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Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb umfassend mindestens ein Ventil und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung dieses mindestens einen Ventils, welche mindestens eine Nockenwelle mit mindestens einem Nocken, Ventilfedermittel und als Nockenfolgeelement mindestens einen Schwinghebel umfasst, wobei der mindestens eine Schwinghebel sich an einem Ende an einem Auflager abstützt und sich am gegenüberliegenden Ende in Eingriff befindet mit dem mindestens einen Ventil, so dass das mindestens eine Ventil bei umlaufender Nockenwelle infolge Auslenkung des Schwinghebels durch den mindestens einen Nocken entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel in Richtung Ventiloffenstellung verschiebbar ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Ventiltriebs bei Brennkraftmaschinen.
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Brennkraftmaschinen werden beispielsweise als Antriebe für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.
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Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in den Zylinder, d. h. den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
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Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung eines Ottomotors entwickelt.
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Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder bzw. in die in dem Zylinder befindliche Ladeluft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.
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Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten unveränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse bzw. Ladeluftmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert.
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Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine solche Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
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Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf und tolerieren höhere Abgasrückführraten.
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Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
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Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last – wie vorstehend beschrieben – mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbauchs bzw. Wirkungsgrades.
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Ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist auch bei Dieselmotoren die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Dieselmotors im Teillastbetreib kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung auch beim Dieselmotor die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird zu höheren Lasten hin verschoben.
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Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder tolerieren zudem aufgrund der größeren zugeführten Kraftstoffmasse, d. h. aufgrund des fetteren Gemisches, höhere Abgasrückführraten. Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
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Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
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Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf, wie im Folgenden kurz und beispielhaft am Dieselmotor erläutert wird.
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Wird bei einem direkteinspritzenden Dieselmotor zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden, d. h. eingestellt, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieser Zylinder nicht deaktiviert wird bzw. nicht deaktiviert werden kann. Die dabei durch die abgeschalteten Zylinder generierten Ladungswechselverluste mindern die durch die Teilabschaltung erzielten Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und Wirkungsgrades und stehen diesen entgegen, so dass der Nutzen der Teilabschaltung zumindest teilweise verloren geht, d. h. die Teilabschaltung in der Summe tatsächlich eine weniger deutliche Verbesserung mit sich bringt als beabsichtigt.
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Um die Teilabschaltung effektiv zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Ladungswechselverluste der abgeschalteten Zylinder minimiert werden. Schaltbare Ventiltriebe bzw. variable Ventiltriebe können dabei zielführend sein.
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Insofern können variable Ventiltriebe nicht nur zur Entdrosselung von Ottomotoren eingesetzt, sondern auch zur Optimierung der Teilabschaltung bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen variablen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der eine Deaktivierung des mindestens einen Ventils bei Teilabschaltung und gegebenenfalls eine Variation des Ventilhubs gestattet.
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Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verwendung für einen derartigen Ventiltrieb bei Brennkraftmaschinen aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch einen variablen Ventiltrieb umfassend mindestens ein Ventil und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung dieses mindestens einen Ventils, welche mindestens eine Nockenwelle mit mindestens einem Nocken, Ventilfedermittel und als Nockenfolgeelement mindestens einen Schwinghebel umfasst, wobei der mindestens eine Schwinghebel sich an einem Ende an einem Auflager abstützt und sich am gegenüberliegenden Ende in Eingriff befindet mit dem mindestens einen Ventil, so dass das mindestens eine Ventil bei umlaufender Nockenwelle infolge Auslenkung des Schwinghebels durch den mindestens einen Nocken entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel in Richtung Ventiloffenstellung verschiebbar ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – das Auflager mindestens eines Schwinghebels beweglich ausgeführt ist, wodurch die Kinematik der Ventilbetätigungseinrichtung und damit der Hub des dazugehörigen Ventils veränderbar sind.
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Die für die Bewegung des mindestens einen Ventils vorgesehene Ventilbetätigungseinrichtung einschließlich des mindestens einen Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Grundsätzlich ist es die Aufgabe eines Ventiltriebs, die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder freizugeben und zu verschließen.
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Die Ventilbetätigungseinrichtung des erfindungsgemäßen Ventiltriebs umfasst mindestens eine Nockenwelle mit mindestens einem Nocken. Diese Nockenwelle wird beispielsweise mittels eines Zugmitteltriebs von der Kurbelwelle in Drehung versetzt und zwar beim Viertaktverfahren mit der halben Kurbelwellendrehzahl. Ein Arbeitsspiel erstreckt sich dabei über zwei Kurbelwellenumdrehungen und umfasst vier Arbeitstakte, nämlich neben dem Ansaugen und dem Ausschieben auch das Komprimieren und das Expandieren infolge der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Der mindestens eine umlaufende Nocken dient der Betätigung des mindestens einen Ventils, wobei erfindungsgemäß ein Schwinghebel als Nockenfolgeelement im Kraftfluss zwischen dem Nocken und dem Ventil angeordnet ist. Bei umlaufender Nockenwelle greift der Nocken in den Schwinghebel ein und lenkt diesen aus. Der Schwinghebel dreht dabei um ein Auflager, welches als Drehpunkt dient, und verschiebt bei Auslenkung durch den Nocken das mindestens eine Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel in Richtung Ventiloffenstellung.
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Der maximale Ventilhub wird dabei durch die maximale Auslenkbewegung des Schwinghebels determiniert und zwar durch die maximale Auslenkbewegung des Schwinghebelendes, mit dem der Schwinghebel sich in Eingriff befindet mit dem Ventil.
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Wird das für den Hub relevante Schwinghebelende nicht ausgelenkt, entfällt auch die Verschiebebewegung des Ventils und die zugehörige Ventilöffnung bleibt geschlossen. Das Ventil ist dann deaktiviert, d. h. abgeschaltet.
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Gemäß dem Stand der Technik ist das Auflager für den Schwinghebel unbeweglich gegenüber den übrigen Ventiltriebskomponenten ausgeführt. Das Auflager bildet auf diese Weise einen unveränderbaren, raumfixen Drehpunkt für die Auslenkbewegung des Schwinghebels.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb hingegen ist das Auflager mindestens eines Schwinghebels beweglich ausgeführt, so dass die Auslenkbewegung des entsprechenden Schwinghebels und damit die Kinematik der gesamten Ventilbetätigungseinrichtung sowie die Verschiebebewegung des mindestens einen Ventils veränderbar sind; zumindest soweit das beweglich ausgeführte Auflager nicht durch andere Maßnahmen fixiert wird bzw. ist.
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Der erfindungsgemäße Ventiltrieb gestattet eine Ausweichbewegung des Auflagers, wenn der Nocken in den Schwinghebel eingreift und der Schwinghebel sich an dem Auflager abzustützen versucht, und ist damit grundsätzlich geeignet sowohl für eine Deaktivierung, d. h. eine Abschaltung des dazugehörigen Ventils als auch für eine Veränderung bzw. Einstellung des Ventilhubs dieses Ventils.
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Mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein variabler Ventiltrieb bereitgestellt, der eine Deaktivierung des mindestens einen Ventils bei Teilabschaltung und gegebenenfalls eine Variation des Ventilhubs gestattet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen das mindestens eine beweglich ausgeführte Auflager mittels Arretierung fixierbar ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventiltriebs gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen das mindestens eine beweglich ausgeführte Auflager translatorisch verschiebbar in einer Führung gelagert ist und sich in Eingriff befindet mit Federmitteln, welche sich an der Führung abstützen und das Auflager in Richtung Schwinghebel kraftbeaufschlagen, und eine Steuerwelle mit mindestens einem nockenähnlichen Steuerelement vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Steuerelement sich in Eingriff befindet mit der Führung und befähigt ist, bei Verdrehen der Steuerwelle die Führung entgegen der Federkraft der Federmittel in Richtung Schwinghebel zu verschieben und damit den zur Verfügung stehenden freien Verschiebeweg des Auflagers zu verkürzen.
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Die Steuerwelle dient der Einstellung des freien Verschiebeweges des Auflagers, d. h. der Wegstrecke, über welche das beweglich ausgeführte Auflager translatorisch verschoben werden kann, wenn der Nocken in den Schwinghebel eingreift, der Schwinghebel sich an dem Auflager abstützt und dabei das Auflager im Rahmen einer Ausweichbewegung in der Führung verschoben wird.
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Damit dient die Steuerwelle auch der Einstellung des Ventilhubs. Je kürzer der freie Verschiebeweg des Auflagers gewählt wird desto größer fällt der Ventilhub aus. Falls die Bewegung des Schwinghebels das Auflager nicht zum Anschlag bringt, wird der zur Verfügung stehende freie Verschiebeweg nicht vollständig ausgenutzt bzw. gerade noch in Anspruch genommen. Dabei unterbleibt eine Ventilbewegung. Das Ventil ist deaktiviert.
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Zusätzlich übernimmt die Steuerwelle auch die Funktion einer Arretierung, nämlich der Fixierung der Führung und damit die Fixierung des eingestellten freien Verschiebeweges sowie die eingestellten Ventilhubs.
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Das mindestens eine Steuerelement der Steuerwelle ist nockenähnlich ausgebildet, so dass mit zunehmender Drehbewegung der Steuerwelle, d. h. mit zunehmendem Verdrehwinkel, die Verschiebebewegung der Führung in Richtung Schwinghebel ebenfalls zunimmt und der zur Verfügung stehende freie Verschiebeweg des Auflagers verkürzt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen die Führung tassenstößelähnlich ausgebildet ist, in der Art einer an einem Ende geschlossen und an dem anderen Ende offen ausgebildeten Hülse. Die kappenförmige Hülse der vorstehenden Ausführungsform kann trotz ihrer einfachen Gestalt ähnlich einem Tassenstößel sämtliche Funktionen, die ihr zugewiesen sind, übernehmen. So kann die Hülse an ihrem geschlossenen Ende mittels Steuerelement kraftbeaufschlagt und verschoben werden und dem beweglich ausgeführten Auflager als Führung für eine translatorische Verschiebung dienen. Des Weiteren kann eine derartige Hülse die Federmittel aufnehmen und diesen Federmitteln als Anschlag dienen, um einen Kraftschluss zwischen Steuerwelle, Führung, Auflager und Schwinghebel sicherzustellen.
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Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs vorteilhaft, bei denen die Hülse im Kraftfluss zwischen der Steuerwelle und dem Auflager angeordnet ist, wobei das eine geschlossene Ende der Steuerwelle und das andere offene Ende dem Auflager zugewandt ist.
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Vorteilhaft sind ebenfalls aus den genannten Gründen Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen das beweglich ausgeführte Auflager via dem offenen Ende der Hülse in die Hülse hineinragt, wobei die Federmittel sich an dem Auflager und an dem geschlossenen Ende der Hülse abstützen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen als Federmittel eine Schraubenfeder vorgesehen ist. Eine Schraubenfeder ist ein günstiges Federmittel, welches in großer Vielfalt verfügbar ist. Insofern ist es mittels Schraubenfeder auch in einfacher Weise möglich, die erforderliche Federkraft bzw. Rückstellkraft durch Wahl der geeigneten Schraubenfeder einzustellen, d. h. zu realisieren.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen die Hülse an dem geschlossenen Ende einen Dorn aufweist, der in die Schraubenfeder hineinragt, wobei der Dorn vorzugsweise länger ist als die Kompressionshöhe der Schraubenfeder. Der Dorn dient der Schraubenfeder – neben der kappenförmigen Hülse – als zusätzliche Führung, wobei das freie Ende des Dorns, d. h. die dem Auflager zugewandte Stirnseite des Dorns, dem Auflager vorzugsweise als Anschlag dient, um zu verhindern, dass die Schraubenfeder vollständig komprimiert wird und die Schraubenfederwindungen zur Anlage gebracht werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen die Federmittel der Führung des mindestens einen beweglich ausgeführten Auflagers und die Ventilfedermittel des dazugehörigen Ventils in der Art aufeinander abgestimmt sind, dass bei umlaufender Nockenwelle die Federmittel einer Ausweichbewegung des Schwinghebels einen geringeren Widerstand entgegen setzen als die Ventilfedermittel.
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Die vorstehende Ausführungsform stellt sicher, dass das beweglich ausgeführte Auflager bzw. die das Auflager belastenden Federkräfte der Federmittel dem Schwinghebel einen geringeren Widerstand entgegensetzen als die Ventilfedermittel. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der von der Nockenwelle kraftbeaufschlagte und zwangsgesteuerte Schwinghebel zunächst das beweglich ausgeführte Auflager in der Führung verschiebt und erst dann das Ventil in Richtung Ventiloffenstellung verschiebt, wenn das Auflager den zur Verfügung stehenden freien Verschiebeweg vollständig ausgenutzt hat und auf einem Anschlag anliegt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen der mindestens eine Schwinghebel eine Rolle umfasst, welche zwischen den beiden Enden des Schwinghebels drehbar gelagert ist und sich bei umlaufender Nockenwelle zumindest zeitweise mit dem mindestens einen Nocken in Eingriff befindet.
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Die vorstehende Ausführungsform reduziert die Reibleistung des Ventiltriebs erheblich. Vorzugsweise rollt der Nocken mit seiner Kontur, d. h. mit seiner Nockenmantelfläche auf der Oberfläche der Rolle ab. Idealerweise liegt dabei zwischen Nocken und Rolle keine Relativbewegung vor.
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Auf diese Weise wird auch der Verschleiß von Nocken und Rolle minimiert. Ein Materialabtrag hätte Einfluss auf das Ventilspiel, den Ventilhub und die Steuerzeiten und damit auf die Funktionstüchtigkeit des Ventiltriebes.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen das mindestens eine Ventil ein Hubventil ist.
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Hubventile sind entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar, d. h. verschiebbar, um eine Öffnung eines Zylinders freizugeben bzw. zu versperren. Im Rahmen des Ladungswechsels wird eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt, um die Drosselverluste in den ein- und ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Zylinder bzw. ein effektives Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten. Hubventile haben sich dabei als überaus vorteilhaft erwiesen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen als Ventilfedermittel für das mindestens eine Ventil eine Schraubenfeder vorgesehen ist. Es wird Bezug genommen auf die bereits im Zusammenhang mit den Federmitteln gemachten Ausführungen hinsichtlich Schraubenfedern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs, bei denen das zu einem beweglich ausgeführten Auflager gehörende Ventil durch ein Verdrehen der Steuerwelle abschaltbar ist, so dass eine Betätigung und ein Verschieben des abgeschalteten Ventils mittels Schwinghebel unterbleiben. Vorliegend kann der freie Verschiebeweg des Auflagers derart groß gewählt werden, dass eine Betätigung des Ventils unterbleibt, d. h. das Ventil deaktiviert wird.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des variablen Ventiltriebs sein, bei denen der Hub des zu einem beweglich ausgeführten Auflager gehörenden Ventils durch ein Verdrehen der Steuerwelle einstellbar ist.
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Ist das Ventil ein Einlassventil und ist der Einlassventilhub variabel, kann bei einem Ottomotor die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse bzw. Ladeluftmasse über den Einlassventilhub gesteuert und auf eine Drosselklappe verzichtet werden. Ein variabler Einlassventilhub kann aber auch dazu verwendet werden, im Brennraum eine Ladungsbewegung zu generieren bzw. zu verstärken, insbesondere die einströmende Ladeluft mit einem Drall oder Tumble zu versehen.
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Bei variablen Ventiltrieben mit mindestens zwei Ventilen für Öffnungen verschiedener Zylinder einer Brennkraftmaschine sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen
- – das Auflager des Schwinghebels mindestens eines Ventils beweglich ausgeführt ist, und
- – das Auflager des Schwinghebels mindestens eines Ventils unbeweglich ausgeführt ist.
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Die mindestens zwei Zylinder der Brennkraftmaschine sind vorliegend in der Art konfiguriert, dass sie zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist, d. h. ein ständig in Betrieb befindlicher Zylinder, und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet werden kann.
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Mindestens ein Ventil des lastabhängig schaltbaren Zylinders gehört dabei zu einem variablen Ventiltrieb gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Schwinghebel, der dieses mindestens eine Ventil betätigt, sich an einem Auflager abstützt, das beweglich ist. Dies gewährleistet, den Zylinder bzw. den dazugehörigen Ventiltrieb im Bedarfsfall abschalten zu können, und zwar in der Weise dass der Zylinder bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine nicht mehr am Ladungswechsel teilnimmt und folglich bei Teilabschaltung keine Ladungswechselverluste mehr generiert.
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Mindestens ein Ventil des auch bei Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylinders gehört hingegen nicht zu einem variablen Ventiltrieb. Der Schwinghebel dieses mindestens einen Ventils stützt sich an einem unbeweglichen Auflager ab, so dass die Steuerzeiten und der Hub dieses mindestens einen Ventils unveränderbar sind.
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Bei variablen Ventiltrieben mit mindestens zwei Ventilen für Öffnungen verschiedener Zylinder einer Brennkraftmaschine sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Steuerwelle mindestens zwei Steuerelemente für die mindestens zwei Ventile aufweist, wobei diese Steuerelemente unterschiedlich ausgebildet sind in der Art, dass mindestens ein Steuerelement zwecks Verschieben der zugehörigen Führung infolge eines Verdrehens der Steuerwelle nockenähnlich ausgebildet ist und mindestens ein Steuerelement eine Gestalt aufweist, die beim Verdrehen der Steuerwelle ein Verschieben der zugehörigen Führung unterlässt.
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Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform weisen vorliegend beide Zylindergruppen, nämlich sowohl der mindestens eine schaltbare Zylinder als auch der mindestens eine ständig in Betrieb befindliche Zylinder mindestens ein Ventil auf, dessen Schwinghebel sich an einem beweglichen Auflager abstützt.
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Die Ventilbetätigungseinrichtung des dem schaltbaren Zylinder zugeordneten Ventils umfasst ein nockenähnlich ausgebildetes auf der Steuerwelle angeordnetes Steuerelement, um durch Verdrehen der Steuerwelle die zugehörige Führung verschieben zu können. Die Führung des dem ständig in Betrieb befindlichen Zylinder zugeordneten Ventils hingegen wird beim Verdrehen der Steuerwelle nicht verschoben, wozu das Steuerelement eine entsprechende Gestalt aufweist.
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Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe wird gelöst durch eine Verwendung des variablen Ventiltriebs zur Teilabschaltung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem abschaltbaren Zylinder, der mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Einlassventil der mindestens einen Einlassöffnung des mindestens einen abschaltbaren Zylinders Bestandteil des variablen Ventiltriebs ist, wobei die Kinematik der Ventilbetätigungseinrichtung dieses Einlassventils zum Zwecke der Teilabschaltung in der Art verändert wird, dass ein Verschieben des Einlassventils bei umlaufender Nockenwelle unterbleibt.
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Das bereits für den erfindungsgemäßen Ventiltrieb Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Verwendung. Entsprechend den unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventiltriebs sind auch unterschiedliche Varianten bei der Verwendung möglich, wozu auch auf die entsprechenden gegenständlichen Merkmale des Ventiltriebs und die dazugehörigen Ausführungen Bezug genommen wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a, 1b und 1c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a schematisch Teile einer ersten Ausführungsform des variablen Ventiltriebs mit abgeschaltetem Ventil,
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1b schematisch Teile des in 1a dargestellten Ventiltriebs mit reduziertem Ventilhub, und
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1c schematisch Teile des in 1a dargestellten Ventiltriebs mit maximalem Ventilhub.
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1a zeigt schematisch Teile einer ersten Ausführungsform des variablen Ventiltriebs 1 mit abgeschaltetem Ventil 1b. Das Ventil 1b ist ein Hubventil 1e.
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Die Ventilbetätigungseinrichtung 1a zur Betätigung des Ventils 1b umfasst eine Nockenwelle 2 mit einem Nocken 2a, Ventilfedermittel 1c in Gestalt einer Schraubenfeder 1d und als Nockenfolgeelement 3 einen Schwinghebel 3a, der im Kraftfluss zwischen dem Nocken 2a und dem Ventil 1b angeordnet ist. Der Schwinghebel 3a stützt sich an einem Ende 3a` an einem beweglichen Auflager 4 ab und befindet sich am gegenüberliegenden Ende 3a`` in Eingriff mit dem Ventil 1b. Mittig, zwischen den beiden Enden 3a`, 3a`` des Schwinghebels 3a, ist eine Rolle 3b drehbar im Schwinghebel 3a gelagert, in die der Nocken 2a bei umlaufender Nockenwelle 2 eingreift. Dabei rollt der Nocken 2a mit seiner Mantelfläche auf der Rolle 3b ab und lenkt den Schwinghebel 3a aus. Der Schwinghebel 3a vollzieht eine Ausweichbewegung, wobei grundsätzlich das Ventil 1b am ventilseitigen Ende 3a`` des Schwinghebels 3a entgegen der Vorspannkraft der Schraubenfeder 1d in Richtung Ventiloffenstellung und/oder das bewegliche Auflager 4 am auflagerseitigen Ende 3a` verschoben werden kann. Die tatsächliche Ausweichbewegung des Schwinghebels 3a wird bestimmt durch die Position, d. h. den Drehwinkel der Steuerwelle 7, wie im Folgenden erläutert wird.
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Das beweglich ausgeführte Auflager 4 ist translatorisch verschiebbar in einer Führung 5 gelagert und steht in Eingriff mit Federmitteln 6 in Gestalt einer Schraubenfeder 6a. Bei der in 1a dargestellten Ausführungsform dient eine kappenförmige Hülse 5a mit einem geschlossenen Ende 5a` und einem offenen Ende 5a`` als Führung 5. Das Auflager 4 ragt am offenen Ende 5a`` in die Hülse 5a hinein und wird von der Schraubenfeder 6a, die sich am geschlossenen Ende 5a` der Hülse 5a abstützt, kraftbeaufschlagt. Vorliegend verfügt die Hülse 5a an ihrem geschlossenen Ende 5a` über einen Dorn 5b, der in die Schraubenfeder 6a hineinragt und als zusätzliche Führung dient. Die Hülse 5a liegt im Kraftfluss zwischen der Steuerwelle 7 und dem Auflager 4 und wird am geschlossenen Ende 5a` mittels auf der Steuerwelle 7 angeordnetem Steuerelement 7a kraftbeaufschlagt.
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Die Steuerwelle 7 dient der Einstellung des freien Verschiebeweges des Auflagers 4. Hierzu ist das Steuerelement 7a nockenähnlich ausgebildet, so dass mit zunehmendem Verdrehwinkel die Hülse 5a in Richtung Schwinghebel 3a verschoben wird. Dabei taucht das Auflager 4 tiefer in die Hülse 5a ein und komprimiert die Schraubenfeder 6a. Der zur Verfügung stehende freie Verschiebeweg des Auflagers 4 wird infolgedessen verkürzt.
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Bei der in 1a dargestellten Position der Steuerwelle 7 verfügt das Auflager 4 über den maximalen freien Verschiebeweg. Wenn der Nocken 2a in den Schwinghebel 3a eingreift, stützt sich der Schwinghebel 3a mit dem auflagerseitigen Ende 3a` am Auflager 4 ab und schiebt das Auflager 4 im Rahmen einer Ausweichbewegung in die Hülse 5a hinein. Die das Auflager 4 belastenden Federkräfte der Federmittel 6 bieten dem Schwinghebel 3a einen geringeren Widerstand als die Schraubenfeder 1d des Ventils 1b. Eine Betätigung, d. h. ein Verschieben des Hubventils 1e unterbleibt. Das Hubventil 1e ist abgeschaltet, d. h. deaktiviert.
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Die 1b und 1c zeigen den in 1a dargestellten Ventiltrieb 1 mit reduziertem Ventilhub bzw. mit maximalem Ventilhub. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Position der Steuerwelle 7 bzw. des Ventiltriebs 1 erläutert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Position der Steuerwelle 7 ist bei dem in 1b dargestellten Ventiltrieb 1 die Steuerwelle 7 entgegen dem Uhrzeigersinn leicht verdreht, infolgedessen die Hülse 5a durch das nockenähnliche Steuerelement 7a weiter in Richtung Schwinghebel 3a verschoben ist. Dadurch ist der zur Verfügung stehende freie Verschiebeweg des Auflagers 4 verkürzt. Auf diese Weise wird erreicht, dass der von der Nockenwelle 2 kraftbeaufschlagte und zwangsgesteuerte Schwinghebel 3a zunächst das beweglich ausgeführte Auflager 4 in die Hülse 5a verschiebt und erst dann das Ventil 1b in Richtung Ventiloffenstellung verschiebt, wenn das Auflager 4 den zur Verfügung stehenden freien Verschiebeweg vollständig ausgenutzt hat und auf dem als Anschlag dienenden Dorn 3b anliegt. Das Ventil 1b wird gemäß 1b geöffnet, aber mit reduziertem Ventilhub.
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Im Unterschied zu der in 1b dargestellten Position der Steuerwelle 7 ist bei dem in 1c dargestellten Ventiltrieb 1 die Steuerwelle 7 so weit entgegen dem Uhrzeigersinn verdreht, dass das Auflager 4 auf dem Dorn 3b aufliegt, d. h. dem Auflager 4 kein freier Verschiebeweg mehr zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der von der Nockenwelle 2 kraftbeaufschlagte und zwangsgesteuerte Schwinghebel 3a sich am Auflager 4 abstützen kann und das Ventil 1b in Richtung Ventiloffenstellung verschiebt, sobald die Nockenwelle 2 in den Schwinghebel 3a eingreift. Das Ventil 1b wird gemäß 1c mit maximalem Ventilhub geöffnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Variabler Ventiltrieb
- 1a
- Ventilbetätigungseinrichtung
- 1b
- Ventil
- 1c
- Ventilfedermittel
- 1d
- Schraubenfeder
- 1e
- Hubventil
- 2
- Nockenwelle
- 2a
- Nocken
- 3
- Nockenfolgeelement
- 3a
- Schwinghebel
- 3a`
- ein Ende des Schwinghebels, auflagerseitiges Ende
- 3a``
- anderes gegenüberliegendes Ende des Schwinghebels, ventilseitiges Ende
- 3b
- Rolle
- 4
- beweglich ausgeführtes Auflager
- 5
- Führung
- 5a
- Hülse
- 5a`
- offenes Ende der Hülse
- 5a``
- geschlossenes Ende der Hülse
- 5b
- Dorn
- 6
- Federmittel
- 6a
- Schraubenfeder
- 7
- Steuerwelle
- 7a
- nockenähnliches Steuerelement
