DE102015219876A1

DE102015219876A1 - Auslassventilabschaltung

Info

Publication number: DE102015219876A1
Application number: DE102015219876.6A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Weidinger; Alexander Hiereth; Timo Klees
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-04-20
Also published as: CN107709715A; CN107709715B; US20180163583A1; WO2017063941A1; US10513952B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors mit einer Nockenwelle und einer die Nockenwelle umgebenden und axial verschiebbar befestigten Nockenhülse, die einzelnen Ventilen zugeordnete und sich in radialer Richtung erstreckende Nocken aufweist, wobei die Nockenhülse beim Rotieren über einen Aktuator in axialer Richtung gegenüber der Nockenwelle verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenhülse zumindest zwei Axialabschnitte aufweist, die über den in die Axialabschnitte eingreifenden Aktuator in axialer Richtung relativ zueinander versetzbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors mit einer Nockenwelle und einer auf der Nockenwelle verschiebbar angeordneten Nockenhülse, an der die Nocken zum Ventilversatz ausgebildet sind.
Die Ventilsteuerung dient insbesondere der Auslassventilabschaltung als ein Teil der Steuerung zur Zylinderabschaltung bei Verbrennungsmotoren zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs. Mittels Deaktivierung der Einlass- und Auslassventile in Kombination mit einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr werden die Hälfte der Zylinder abgeschaltet und somit der Betriebspunkt des Motors auf Grund der Mitteldruckerhöhung in einen Bereich besseren Wirkungsgrades verschoben.
Aus dem Stand der Technik sind zur Zylinderabschaltung neben mechanischen Lösungen mit mehr als einer Kurbelwelle beispielsweise auch Lösungen bekannt, bei denen die Kraftstoffeinspritzung und Gemischzündung kontrolliert ermöglicht oder abgeschaltet wird.
Auch ist aus dem Stand der Technik eine über einen Aktuator verschiebbare Nockenhülse auf der Nockenwelle bereits bekannt, jedoch muss bisher aufgrund der unterschiedlichen Steuerzeiten der einzelnen Zylinder und dem Versatz der Nocken auf der Nockenwelle in Umfangsrichtung für jeden Zylinder ein eigener Aktuator und eine eigene Nockenhülse eingesetzt werden. Dies ist steuerungstechnisch aufwendig, anfällig und durch die hohe Bauteilzahl teuer.
Auf dem Bekannten aufbauend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ventilsteuerung für eine Auslassventilabschaltung bereit zu stellen, mit der die Ventile mehrerer Zylinder gleichzeitig steuerbar und somit die zugehörigen Zylinder zu- bzw. abschaltbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors mit einer Nockenwelle und einer die Nockenwelle umgebenden und axial verschiebbar befestigten Nockenhülse vorgeschlagen, die einzelnen Ventilen zugeordnete und sich in radialer Richtung erstreckende Nocken aufweist, wobei die Nockenhülse beim Rotieren durch einen Aktuator gegenüber der Nockenwelle in axialer Richtung verschiebbar ist, und die Nockenhülse zumindest zwei Axialabschnitte aufweist, die über den in die Axialabschnitte eingreifenden Aktuator in axialer Richtung relativ zueinander versetzbar sind.
Die Nockenhülse wird auf dem Bereich der Nockenwelle vorgesehen, bei dem die Zylinder abgeschaltet werden sollen. Bei einem Reihensechszylindermotor wird erfindungsgemäß für drei nebeneinanderliegende Zylinder eine Nockenhülse auf der Nockenwelle angeordnet, um die Nockenwelle über die verschiebbare Nockenhülse für die drei Zylinder aktiv beziehungsweise inaktiv zu schalten. Da die Nocken im Bereich der Nockenwelle mit Nockenhülse nicht an der Nockenwelle selbst, sondern an der Nockenhülse vorgesehen werden, führt eine axiale Verschiebung der Nockenhülse weg von den Ventilen dazu, dass die Nocken nicht auf die Ventile einwirken, sondern axial an den Ventilen beabstandet vorbeirotieren. Zur Aktivierung des Ventilversatzes über die Nocken wird die Nockenhülse wieder in axialer Richtung in die Ursprungsposition versetzt. Die Nockenwelle weist an den weiteren drei Zylindern ihre herkömmlichen Nocken auf, so dass an diesen Zylindern stets ein Ventilversatz erfolgt und somit nur drei der sechs Zylinder abschaltbar sind.
Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Nockenhülse mehrteilig ausgebildet und somit geeignet ist, eine Abschaltung von Ventilen an mehreren Zylindern mit nur einem Aktuator zu realisieren.
In einer Ausführungsvariante ist bei der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung vorgesehen, dass die zumindest zwei Axialabschnitte der Nockenhülse während des Eingriffs des Aktuators durch Rotation der Nockenhülse in axialer Richtung relativ zueinander versetzbar sind. Durch die Befestigung der Nockenhülse an der Nockenwelle rotieren Nockenwelle und Nockenhülse koaxial miteinander. Die zwei Axialabschnitte ermöglichen, während der Rotation der Nockenwelle mit Nockenhülse zunächst einen Nockenhülsenabschnitt eines ersten Zylinders axial zu versetzen und somit den Ventilversatz dieses Zylinders abzuschalten. Zu diesem Zeitpunkt wirken die Nocken der Nockenhülse an den benachbarten Zylindern noch auf die zugehörigen Ventile ein, so dass ein Versatz der Nockenhülse in dem Bereich dieser Zylinder noch unmöglich ist. Die sich fortsetzende Rotation bringt die Nocken der Nockenhülse an den weiteren Zylindern in eine von den Ventilen gelöste Position, so dass anschließend ein axialer Versatz des zweiten Axialabschnitts der Nockenhülse möglich ist.
Die Ventilsteuerung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rotation der Nockenhülse über einen vorbestimmten Winkel, insbesondere 180°, durch den Aktuator zunächst der erste Axialabschnitt in eine axiale Richtung und bei einer Fortsetzung der Rotation über einen weiter vorbestimmten Winkel, insbesondere weitere 180°, anschließend der zweite Axialabschnitt in dieselbe axiale Richtung versetzt wird, bis der erste und zweite Axialabschnitt der Nockenhülse bei den abzuschaltenden Zylindern axial verschoben wieder aneinander anliegen. Wenn beide Axialabschnitte nach einer 360°-Drehung der Nockenwelle axial versetzt wurden, wirken die Nocken der Nockenhülse nicht mehr auf die Ventile ein und die Zylinder sind abgeschaltet.
Zur Erreichung des axialen Versatzes der Axialabschnitte der Nockenhülse wird in einer Ausführungsform vorgesehen, dass in einer Außenumfangsfläche der zwei Axialabschnitte der Nockenhülse jeweils mindestens zwei sich in Umfangsrichtung und axialer Richtung erstreckende Schiebenuten verlaufen, in die der Aktuator eingreift. Die Schiebnuten der Axialabschnitte gehen bei einer Übergangsposition der Axialabschnitte ineinander über. Die Übergangsposition ist durch die axiale Relativstellung der Axialabschnitte auf der Nockenwelle zueinander bestimmt.
Ferner ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der der Aktuator mindestens einen ersten Aktuatorstift aufweist, der in die erste Schiebenut der Axialabschnitte der Nockenhülse eingreift und die Axialabschnitte bei der vorstehend beschriebenen Rotation der Nockenhülse in eine erste axiale Richtung nacheinander verschiebt. Zudem ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der der Aktuator mindestens einen zweiten Aktuatorstift aufweist, der in die zweite Schiebenut der Axialabschnitte der Nockenhülse eingreift und die Axialabschnitte bei einer Gegenrotation der Nockenhülse in eine zweite axiale Richtung nacheinander verschiebt. Der Aktuator greift bei einer derartigen Ausführung mit je einem Aktuatorstift in je eine Schiebenut ein, wobei der Eingriff in die erste Schiebenut für einen Axialversatz in eine erste Richtung und der Eingriff in die zweite Schiebenut für ein Zurücksetzen in die ursprüngliche Axialposition dient.
An dem Aktuator sind die Aktuatorstifte positionsfest angeordnet, so dass die Axialabschnitte in axialer Richtung relativ zum Aktuator verschoben werden, während die Aktuatorstifte bei der Rotation der Nockenhülse in den Schiebnuten gleiten. Der Aktuator selbst ist ebenfalls positionsfest.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Schiebnuten einen sich verjüngenden Querschnitt mit schrägen Radialanlageflächen aufweisen, an denen die Aktuatorstifte flächig anliegen. Dabei erstrecken sich die Radialanlageflächen vornehmlich in demselben Winkel wie die Aktuatorstifte, so dass sie ohne Spiel in die Schiebnuten eingreifen. Hierdurch werden Belastungsspitzen beim Schaltvorgang und mithin Verschleiß an den Aktuatorstiften und Schiebnuten vermieden.
Die Nockenwelle weist in einer Ausführungsvariante der Erfindung einen Axialendanschlag auf, der die axiale Verschiebbarkeit der zumindest zwei Axialabschnitte begrenzt. Der Axialendanschlag ist in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel durch zwischen der Nockenwelle und den zumindest zwei Axialabschnitten angeordnete und in radialer Richtung vorgespannte Haltemittel, beispielsweise Arretierungskugeln, gebildet, die jeweils in eine an radialen Innenflächen der zumindest zwei Axialabschnitten vorgesehene Innennuten lösbar eingreifen. Hierdurch ist ein Abgleiten der Nockenhülse von der Nockenwelle ausgeschlossen. Zudem erfolgt die Befestigung der Nockenhülse auf der Nockenwelle vorzugsweise über eine Keilverzahnung.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht auf die Ventilsteuerung an drei abzuschaltenden Zylindern;
2 eine perspektivische Darstellung der Nockenhülse mit axial verschobenem ersten Axialabschnitt;
3 eine Detailansicht der Schiebnuten auf der Nockenhülse;
4 eine Schnittansicht der koaxialen Verbindung von Nockenwelle und Nockenhülse sowie eine perspektivische Ansicht der Nockenwelle.
Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Teile in allen Ansichten.
Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Ventilsteuerung 1 eines Reihensechszylindermotors auf der Auslassventilseite, wobei pro Zylinder jeweils zwei Ventile 4 vorgesehen sind. Auf der Nockenwelle 2 ist für die axial außenseitigen Zylinder 1–3 eine Nockenhülse 3 koaxial angeordnet und befestigt, so dass Nockenwelle 2 und Nockenhülse 3 zusammen rotieren. Im Bereich der Nockenhülse 3 sind die Nocken 5 auf der Nockenhülse 3, im sich axial anschließenden Bereich ohne Zylinderabschaltung wie herkömmlich auf der Nockenwelle 2 ausgebildet. Die Nockenhülse 3 ist zweiteilig mit zwei Axialabschnitten 10, 11 ausgebildet, die jeweils axial versetzbar sind, so dass die Nocken 5 in einer zylinderaktiven Stellung im Eingriff mit den Ventilen 4 stehen, in einer zylinderabgeschalteten Position axial versetzt an den Ventilen 4 ohne Einwirkung vorbeirotieren.
Der Axialversatz wird über den Aktuator 6 gesteuert, der über zwei Aktuatorstifte 12, 13 in zwei Schiebenuten 7, 8 auf der Nockenhülse 3 eingreift. Der Aktuator 6 ist positionsfest. Die Schiebenuten 7, 8 verlaufen entlang der Außenumfangsfläche der Nockenhülse 3 in Umfangsrichtung und axialer Richtung, so dass die Nockenhülse 3 beim Rotieren entlang der Schiebenuten 7, 8 versetzt wird. Dabei verlaufen die Schiebenuten 7, 8 auf der Nockenhülse 3 derart, dass die beiden Axialabschnitte 10, 11 getrennt voneinander und nacheinander in axialer Richtung versetzt werden, nämlich jeweils dann, wenn die Nocken 5 nicht in einer Stellung in Umfangsrichtung sind, bei denen sie im Ventileingriff stehen.
1 zeigt die Axialabschnitte 10, 11 aneinander anliegend, 2 den Zustand, bei dem die Nockenhülse um 180° rotiert und der Axialabschnitt 10 axial versetzt ist, wobei sich der Axialabschnitt 11 jedoch noch in seiner Ausgangsstellung befindet. Rotiert die Nockenhülse 3 um 180° weiter, folgt der Axialabschnitt 11 in Pfeilrichtung dem ersten Axialabschnitt 10 nach und beide Axialabschnitte 10, 11 liegen axial versetzt wieder aneinander an. Dabei wird der erste Aktuatorstift 12 in die erste Schiebenut 7 zum Axialversatz in eine axiale Richtung, der zweite Aktuatorstift 13 in die zweite Schiebenut 8 zum Axialversatz in die axiale Gegenrichtung eingesteckt. Die Steuerung erfolgt beispielsweise über das Motorsteuergerät. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist in 2 der Aktuator 6 weggelassen.
3 zeigt die Ausbildung und Verläufe der Schiebenuten 7, 8 detaillierter, die in einer Seitenansicht eine Art Y-Kontur aufweisen, um den Axialversatz während der Rotation zu ermöglichen. Die Schiebnuten 7, 8 weisen einen sich zu ihrem Boden gerichtet verjüngenden Querschnitt mit schrägen Radialanlageflächen auf, an denen die Aktuatorstifte 12, 13 flächig und spaltfrei anliegen können.
4 zeigt eine Schnittansicht der koaxialen Verbindung von Nockenwelle 2 und Nockenhülse 3 sowie eine perspektivische Ansicht der Nockenwelle 2. Auf der Nockenwelle 2 ist eine Keilverzahnung 20 zur koaxialen Befestigung der Nockenhülse 3 mit Freiheitsgrad in Axialrichtung. Zudem sind auf der Nockenwelle 2 die Nocken 15 für den regulären, nicht über die Nockenhülse 3 schaltbaren Ventilbetrieb zu erkennen. Die Nockenwelle 2 weist einen Axialendanschlag auf, der die axiale Verschiebbarkeit der zwei Axialabschnitte 10, 11 begrenzt. Dieser ist durch zwischen der Nockenwelle 2 und den zwei Axialabschnitten 10, 11 angeordnete und in radialer Richtung über Federn 16 vorgespannte Arretierungskugeln 17 gebildet, die jeweils in eine an radialen Innenflächen der zwei Axialabschnitten 10, 11 der Nockenhülse 3 vorgesehene Innenumlaufnuten 18 eingreifen. Durch den Endanschlag ist ein Abgleiten der Nockenhülse 3 von der Nockenwelle 2 verhindert. Die Vorspannkraft ist jedoch derart, dass die Axialabschnitte 10, 11 aus der Anschlagsposition wieder verschiebbar sind.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Reihensechszylinder begrenzt, sondern auf in andere in Reihe angeordnete Zylinderbauarten anwendbar.

Claims

Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors mit einer Nockenwelle (2) und einer die Nockenwelle umgebenden und axial verschiebbar befestigten Nockenhülse (3), die einzelnen Ventilen (4) zugeordnete und sich in radialer Richtung erstreckende Nocken (5) aufweist, wobei die Nockenhülse (3) beim Rotieren durch einen Aktuator (6) gegenüber der Nockenwelle (2) in axialer Richtung verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenhülse (3) zumindest zwei Axialabschnitte (10, 11) aufweist, die über den in die Axialabschnitte eingreifenden Aktuator (6) in axialer Richtung relativ zueinander versetzbar sind.
Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Axialabschnitte (10, 11) der Nockenhülse (3) während des Eingriffs des Aktuators (6) durch Rotation der Nockenhülse (3) in axialer Richtung relativ zueinander versetzbar sind.
Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rotation der Nockenhülse (3) über einen vorbestimmten Winkel durch den Aktuator (6) zunächst ein erster Axialabschnitt (10) in eine axiale Richtung und bei einer Fortsetzung der Rotation über einen weiter vorbestimmten Winkel anschließend ein zweiter Axialabschnitt (11) in dieselbe axiale Richtung versetzbar ist, bis der erste und zweite Axialabschnitt (10, 11) axial verschoben wieder aneinander anliegen.
Ventilsteuerung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Außenumfangsfläche der zumindest zwei Axialabschnitte (10, 11) der Nockenhülse (3) jeweils mindestens zwei sich in Umfangsrichtung und axialer Richtung erstreckende Schiebenuten (7, 8) verlaufen, in die der Aktuator (6) eingreift.
Ventilsteuerung nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebnuten (7, 8) der Axialabschnitte (10, 11) bei einer Übergangsposition der Axialabschnitte ineinander übergehen, wobei die Übergangsposition durch eine axiale Relativstellung der Axialabschnitte (10, 11) auf der Nockenwelle (2) zueinander bestimmt ist.
Ventilsteuerung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) mindestens einen ersten Aktuatorstift (12) aufweist, der in die erste Schiebenut (7) der Axialabschnitte der Nockenhülse (3) eingreift und die Axialabschnitte (10, 11) bei einer Rotation der Nockenhülse (3) in eine erste axiale Richtung nacheinander verschiebt.
Ventilsteuerung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) mindestens einen zweiten Aktuatorstift (13) aufweist, der in die zweite Schiebenut (8) der Axialabschnitte (10, 11) der Nockenhülse (3) eingreift und die Axialabschnitte (10, 11) bei einer Gegenrotation der Nockenhülse (3) in eine zweite axiale Richtung nacheinander verschiebt.
Ventilsteuerung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorstifte (12, 13) positionsfest am Aktuator (6) angeordnet sind und die Axialabschnitte (10, 11) in axialer Richtung relativ zum Aktuator (6) verschiebbar sind.
Ventilsteuerung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Axialabschnitt (10) bei einer Rotation der Nockenhülse (3) um 180° axial durch den Aktuator (6) verschiebbar ist und der zweite Axialabschnitt (11) anschließend bei einer Rotation der Nockenhülse (3) um weitere 180° in dieselbe Richtung durch den Aktuator (6) axial verschiebbar ist.
Ventilsteuerung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebnuten (7, 8) einen sich verjüngenden Querschnitt mit schrägen Radialanlageflächen aufweisen, an denen die Aktuatorstifte (12, 13) flächig anliegen.
Ventilsteuerung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) einen Axialendanschlag aufweist, der die axiale Verschiebbarkeit der zumindest zwei Axialabschnitte (10, 11) begrenzt.
Ventilsteuerung nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialendanschlag durch zwischen der Nockenwelle (2) und den zumindest zwei Axialabschnitten (10, 11) angeordnete und in radialer Richtung vorgespannte Haltemittel gebildet ist, die jeweils in eine an radialen Innenflächen der zumindest zwei Axialabschnitten (10, 11) vorgesehene Innennuten (18) lösbar eingreifen.