auflager (8b) für die Ventilfeder (4) verfügt, wobei die Ventilplatte (9b) starr mit dem Schaft (3a) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (15) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (9b) an dem Ende des Schaftes (3a) angeordnet ist, das der Ventilbetätigungseinrichtung (7) zugewandt und vom Zylinder (14) abgewandt ist.
Brennkraftmaschine (15) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager (8a) relativ zum Schaft (3a) des Hubventils (3) bewegbar ist und mittels Verstellvorrichtung (7) entlang der Längsachse (3b) des Ventils (3) bewegbar ist, um die Vorspannkraft der dazugehörigen Ventilfeder (4) zu verändern.
Brennkraftmaschine (15) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager (8a) ein plattenförmiges Element (9a) umfasst, welches mit einem Durchgang (9a´) für den Schaft (3a) ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine (15) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager (8a) zwischen dem zweiten Auflager (8b) und dem Zylinder (14) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (15) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager (8a) eine mit Öl beaufschlagbare Druckkammer (10) mit begrenzt.
Brennkraftmaschine (15) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (10) via Versorgungskanal (11) mit einem Ölkreislauf (12) der Brennkraftmaschine (15) verbindbar ist.
Brennkraftmaschine (15) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (10) zwischen dem beweglich ausgeführten ersten Auflager (8a) und dem Zylinder (14) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilfeder (4) des mindestens einen Ventils (2) eine Schraubenfeder (4a) ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft der Ventilfeder (4) des mindestens einen Ventils (2) mit zunehmender Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine (15) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 14 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (15) nach Anspruch 11, bei der das mindestens eine beweglich ausgeführte erste Auflager (8a) eine mit Öl beaufschlagbare Druckkammer (10) mit begrenzt, die via Versorgungskanal (11) mit einem Ölkreislauf (12) der Brennkraftmaschine (15) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft der Ventilfeder (4) durch Anheben des Drucks des in der Druckkammer (10) befindlichen Öls mittels einer im Ölkreislauf (12) angeordneten Ölpumpe (16) erhöht wird.