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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Verbrennungsmotoren. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf einen variablen Ventiltrieb zur Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors.
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Technischer Hintergrund
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Variable Ventiltriebe sind im Stand der Technik bekannt. Solche variablen Ventiltriebe erlauben die Einstellung (Veränderung) eines Ventilhubs, d.h. einer den Ventilhubverlauf kennzeichnenden Größe wie z.B. der Hubhöhe (maximale Höhe der Ventilöffnung innerhalb eines Motorzyklus), Dauer und / oder Phase der Ventilöffnung relativ zum Motorzyklus. Ein variabler Ventiltrieb erlaubt es, die Hubhöhe etwa in Abhängigkeit einer Anzahl von Fahrparametern (z.B. Drehzahl) und eines Gasbefehls (z.B. Stellung eines Gashebels bzw. -pedals) einzustellen.
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Ein besonders vorteilhafter variabler Ventiltrieb ist aus der
DE 10 2005 057 127 A1 (im Folgenden: DE‘127) bekannt, in welcher auch weitere Ventiltriebe zitiert sind. Insbesondere zeigt die DE‘127 den in
1–
3 dargestellten Ventiltrieb. Darin kann eine Position der Ventilkurbelachse
14 durch Schwenken eines Schwenkrahmens
80 verändert werden, um den Ventilhub zu verstellen. Dies geschieht mittels des in
2 und
3 dargestellten Schwenktriebs
84 bzw.
84a–
84d.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ventiltrieb und einen Verbrennungsmotor mit zumindest einigen der Vorteile der in
DE‘127 dargestellten Lösung bereitzustellen, der darüber hinaus ein vorteilhaftes Ansteuersystem zum Verstellen des Ventilhubs aufweist. Das Ansteuersystem soll insbesondere eine zuverlässige und gleichzeitig effiziente Ansteuerung des Verbrennungsmotors ermöglichen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch den variablen Ventiltrieb zur Betätigung eines ersten und eines zweiten Ventils eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1.
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Der variable Ventiltrieb umfasst gemäß einem Aspekt der Erfindung ein erstes Betätigungssystem mit einem ersten Ventilbetätigungs-Getriebe zur Betätigung des ersten Ventils und mit einem schwenkbar um eine erste Schwenkachse (z.B. im Zylinderkopf) gelagerten ersten Schwenkrahmen, wobei durch das Schwenken des ersten Schwenkrahmens ein Ventilhub für das erste Ventil verstellt wird; ein zweites Betätigungssystem mit einem zweiten Ventilbetätigungs-Getriebe zur Betätigung des zweiten Ventils und mit einem schwenkbar um eine zweite Schwenkachse (z.B. im Zylinderkopf) gelagerten zweiten Schwenkrahmen, wobei durch das Schwenken des zweiten Schwenkrahmens ein Ventilhub für das zweite Ventil verstellt wird. Weitere Betätigungssysteme etwa für weitere Ventile sind nicht ausgeschlossen. Weiter enthält der Ventiltrieb einen Schwenktrieb zum gemeinsamen Schwenken des ersten und zweiten Schwenkrahmens, mit einem (gemeinsamen) Schwenk-Aktuator, wobei der Schwenk-Aktuator einen Stellmotor und zwei (z.B. rotativ starr aneinandergekoppelte) Wellenenden, an gegenüberliegenden Seiten des Stellmotors aufweist, wobei das erste der beiden Wellenenden zum Schwenken an den ersten Schwenkrahmen gekoppelt ist, und das zweite der beiden Wellenenden zum Schwenken an den zweiten Schwenkrahmen gekoppelt ist.
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Dieser Ventiltrieb hat unter anderem den Vorteil, dass der Aufbau einfach, kostengünstig und platzsparend und dennoch zuverlässig ist. Zu diesem Vorteil trägt insbesondere der erfindungsgemäße Schwenktrieb zum gemeinsamen Schwenken des ersten und zweiten Schwenkrahmens mit gemeinsamem Stellmotor bei. Durch das gemeinsame Schwenken werden nicht nur Komponenten eingespart, sondern es wird auch eine gleichmäßige und aufeinander abgestimmte Verstellung der jeweiligen Betätigungssysteme sichergestellt.
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Weiter können die in
DE‘127 genannten weiteren Vorteile zumindest teilweise erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße Ventiltrieb kann besonders vorteilhaft in Verbrennungsmotoren von Geräten oder Fahrzeugen mit hohen Motordrehzahlen, beispielsweise in Motorrädern, eingesetzt werden. Er kann weiterhin auch z.B. in Personenkraftwägen, Lastkraftwägen, Flugzeugen oder Wasserfahrzeugen eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sowie bevorzugte Ausführungen und besondere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1–
3 zeigen Ansichten eines aus der
DE‘127 bekannten Ventiltriebs;
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4a zeigt eine seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs bei geringer Hubhöhe;
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4b zeigt eine vergrößerte seitliche Querschnittsansicht eines Teiles aus 4a;
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5 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs bei großer Hubhöhe;
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6 zeigt diagrammatisch den Ventilhub als Funktion der Aktuator-Auslenkung des Schwenk-Aktuators;
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7 zeigt eine seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Ventiltriebs für einen V2-Motor bei großer Hubhöhe;
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8 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht des Ventiltriebs aus 7;
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9 zeigt eine seitliche Ansicht des Ventiltriebs aus 7 bei geringer Hubhöhe;
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10 zeigt ein vergrößertes Detail des Ventiltriebs aus 8.
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Ausführliche Beschreibung von Aspekten und Ausführungsformen
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Allgemeine Angaben zum Ventiltrieb (Fig. 1–Fig. 3)
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Im Folgenden wird mit Bezug auf
1–
3 ein Ventiltrieb
2 beschrieben. Die
1–
3 sind identisch auch in
DE‘127 enthalten und die dargestellten Teile sind auch dort beschrieben. Der Ventiltrieb
2 kann, wie weiter unten beschrieben, mit einem Schwenktrieb gemäß der vorliegenden Erfindung (in
1–
3 nicht dargestellt) ausgestattet werden.
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Der in 1–3 dargestellte Ventiltrieb 2 umfasst ein Antriebssystem 10 und ein Getriebe 4. Das Antriebssystem 10 stellt eine Rotationsbewegung zur Verfügung. Die Rotationsbewegung verläuft bevorzugt synchron zum Motorzyklus des Verbrennungsmotors, so dass eine volle Rotation einem ganzen Motorzyklus entspricht, und besonders bevorzugt wird sie von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 angetrieben. Das Getriebe 4 überträgt die Rotationsbewegung des Antriebssystems in eine Hubbewegung zur Betätigung des Ventils 70. Unter einer Betätigung des Ventils ist hierbei eine Hubbewegung des Ventils 70 zu verstehen, die das Ventil 70 öffnet bzw. schließt, und zwar vorzugsweise synchron zum Motorzyklus.
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Das Antriebssystem 10 umfasst ein Antriebszahnrad 22, ein Ventilkurbelzahnrad 12, und eine Ventilkurbel 16 (auch als erstes Antriebsmittel bezeichnet). Das Antriebszahnrad 22 ist ortsfest im Zylinderkopf drehbar um eine Antriebsachse 24 gelagert. Das Ventilkurbelzahnrad 12 ist starr mit der Ventilkurbel 16 verbunden. Die Ventilkurbel 16 und das Ventilkurbelzahnrad 12 sind drehbar um eine Ventilkurbelachse 14 (auch als erste Rotationsachse bezeichnet) gelagert. Hier und im Folgenden ist unter dem Begriff „Achse“ eine geometrische Achse bzw. eine Rotationsachse zu verstehen. Die Lagerung der Ventilkurbel 16 ist in 1 nicht dargestellt.
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Das Antriebszahnrad 22 wird von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 angetrieben. Der Antrieb erfolgt synchron zum Motorzyklus, d.h. eine volle Umdrehung des Antriebszahnrads 22 entspricht einem Motorzyklus. Bei einem Viertaktmotor ist das der Fall, wenn die Übersetzung zwischen Kurbelwelle und Antriebszahnrad 2:1 beträgt.
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Das Antriebszahnrad 22 steht mit dem Ventilkurbelzahnrad 12 in Eingriff. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebszahnrad 22 und Ventilkurbelzahnrad 12 beträgt hierbei 1:1. Somit wird auch das Ventilkurbelzahnrad synchron zum Motorzyklus angetrieben.
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Erfindungsgemäß kann in dem in 1 dargestellten Ventiltrieb die Position der Ventilkurbelachse 14 verändert werden. Der Mechanismus hierfür ist in 2–3 genauer dargestellt. Darin ist zusätzlich zu den in 1 gezeigten Elementen ein Schwenkrahmen 80 (auch als Lagerungskörper bezeichnet) sichtbar. Der Schwenkrahmen 80 ist starr, besteht in diesem Beispiel aus mehreren starr miteinander verbundenen Teilen. Er ist am Zylinderkopf 3 schwenkbar um die Schwenkachse gelagert, die identisch mit der in 1 gezeigten Antriebsachse 24 ist. Weiterhin ist die Ventilkurbel 16 in dem Schwenkrahmen 80 gelagert, so dass ein Schwenken des Schwenkrahmens 80 ein Schwenken der Ventilkurbelachse 14, d.h. eine Veränderung der Position der Ventilkurbelachse 14 entlang einer Kreisbahn um die Schwenkachse 24 bewirkt.
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Dadurch, dass die Schwenkachse 24 und die Antriebsachse identisch sind, wird gewährleistet, dass die Position der Ventilkurbelachse 14 in jeder Schwenkposition des Schwenkrahmens 80 auf einem Kreissegment um die Antriebsachse 24 bleibt. Dadurch ist sichergestellt, dass das um die Ventilkurbelachse 14 drehbar gelagerte Ventilkurbelzahnrad 12 und das Antriebszahnrad 22 in jeder Schwenkposition des Schwenkrahmens 80 in Eingriff bleiben.
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Der Schwenkrahmen
80 kann mittels eines Schwenktriebs in einer festen Position gehalten oder geschwenkt werden. Ein beispielhafter Schwenktrieb
84, der nicht zur Erfindung gehört, ist in
2–
3 dargestellt und in
DE‘127 beschrieben. Der Schwenktrieb
84 umfasst ein mit dem Schwenkrahmen
80 starr verbundenes Zahnsegment
84a, in das ein Zahnrad
84b eingreift. Ein weiteres Detail des Schwenktriebs
84 sind in
3 dargestellt: Ein Schneckengetriebe
84c steht mit dem Zahnrad
84b in Eingriff und dient dazu, dieses zu drehen. Dadurch wird eine Übertragung vom Schneckengetriebe
84c zum Schwenkrahmen mit konstantem Übersetzungsverhältnis hergestellt.
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Statt des Schwenktriebs 84 können die in 1–3 dargestellten und in diesem Zusammenhang beschriebenen Ventiltriebe bzw. deren Aspekte auch mit einem beliebigen Schwenktrieb gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert werden, und/oder auch mit einem beliebigen Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert werden. Das gilt auch für weitere Aspekte wie die in 7–9 illustrierte Anordnung für mehrere Zylinderbänke.
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Der Schwenktrieb einschließlich dessen Antrieb sowie der Schwenkrahmen 80 werden hierin auch als Ansteuersystem bezeichnet. Allgemeiner werden als Ansteuersystem alle Teile verstanden, die zum Einstellen und Halten der Position der ersten Ventilkurbelachse 14 dienen. Weitere Teile des Ventiltriebs, die zum periodischen Öffnen und Schließen des Ventils dienen, werden auch als Betätigungssystem bezeichnet.
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Im Folgenden werden einige allgemeine (aber nicht zwingende) Aspekte der Erfindung beschrieben, die in 1–3 illustriert und mit den dort angegebenen Bezugszeichen erläutert sind, die jedoch auch unabhängig von der Ausführungsform von 1–3 im Zusammenhang mit jedweden anderen Aspekten der Erfindung realisiert werden können.
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Gemäß einem Aspekt ist der Ventiltrieb im Bereich des Zylinderkopfes des Verbrennungsmotors angeordnet. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Ventiltrieb (insbesondere das Betätigungssystem) weiter ein Pleuel 30 mit einem ersten Pleuelgelenk 34 und einem zweiten Pleuelgelenk 36, und ein Führungselement 60 zum Führen des Pleuels, wobei das Führungselement um eine Führungsachse 66 schwenkbar ist. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Pleuel 30 mit seinem ersten Pleuelgelenk 34 am ersten Antriebsmittel 16 angelenkt. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Pleuel 30 mit seinem zweiten Pleuelgelenk 36 am Führungselement 60 angelenkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein zweites Antriebsmittel 22 des Ventiltriebs vorgesehen, zum Antrieb des ersten Antriebsmittels 16. Das zweite Antriebsmittel 22 um eine zweite Rotationsachse 24 drehbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist das zweite Antriebsmittel 22 ein zweites Antriebszahnrad ist. Der Ventiltrieb umfasst ein erstes Antriebszahnrad 12 zum Antreiben des ersten Antriebsmittels 16, wobei das erste Antriebszahnrad 12 um die erste Rotationsachse 14 drehbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist am Führungselement 60 ein Drückelement 40 befestigt. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Drückelement 40 eine Rolle. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Ventiltrieb 1 ein Übertragungselement 50 in lösbarem mechanischem Kontakt mit den Drückelement 40. Gemäß einem weiteren Aspekt wird das Übertragungselement 50 von einem Kraftelement 58 in Richtung Ventil 70 vorgespannt. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Verbrennungsmotor 1 einen festen Anschlag 57 zur Definition einer maximalen Auslenkung des Übertragungselements 50.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Übertragungselement 50 ein Hebel, der um eine Hebelachse 52 schwenkbar ist. Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Hebel 50 einarmig. Gemäß einem weiteren Aspekt bewirkt eine Bewegung des Drückelements 40 in Richtung der Hebelachse 52 ein Öffnen des Ventils.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Ventil 70 ein Einlassventil. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Verbrennungsmotor weiter ein zweites Einlassventil 70’, welches bevorzugt ebenfalls durch den Ventiltrieb betrieben wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist durch die Veränderung der Position der ersten Rotationsachse 14 ein Ventilhub (eine den Ventilhubverlauf kennzeichnende Größe) veränderbar. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die den Ventilhubverlauf kennzeichnende Größe eine Hubhöhe und/oder eine Öffnungsdauer des Ventils. Gemäß einem weiteren Aspekt ist durch die Veränderung der Position der ersten Rotationsachse 14 eine Phasenbeziehung zwischen dem Drehwinkel des ersten Antriebsmittels 16 und dem Motorzyklus veränderbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird das Drückelement 40 auf einer Führungsbahn 68 geführt wird, und die Führungsbahn 68 des Drückelements 40 ist durch die Veränderung der Position der ersten Rotationsachse 14 veränderbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Veränderung der Position der ersten Rotationsachse 14 ein Schwenken der ersten Rotationsachse 14 um eine Schwenkachse 24.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind das Pleuel 30 und das Führungselement 60 Glieder einer ebenen Drehgelenkkette.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Ventil 70 ein Einlassventil, und das zweite Antriebsmittel betätigt auch ein Auslassventil 78.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beträgt eine maximale Hubhöhe des Ventils 70 mindestens 5mm.
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Es stellt einen allgemeinen Aspekt der Erfindung das, dass der Ventiltrieb 2 ein ebenes Koppelgetriebe mit vier Gliedern bzw. eine viergliedrige Drehgelenkkette umfasst. Die Gelenke umfassen hierbei vorzugsweise die Antriebsachse 24, die Führungsachse 66, das erste Pleuelgelenk 34, und das zweite Pleuelgelenk 36. Alle Elemente der oben beschriebenen Drehgelenkkette sind formschlüssig miteinander verbunden.
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Es stellt einen allgemeinen Aspekt der Erfindung dar, dass der Ventiltrieb 2 im Bereich des Zylinderkopfes des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Unter einer Anordnung im Bereich des Zylinderkopfes ist zu verstehen, dass die Ventilkurbel 16 grundsätzlich (d.h. in mindestens einer möglichen Position der Rotationsachse 14 bzw. in mindestens einer Schwenkposition eines Schwenkrahmens 80, wie er z.B. in 3 dargestellt ist) auf der Zylinderkopfseite bezüglich der Trennfläche zwischen Motorblock und Zylinderkopf gelagert ist. Selbst wenn im Verbrennungsmotor ein Zylinderkopf und ein Motorblock nicht klar abgrenzbar sein sollte, kann eine solche Trennfläche beispielsweise durch eine Fläche definiert werden, die durch den Kolbenboden des Hubkolbens definiert wird, wobei der Hubkolben im Oberen Kolbentotpunkt liegt. Gemäß dieser Charakterisierung entspricht der Ventiltrieb 2 einem Ventiltrieb mit obenliegender Nockenwelle („overhead camshaft“), wobei die Ventilkurbel 16 der Nockenwelle entspricht. Gemäß einem Aspekt wird daher die Verwendung des erfindungsgemäßen Ventiltriebs als Ventiltrieb mit obenliegender Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor, sowie Verbrennungsmotor mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb mit obenliegender Nockenwelle vorgeschlagen.
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Durch diese Anordnung wird auch eine gekapselte Bauweise des Ventiltriebs ermöglicht, bei der die Teile des Ventiltriebs innerhalb einer Kapselung angeordnet sind.
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Der Ventiltrieb 2 lässt sich gemäß einem Aspekt in ein aktives Teilsystem und ein passives Teilsystem einteilen. Das aktive Teilsystem lässt sich dadurch charakterisieren, dass der Bewegungszustand des aktiven Teilsystems im Wesentlichen durch den Bewegungszustand der Ventilkurbel 16, d.h. durch einen Drehwinkel der Ventilkurbel 16 und durch die Position der Ventilkurbelachse 14, festgelegt ist bzw. durch Formschluss mit der Ventilkurbel 16 verbunden ist. Das passive Teilsystem ist durch Kraftschluss, insbesondere mittels der Ventilfeder 72, mit dem aktiven Teilsystem verbunden.
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Für weitere Details zu
1–
3 wird auf die
DE‘127 verwiesen, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Verweis in die vorliegende Beschreibung einbezogen ist. Insbesondere wird auf die Absätze [0144]–[0159] sowie die dort zitierten übrigen Passagen der DE‘127 verwiesen, die hiermit durch Verweis einbezogen sind. Insbesondere werden sämtliche in DE‘127 beschriebenen Aspekte eines Ventiltriebs oder Verbrennungsmotors, soweit diese zusätzlich mit dem hierin beschriebenen Schwenktrieb ausgestattet sind, als zur vorliegenden Erfindung gehörig betrachtet.
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Schwenk-Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis (Fig. 4a–Fig. 5)
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Im Folgenden wird mit Bezug auf
4a–
5 ein Ventiltrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Darin sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in
1–
3 bezeichnet, auch wenn einige geometrische Details verändert sind. Die Beschreibung der
1–
3, sowie die Beschreibung in
DE‘127 , gilt (insbesondere für das Betätigungssystem) entsprechend auch für diese Ausführungsform, soweit nicht in den Figuren oder im Folgenden abweichend dargestellt.
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Insbesondere hat der in 4a, 4b, 5 dargestellte Ventiltrieb einen Schwenkrahmen 80, in dem die Ventilkurbel (erstes Antriebsmittel) 16 drehbar um die Rotationsachse 14 gelagert ist. Durch Schwenken des Schwenkrahmens 80 kann, wie auch in 1–3, die Position der ersten Rotationsachse 14 verändert werden, wodurch der Ventilhub, genauer die Hubhöhe, des Ventils 70 verstellt wird.
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Anstelle des in 1–3 gezeigten Schwenktriebs 84 bzw. 84a–84d zum Schwenken des Schwenkrahmens 80 umfasst der in 4a–5 gezeigte Ventiltrieb den im Folgenden beschriebenen Schwenktrieb 90. Der Schwenktriebs 90 ist ausgestattet, je nach Bedarf den Schwenkrahmen 80 um die Schwenkachse 24 zu schwenken oder in seiner Position zu halten, und somit den Ventilhub des Ventils 70 zu steuern. Der Schwenktrieb 90 umfasst einen elektrischen Stellmotor (Schwenk-Aktuator) 92 und ein Schwenk-Getriebe 94. Das Schwenk-Getriebe 94 überträgt eine Drehbewegung der Stellmotor-Achse in eine Schwenkbewegung des Schwenkrahmens 80.
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Das Schwenk-Getriebe 94 umfasst von der Antriebs- zur Abtriebsseite hin folgende Elemente: ein Schneckengetriebe 98a, einen drehbaren Antriebskörper 94a und eine Kuppelstange 94b. Die Drehachse 86 des Antriebskörpers 94a fällt hierbei mit der Hebelachse des Schlepphebels 50 (siehe 2) zusammen, was sowohl den Aufbau vereinfacht, Kosten senkt, und die Stabilität erhöht.
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Das Schneckengetriebe 98a umfasst eine Verstellschnecke 98 und ein Zahnsegment an der Außenkontur des Antriebskörpers 94a. Die Verstellschnecke 98 ist um ihre Achse drehbar und wird durch den Stellmotor 92 angetrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Verstellschnecke 98 gemeinsam mit der Welle des Stellmotors 92 drehbar. Die Außenkontur des Antriebskörpers 94a ist mit Zähnen versehen, die in die Verstellschnecke 98 eingreifen und damit zusammenwirken, um eine Drehung der Verstellschnecke 98 in eine Drehung des Antriebskörpers 94a um seine Achse 86 zu übertragen. Die Achsen des Antriebskörpers 94a und des Schneckengetriebes 98 stehen senkrecht aufeinander.
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Die Kuppelstange 94b ist zwischen dem Antriebskörper 94a und dem Schwenkrahmen 80 angelenkt, um eine Drehung des Antriebskörpers 94a in eine Schwenkbewegung des Schwenkrahmens 80 zu übertragen.
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Der Antriebskörper 94a, die Kuppelstange 94b und der Schwenkrahmen 80 bilden somit ein Koppelgetriebe (gemeinsam mit einem stationären, d.h. nicht mitrotierbaren Gestell, das beispielsweise durch den Zylinderkopf gebildet wird), genauer ein Gelenkviereck. Noch genauer ist das derart gebildete Gelenkviereck eine Doppelschwinge, wobei der Antriebskörper 94a eine Kurbel, die Kuppelstange 94b eine Koppel und der Schwenkrahmen 80 eine Schwinge der Doppelschwinge bilden.
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4a, 4b zeigen den Ventiltrieb bei einer Schwenkrahmen-Auslenkung, die einer geringen Hubhöhe zugeordnet ist. Dagegen wird in 5 eine Schwenkrahmen-Auslenkung dargestellt, die einer größeren Hubhöhe zugeordnet ist. Die Hubhöhe äußert sich durch die unterschiedliche Schwenkposition des Schwenkrahmens 80: In der Ansicht von 5 ist das an die Kuppelstange 94b angelenkte Ende des Schwenkrahmens 80 gegenüber 4a, 4b mehr im Uhrzeigersinn geschwenkt. Dabei sind der Antriebskörper 94a und die Kuppelstange 94b derart aneinander gekoppelt, dass der durch den Antriebskörper 94a gegenüber der Kuppelstange 94b gebildete Hebelarm 96 in 4a, 4b (Schwenkrahmen-Auslenkung mit geringer Hubhöhe) größer ist als in 5 (Schwenkrahmen-Auslenkung mit größerer Hubhöhe), dass also der Hebelarm 96 bei geringer Hubhöhe größer ist.
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Dabei ist der durch den Antriebskörper 94a gegenüber der Kuppelstange 94b gebildete Hebelarm 96 definiert als der Abstand r (in Seitenansicht wie in 4a–5) der Rotationsachse 80 des Antriebskörpers 94a von der durch die Kuppelstange 94b (zwischen ihren beiden Anlenkungspunkten) gebildeten Gerade.
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Diese Veränderung des Hebelarms 96 trägt maßgeblich zu dem hierin beschriebenen nichtkonstanten Übersetzungsverhältnis des Schwenk-Getriebes 94 (Verhältnis von differenzieller Schwenkrahmen-Auslenkung des 80 Schwenkrahmens zu differenzieller Aktuator-Auslenkung des Schwenk-Aktuators 92) bei: Denn bei der in 4a, 4b dargestellten Schwenkrahmen-Auslenkung (geringe Hubhöhe) wird aufgrund des größeren Hebelarms 96 eine Drehbewegung des Antriebskörpers 94a durch die Kuppelstange 94b in eine vergleichsweise große Schwenkbewegung des Schwenkrahmens 80 übertragen (großes Übersetzungsverhältnis). Bei der in 5 dargestellten Schwenkrahmen-Auslenkung (große Hubhöhe) wird dagegen aufgrund des geringeren Hebelarms 96 eine Drehbewegung des Antriebskörpers 94a durch die Kuppelstange 94b in eine wesentlich geringere Schwenkbewegung des Schwenkrahmens 80 übertragen (kleines Übersetzungsverhältnis). Im Extremfall eines verschwindenden Hebelarms (alle drei Gelenkachsen auf einer Geraden) wird die Bewegung des Stellmotors sogar erst in quadratischer Ordnung auf den Schwenkrahmen übertragen (in linearer Ordnung verschwindendes Übersetzungsverhältnis).
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Daher stellt es einen allgemeinen Aspekt der Erfindung dar, dass der durch den Antriebskörper gegenüber der Kuppelstange gebildete Hebelarm bei geringer Hubhöhe größer ist als bei großer Hubhöhe, also mit steigender Hubhöhe – vorzugsweise monoton – abfällt. Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Hebelarm bei der ersten Schwenkrahmen-Auslenkung größer ist als bei der zweiten Schwenkrahmen-Auslenkung. Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Hebelarm bei der ersten Schwenkrahmen-Auslenkung mindestens um Faktor 2, vorzugsweise mindestens um Faktor 4, größer ist als bei der zweiten Schwenkrahmen-Auslenkung.
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Ebenfalls stellt es einen allgemeinen Aspekt der Erfindung dar, dass das Übersetzungsverhältnis des Schwenkgetriebes mit steigender Hubhöhe – vorzugsweise monoton – abfällt. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Übersetzungsverhältnis bei der ersten Schwenkrahmen-Auslenkung (geringe Hubhöhe, vorzugsweise weniger als 20% der maximalen Hubhöhe) größer ist als bei der zweiten Schwenkrahmen-Auslenkung (größere Hubhöhe, vorzugsweise mehr als 50% oder sogar 80% der maximalen Hubhöhe). Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Übersetzungsverhältnis bei der ersten Schwenkrahmen-Auslenkung mindestens um Faktor 2, vorzugsweise mindestens um Faktor 4, größer ist als bei der zweiten Schwenkrahmen-Auslenkung.
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Das wie oben beschriebene variable Übersetzungsverhältnis hat den Vorteil, dass bei geringer Hubhöhe (erste Schwenkrahmen-Auslenkung, in 4a, 4b illustriert) ein Gasbefehl aufgrund des großen Übersetzungsverhältnisses rasch umgesetzt werden kann, da eine vorgegebene Schwenkung des Schwenkrahmens 80 bereits mit einer begrenzten Bewegung des Stell-Aktuators 92 erfolgen kann. Andererseits kann bei großer Hubhöhe (zweite Schwenkrahmen-Auslenkung, in 5 illustriert) der Schwenkrahmen trotz der dann erheblichen Vibrationen des Ventils 70 stabil in seiner Position gehalten werden: Denn die durch die Vibrationen auf den Stell-Aktuator 92 übertragenen Kräfte (bzw. die zum stabilen Halten des Schwenkrahmens 80 durch den Stell-Aktuator 92 aufzuwendenden Gegenkräfte) sind aufgrund des kleinen Übersetzungsverhältnisses stark reduziert.
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Der analoge Effekt wird durch die oben beschriebene Veränderung des Hebelarms 96 erreicht: Gemäß diesem Aspekt übertragen bei geringer Hubhöhe (erste Schwenkrahmen-Auslenkung, in 4a, 4b illustriert) der Antriebskörper 94a und die Kuppelstange 84b aufgrund des großen Hebelarms 96 die Bewegung des Schwenk-Aktuators 92 auf den Schwenkrahmen 80, so dass eine rasche Umsetzung eines Gasbefehls möglich ist. Zwar werden auch die auf den Schwenkrahmen 80 wirkenden Kräfte auf den Schwenk-Aktuator 92 in hohem Maße zurück übertragen, aber das ist unproblematisch, da die entsprechenden Kräfte bei geringer Hubhöhe klein sind. Umgekehrt überträgt bei großer Hubhöhe (zweite Schwenkrahmen-Auslenkung, in 5 illustriert) der Antriebskörper 94a und die Kuppelstange 94b aufgrund des geringen Hebelarms 96 die Bewegung des Schwenk-Aktuators 92 in wesentlich geringerem Maße auf den Schwenkrahmen 80; dies ist jedoch unproblematisch, da in diesem Zustand eine rasche Umsetzung eines Gasbefehls weniger bedeutsam ist. Andererseits wird nur noch ein wesentlich geringerer Teil der – nun bei großer Hubhöhe erheblichen – auf den Schwenkrahmen 80 wirkenden Kräfte auf den Schwenk-Aktuator 92 zurück übertragen, so dass die erforderlichen Rückstellkräfte, um den Schwenkrahmen 80 stabil zu halten, immer noch aufgebracht werden können.
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Die oben beschriebenen Vorteile werden noch verstärkt durch das erfindungsgemäße Schneckengetriebe 98a, da dieses ebenfalls aufgrund seiner Konstruktion dazu beiträgt, den Schwenkrahmen 80 stabil zu halten.
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Gemäß einem allgemeinen Aspekt bildet der Antriebskörper-Hebelarm des Antriebskörpers 94a gegenüber der Kuppelstange 94b bei der ersten Schwenkrahmen-Auslenkung einen Winkel von zwischen 60° und 120°, bevorzugt zwischen 80° und 90°. Genauer gesagt ist dieser Winkel am Anlenkungspunkt zwischen Antriebskörper 94a und Kuppelstange 94b gebildet, zwischen der Geraden zur Drehachse des Antriebskörpers 94a und der Geraden zum Anlenkungspunkt zwischen Kuppelstange 94b und Schwenkrahmen 80. Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt bildet der Antriebskörper-Hebelarm gegenüber der Kuppelstange 94b bei der zweiten Schwenkrahmen-Auslenkung einen Winkel von zwischen 0° und 45°, bevorzugt zwischen 2° und 30°. Gemäß einem weiteren Aspekt durchläuft dieser Winkel nicht den Null-Winkel, d.h. das Schwenk-Getriebe 94 durchläuft keinen Totpunkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Schwenktrieb 94 einen um eine dritte Rotationsachse drehbaren Antriebskörper 94a, welcher ein um die dritte Rotationsachse gekrümmtes und mit der Verstellschnecke 98 in Eingriff stehendes gezahntes Segment umfasst. Gemäß einem weiteren Aspekt bildet die dritte Rotationsachse 86 gleichzeitig die Hebelachse 52 des Schlepphebels 50.
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Gemäß einem weiteren Aspekt erlaubt der Schwenktrieb 94 durch Schwenken bzw. Halten des Schwenkrahmens 80 ein Verstellen (Schwenken) der ersten Rotationsachse 14.
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Weitere allgemeine Aspekte beziehen sich auf die Dimensionen des Schwenktriebs 90. Gemäß einem Aspekt ist die Länge des Schwenkrahmens 80 (Abstand zwischen Schwenkachse des Schwenkrahmens 80 und seinem Anlenkungspunkt an der Kuppelstange 94b) mindestens um Faktor 2, bevorzugt sogar um Faktor 3, größer als die Länge der Kuppelstange 94b (Abstand zwischen ihren beiden Anlenkungspunkten). Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Länge der Kuppelstange 94b größer, bevorzugt mindestens um Faktor 2 größer, als die Länge des Antriebskörper-Hebelarms (Abstand zwischen Drehachse des Antriebskörpers 94a und seinem Anlenkungspunkt an der Kuppelstange 94b). Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Länge des Antriebskörper-Hebelarms größer, bevorzugt mindestens um Faktor 2 größer, als der Abstand zwischen der Drehachse des Antriebskörpers 94a und seiner Außenkontur (radial bis zur Mitte der Zähne).
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6 zeigt diagrammatisch die Hubhöhe des Ventils 70 als Funktion der Aktuator-Auslenkung des Schwenk-Aktuators 92 (Anzahl von Umdrehungen der Welle des Stellmotors). Hierbei zeigt die durchgezogene Linie die Hubhöhe für den in 4a–5 dargestellten erfindungsgemäßen Ventiltrieb mit variablem Übersetzungsverhältnis. Die gestrichelte Linie zeigt zum Vergleich die Hubhöhe für einen ansonsten analogen Ventiltrieb, der ein Schwenkgetriebe mit einem konstantem Übersetzungsverhältnis aufweist, wie in 3 beispielhaft dargestellt ist.
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Auch die gestrichelte Linie zeigt eine nicht-linear ansteigende Hubhöhe mit anfangs geringer und sodann wachsender Steigung. Dieser Verlauf ist wesentlich auf die Gestaltung der Schlepphebel-Kontur 54 zurückzuführen, nicht aber auf das (konstante) Übersetzungsverhältnis des Schwenkgetriebes. Im Vergleich der beiden in 6 gezeigten Kurven ist deutlich zu sehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb (durchgezogene Linie) die anfängliche Steigung bei geringem Ventilhub erhöht ist, bei größerem Ventilhub jedoch stärker begrenzt ist. Dadurch wird die durch die Gestaltung der Schlepphebel-Kontur 54 bedingte starke Nichtlinearität (gestrichelte Kurve) zumindest teilweise kompensiert, so dass im Ergebnis Schwankungen der Steigung dieser Kurve reduziert sind. Im Ergebnis führt das hierin beschriebene Schwenkgetriebe somit zu einem stabileren und ausgeglicheneren Verhalten des Ventiltriebs.
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Gemäß einem allgemeinen Aspekt ist die (variable) Übersetzung des Schwenk-Getriebes 94 derart gewählt, dass der Schwenkrahmen 80 mit 5 bis 30 Umdrehungen, vorzugsweise mit 7 bis 20 Umdrehungen des Schwenk-Aktuators (Welle des Stellmotors) 92 von der einer minimalen Hubhöhe zugeordneten Schwenkrahmen-Auslenkung zu der einer maximalen Hubhöhe zugeordneten Schwenkrahmen-Auslenkung führbar ist. Dabei kann die Schneckenübersetzung des Schneckengetriebes 98a zwischen 1:10 und 1:100 liegen, vorzugsweise zwischen 1:20 und 1:80, und besonders bevorzugt zwischen 1:30 und 1:70.
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Schließlich werden weitere allgemeine Aspekte in Bezug auf das Schwenk-Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis beschrieben: Gemäß einem Aspekt weist der Ventiltrieb ein Betätigungssystem zum periodischen Öffnen und Schließen eines (d.h. mindestens eines) Ventils auf. Das Betätigungssystem umfasst einen schwenkbar um eine Schwenkachse (z.B. im Zylinderkopf) gelagerten (insbesondere starren) Schwenkrahmen; ein um eine erste Rotationsachse drehbar in dem Schwenkrahmen gelagertes erstes Antriebsmittel; ein Ventilbetätigungs-Getriebe zum Übertragen der Rotationsbewegung des ersten Antriebsmittels in eine Hubbewegung zur Betätigung des Ventils derart, dass wenn sich durch das Schwenken des Schwenkrahmens die Position der ersten Rotationsachse verändert, eine Hubhöhe (optional auch ein oder mehrere andere Aspekte des Ventilhubs, also weitere den Ventilhub kennzeichnende Größen, wie etwa eine Phase des Ventilhubsverlaufs) für das Ventil verstellt wird. Der Ventiltrieb umfasst weiter einen Schwenktrieb zum Schwenken des Schwenkrahmens um die Schwenkachse mit einem Schwenk-Aktuator und einem Schwenk-Getriebe (zwischen dem Schwenk-Aktuator und dem Schwenkrahmen).
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Gemäß einem allgemeinen Aspekt umfasst das Schwenk-Getriebe ein Schneckengetriebe, einen mittels des Schneckengetriebes von dem Schwenk-Aktuator angetriebenen drehbaren Antriebskörper und eine zwischen dem Antriebskörper und dem Schwenkrahmen angeordnete Kuppelstange. Das Schwenk-Getriebe weist ein nichtkonstantes Übersetzungsverhältnis auf. Das Übersetzungsverhältnis ist definiert als das Verhältnis von differenzieller Schwenkrahmen-Auslenkung des Schwenkrahmens zu differenzieller Aktuator-Auslenkung des Schwenk-Aktuators; nichtkonstant bedeutet, dass das Übersetzungsverhältnis insbesondere in Abhängigkeit von der Aktuator-Auslenkung des Schwenk-Aktuators variiert. Bevorzugt hängt das Übersetzungsverhältnis in einer solchen Weise von der Aktuator-Auslenkung (z.B. totaler Drehwinkel ab Minimalstellung) des Schwenk-Aktuators ab, dass das Übersetzungsverhältnis bei einer ersten, einer geringeren Hubhöhe zugeordneten Schwenkrahmen-Auslenkung (z.B. Schwenkwinkel des Schwenkrahmens ab Minimalstellung) größer ist als das Übersetzungsverhältnis bei einer zweiten, einer größeren Hubhöhe zugeordneten Schwenkrahmen-Auslenkung.
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Der Schwenktrieb ist vorzugsweise operativ an einen Gasbefehlsgeber gekoppelt, um das Schwenken des Schwenkrahmens, und somit die Veränderung der Position der ersten Rotationsachse, in Abhängigkeit eines vom Gasbefehlsgeber gegebenen Gasbefehl (und möglicherweise weiterer Einflussgrößen) erfolgt.
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Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs können beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile aufweisen:
Das nichtkonstante Übersetzungsverhältnis des Schwenk-Getriebes erlaubt eine an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasste Ansteuerung des Ventiltriebs. Bei einer geringeren Hubhöhe kann beispielsweise ein größeres Übersetzungsverhältnis eingestellt sein, so dass auch mit einer geringen Aktuator-Auslenkung des Schwenk-Aktuators der Schwenkrahmen rasch verstellt werden kann. Bei einer größeren Hubhöhe tritt jedoch das Problem auf, dass der Ventiltrieb aufgrund der stärkeren Auslenkung und Beschleunigung der Ventile stärkeren Vibrationen ausgesetzt ist und höhere Gegenkräfte aufwenden muss. Hier trägt ein verringertes Übersetzungsverhältnis dazu bei, dass derartige Vibrationen und Kräfte weniger stark auf den Schwenk-Aktuator rückübertragen werden bzw. besser durch den Schwenk-Aktuator aufgefangen werden können.
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Weiter trägt auch das Schneckengetriebe dazu bei, gute Übertragung der Bewegung vom Schwenk-Aktuator zum Schwenkrahmen zu gewährleisten, und andererseits eine ausreichende Stabilität gegenüber Vibrationen und Rückkräften sicherzustellen. Auf diese Weise erlauben sowohl das variable Übersetzungsverhältnis als auch das Schneckengetriebe, einen ausreichenden und vor allem hinreichend stabilen Antrieb des Schwenkrahmens herzustellen, bei gleichzeitig vertretbaren Anforderungen an den Schwenk-Aktuator. Weiter kann erreicht werden, dass die Lagerung des ersten Antriebsmittels trotz der darauf wirkenden Kräfte auch bei großer Hubhöhe stabil relativ zum Zylinderkopf gehalten werden kann.
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Die zwischen dem Antriebskörper und dem Schwenkrahmen angeordnete Kuppelstange ermöglicht das variable Übersetzungsverhältnis. Zusätzlich erlaubt sie eine effiziente und reibungsarme Bewegungsübertragung und trägt somit ebenfalls dazu bei, die Anforderungen an den Schwenk-Aktuator gering zu halten, wobei gleichzeitig die Flexibilität in der Anordnung und Bewegung des Schwenkrahmens erhalten bleibt.
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Kopplung der Verstellschnecke an den Schwenk-Aktuator mit axialem Spiel (Fig. 4b, Fig. 5)
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Wieder mit Bezug auf 4b und 5 wird im Folgenden die Kopplung der Verstellschnecke 98 an den Schwenk-Aktuator 92 genauer beschrieben. Der Schwenk-Aktuator 92 wird durch einen Stellmotor mit rotierender Welle 99 gebildet. Die Verstellschnecke 98 weist eine axial verlaufende Öffnung auf, in die die Welle 99 des Stellmotors 92 eingesetzt ist. Dabei greift die Welle 99 derart in die Innenseite der Öffnung ein, dass eine Rotationsbewegung der Welle 99 an die Verstellschnecke 98 übertragen wird. Dies wird durch eine bezüglich Rotation formschlüssige Kopplung zwischen Verstellschnecke 98 und Welle 99 erreicht, beispielsweise durch eine nicht-rotationssymmetrische Gestaltung der Innenkontur der Öffnung der Verstellschnecke 98, und eine entsprechend in die Innenkontur eingreifende Gestaltung der Welle 99.
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Andererseits ist die Verstellschnecke 98 axial verschiebbar bezüglich der Welle 99, so dass ein axiales Spiel (in Bezug auf Axialkräfte bzw. axiale Bewegung) zwischen Verstellschnecke 98 und Welle 99 möglich ist. Weiter ist die Verstellschnecke durch ein Drehlager 95 (siehe 5) an den Zylinderkopf (nicht dargestellt) gekoppelt. Die Kopplung kann entweder direkt oder indirekt über ein starres Zwischenglied erfolgen. Das Drehlager 95 erlaubt eine Drehung zwischen der Verstellschnecke 98 und dem Zylinderkopf, koppelt die Verstellschnecke 98 aber in Bezug auf axiale Bewegung fest an den Zylinderkopf.
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Aufgrund dieser Kopplung werden an die Verstellschnecke 98 angreifende Axialkräfte an den Zylinderkopf abgeleitet, im Wesentlichen ohne auf die Welle 99 des Stellmotors durchzuschlagen. Somit kann eine Rotationsbewegung von der Welle 99 zur Verstellschnecke 98 übertragen werden, der Stellmotor 92 jedoch, ein Spiel zwischen Welle 99 und Verstellschnecke 98, in Bezug auf Axialkräfte geschützt werden.
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Die Entkopplung axialer Kräfte zwischen von der Verstellschnecke zur Welle des Stellmotors und das Ableiten der Axialkräfte auf den Zylinderkopf erlauben es, Axiallasten vom Stellmotor fern zu halten. Die Axiallasten werden stattdessen vom Zylinderkopf aufgenommen. Lediglich eine Rotationsbewegung kann zwischen der Verstellschnecke und der Welle des Stellmotors übertragen werden.
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Ein weiterer Vorteil der hierin beschriebenen Kopplung ist, dass der Schwenktrieb unempfindlicher gegenüber thermischen Expansionen ist, da diese aufgrund des axialen Spiels absorbiert werden können. Dies ist gerade für einen im Bereich des Zylinderkopfes angeordneten Ventiltrieb ein relevanter Vorteil. Zusätzlich ist bei der hierin beschriebenen Kopplung die Wärmeübertragung vom Zylinderkopf zum Stellmotor verringert, so dass der Stellmotor besser vor Überhitzung geschützt ist. Dieser Vorteil kann noch durch Anordnung des Stellmotors 92 in einem thermisch isolierenden Gehäuse (z.B. Kunststoffgehäuse) gesteigert werden.
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Im Folgenden werden einige allgemeine Aspekte in Bezug auf die Entkopplung axialer Kräfte beschrieben: Gemäß einem Aspekt umfasst ein variabler Ventiltrieb 2 zur Betätigung eines Ventils 70 eines Verbrennungsmotors: ein Betätigungssystem zum periodischen Öffnen und Schließen des Ventils 70. Das Betätigungssystem umfasst einen schwenkbar um eine Schwenkachse 24 (z.B. im Zylinderkopf oder einem starr mit dem Zylinderkopf verbundenen Element) gelagerten Schwenkrahmen 80; ein um eine erste Rotationsachse 14 drehbar in dem Schwenkrahmen 80 gelagertes erstes Antriebsmittel 16; ein Ventilbetätigungs-Getriebe 4 zum Übertragen der Rotationsbewegung des ersten Antriebsmittels 16 in eine Hubbewegung zur Betätigung des Ventils 70 derart, dass wenn sich durch das Schwenken des Schwenkrahmens 80 die Position der ersten Rotationsachse 14 verändert, ein Ventilhub für das Ventil 70 verstellt wird. Der Ventiltrieb umfasst weiter einen Schwenktrieb 90 zum Schwenken des Schwenkrahmens 80 um die Schwenkachse 24 mit einem Stellmotor 92 und einem Schwenk-Getriebe 94, welches Schwenk-Getriebe 94 durch den Stellmotor 92 zum Verstellen des Schwenkrahmens 80 angetrieben wird. Das Schwenk-Getriebe 94 umfasst ein Schneckengetriebe 98a mit einer Verstellschnecke 98, wobei die Verstellschnecke 98 über eine Welle 99 des Stellmotors 92 zum Verstellen des Schwenkrahmens 80 angetrieben wird. Die Welle 99 des Stellmotors 92 ist derart an die Verstellschnecke 98 gekoppelt, um eine Rotationsbewegung von der Welle 99 zur Verstellschnecke 98 zu übertragen, in Bezug auf Axialkräfte jedoch ein Spiel zwischen Welle 99 und Verstellschnecke 98 zu erlauben.
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In dem variablen Ventiltrieb gemäß dem vorangehenden Aspekt ist die Verstellschnecke 98 derart an ein stationäres (d.h. nicht mitrotierbares) Element gekoppelt, um an die Verstellschnecke 98 angreifende Axialkräfte an das stationäre Element abzuleiten (insbesondere im Wesentlichen ohne auf die Welle 99 des Stellmotors durchzuschlagen).
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In dem variablen Ventiltrieb gemäß einem beliebigen der vorangehenden Aspekte ist die Verstellschnecke 98 drehbar, aber in Bezug auf axiale Bewegung fest an dem stationären Element gelagert. Vorzugsweise ist Verstellschnecke 98 derart mittels eines Drehlagers gelagert.
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In dem variablen Ventiltrieb gemäß einem beliebigen der vorangehenden Aspekte ist das stationäre Element ein Teil des Zylinderkopfes oder ein starr mit dem Zylinderkopf verbundenes Element.
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In dem variablen Ventiltrieb gemäß einem beliebigen der vorangehenden Aspekte ist die Welle 99 des Stellmotors 92 axial verschiebbar und bezüglich Rotation formschlüssig an die Verstellschnecke 98 gekoppelt.
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In dem variablen Ventiltrieb gemäß einem beliebigen der vorangehenden Aspekte greift die Welle 99 des Stellmotors 92 derart in eine Innenseite einer axial in der Verstellschnecke 98 verlaufenden Öffnung greift, um eine Rotationsbewegung zu koppeln, und um axiales Spiel zu erlauben, und eine Außenseite der Verstellschnecke 98 ist zur Aufnahme der Axialkräfte an das stationäre Element gekoppelt.
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In dem variablen Ventiltrieb gemäß einem beliebigen der vorangehenden Aspekte weist das Schneckengetriebe 98a ein Zahnsegment auf, das durch die Verstellschnecke 98 angetrieben wird und zum Verstellen des Schwenkrahmens 80 an den Schwenkrahmen 80 gekoppelt ist.
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Jeder dieser Aspekte ist mit weiteren hierin beschriebenen Aspekten und besonders mit weiteren, in den Ansprüchen beschriebenen Details kombinierbar: Denn die in diesem Teil beschriebene Kopplung der Verstellschnecke 98 an den Schwenk-Aktuator 92 trägt dazu bei, den Schwenkrahmens trotz der bei Betrieb auf ihn wirkenden Kräfte stabil zu halten, da dank dieser Konstruktion ein Großteil der hierfür erforderlichen Gegenkräfte durch den Zylinderkopf zur Verfügung gestellt werden, und nur ein kleiner Teil auf den (schwächeren) Stellmotor durchschlägt. Daher erzielt diese Anordnung des Schneckengetriebes 98a eine besonders vorteilhafte Wirkung in Kombination mit dem hierin ebenfalls beschriebenen Schwenk-Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis.
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Motor mit Teiltrieben für mehrere Zylinderbänke (Fig. 7–Fig. 10)
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Mit Bezug auf 7–10 wird nun ein weiterer erfindungsgemäßer Ventiltrieb 2 für einen V2-Motor beschrieben. In 7, 8 ist dieser Ventiltrieb bei großer Hubhöhe dargestellt; in 9 bei geringer Hubhöhe. Der Ventiltrieb 2 umfasst zwei Teiltriebe 2-1 und 2-2 für jeweils ein Einlassventil 70-1 und 70-2 und ein Auslassventil 78-1 und 78-2. Jedem dieser Teiltriebe ist eine eigene Zylinderbank (mit eigenen Brennkammern) zugeordnet, so dass die Einlassventile 70-1 und 70-2 zu verschiedenen Brennkammern zugeordnet sind.
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In 7–9 sind Teile mit gleicher Funktion wie in den vorangehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen wie dort versehen, wobei den Bezugszeichen eine -1 für Teile des Teiltriebs 2-1 und eine -2 für Teile des Teiltriebs 2-2 hinzugefügt ist. Mit dieser Änderung gilt die Beschreibung der vorangehenden Figuren auch für jeden der Teiltriebe 2-1 und 2-2, soweit nicht im Folgenden anders beschrieben. Insbesondere hat jeder der Teiltriebe 2-1 und 2-2 einen Schwenkrahmen 80-1 bzw. 80-2, und durch Schwenken des Schwenkrahmens 80-1 bzw. 80-2 kann die Position der jeweiligen (ersten) Rotationsachse 14-1 bzw. 14-2 verändert werden, wodurch der Ventilhub, genauer die Hubhöhe, des jeweiligen Ventils 70-1 bzw. 70-2 verstellt wird.
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In dem Ventiltrieb 2 ist für die Schwenkrahmen 80-1 und 80-2 beider Teiltriebe 2-1 und 2-2 ein gemeinsamer Schwenktrieb 90 vorgesehen. Der Schwenktrieb 90 ist ausgestattet, beide Schwenkrahmen 80-1 und 80-2 gemeinsam um ihre jeweilige Schwenkachse 24-1 bzw. 24-2 zu schwenken oder in ihrer Position zu halten, und somit den Ventilhub der Ventile 70-1 und 70-2 gemeinsam und in gleicher Weise zu steuern. In dieser Ausführungsform erfolgt das Schwenken bzw. Halten beider Schwenkrahmen 80-1 und 80-2 in gleicher Weise (spiegelbildlich um den gleichen Winkel), um den Ventilhub der Ventile 70-1 und 70-2 gemeinsam und in gleicher Weise zu steuern (siehe 7 und 9 für zwei verschiedene Schwenk-Zustände der Schwenkrahmen 80-1 und 80-2).
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Der gemeinsame Schwenktrieb 90 umfasst einen gemeinsamen Schwenk-Aktuator 92 und Schwenk-Getriebe 94-1 und 94-2. Das Schwenk-Getriebe 94-1 überträgt eine Bewegung des Schwenk-Aktuators 92 in eine Schwenkbewegung des Schwenkrahmens 80-1, und das Schwenk-Getriebe 94-2 überträgt die Bewegung des Schwenk-Aktuators 92 in eine Schwenkbewegung des Schwenkrahmens 80-2.
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Der Schwenk-Aktuator 92 weist einen Stellmotor 91 und zwei Wellenenden 99-1, 99-2 an gegenüberliegenden Seiten des Stellmotors 91 auf. Das erste Schwenk-Getriebe 94-1 koppelt das erste Wellenende 99-1 zum Schwenken an den ersten Schwenkrahmen 80-1, und das zweite Schwenk-Getriebe 94-2 koppelt das zweite Wellenende 99-2 zum Schwenken an den zweiten Schwenkrahmen 80-2. Die beiden Wellenenden 99-1, 99-2 gehören vorzugsweise zu einer gemeinsamen (ein- oder mehrstückigen) durchgehenden, also im Ganzen rotierenden, Welle des Stellmotors 92.
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Die Schwenk-Getriebe 94-1 und 94-2 sind darüber hinaus jeweils wie das in 4a–5 dargestellte Schwenk-Getriebe 94 aufgebaut, und die obige Beschreibung dieses Schwenk-Getriebes und zu diesem gehöriger allgemeiner Aspekte gilt auch für die Schwenk-Getriebe 94-1 und 94-2 entsprechend. Insbesondere weisen die Schwenk-Getriebe 94-1 und 94-2 von der Antriebs- zur Abtriebsseite hin folgende Elemente auf: ein erstes Schneckengetriebe mit einer durch das erste bzw. zweite Wellenende 99-1, 99-2 angetriebenen ersten Verstellschnecke 98-1 bzw. 98-2, einen drehbaren Antriebskörper 94a-1 bzw. 94a-2 und eine Kuppelstange 94b-1 bzw. 94b-2.
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Die erste und die zweite Verstellschnecke 98-1, 98-2 sind gegenläufig, d.h. eine ist linksgängig und die andere rechtsgängig. Diese Anordnung ermöglicht es, eine gegenläufige Drehbewegung der Wellenenden 99-1, 99-2 (wie etwa bei einer durchgehenden Welle) in eine gleichartige Schwenkbewegung der Schwenkrahmen 80-1 und 80-2 zu übertragen.
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In der Querschnittsansicht von 8 ist weiter die Kopplung der Verstellschnecken 98-1 und 98-2 an die Wellenenden 99-1 bzw. 99-2 des Stellmotors dargestellt. Die Anordnung ist für jeden der Teiltriebe analog zu der in 4b und 5 dargestellten Anordnung, und die Beschreibung dieser Figuren gilt mit den bereits beschriebenen Abwandlungen auch für jede der Verstellschnecken 98-1 und 98-2 von 8. Insbesondere ist auch in der Ausführungsform von 8 das jeweilige Wellenende 99-1 (99-2) bezüglich Rotation formschlüssig (ggf. über Zwischenglieder) an die Verstellschnecke 98-1 (98-2) gekoppelt, so dass eine Rotationsbewegung übertragen wird; und andererseits ist ein axiales Spiel zwischen der Verstellschnecke 98-1 (98-2) und Wellenende 99-1 (99-2) möglich. Diese Anordnung bietet in der Kombination mit einem gemeinsamen Schwenk-Aktuator für mehrere Teiltriebe besondere Vorteile, da sie eine Längenänderung zwischen beiden Verstellschnecken 98-1 und 98-2 bzw. zwischen beiden Lagern 95-1 und 95-2 erlaubt. Eine solche Längenänderung kann beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnung des die beiden Ventiltriebe verbindenden Motorabschnitts erfolgen. Durch das axiale Spiel können solche und andere thermische Schwankungen im Bereich des Schwenk-Aktuators besonders effizient gelindert werden.
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Die Verstellschnecke 98-1 (98-2) ist durch ein Drehlager 95-1 (95-2) an den Zylinderkopf (nicht dargestellt) gekoppelt. Das Drehlager 95-1 (95-2) erlaubt eine Drehung zwischen der Verstellschnecke 98-1 (98-2) und dem Zylinderkopf, koppelt sie aber in Bezug auf axiale Bewegung fest an den Zylinderkopf. Das Drehlager 95-1 (95-2) ist analog zu dem in 5 dargestellten Drehlager 95, mit dem Unterschied, dass das Drehlager 95-1 (95-2) jedoch an einer bezüglich des Stellmotors 92 distalen Position der Verstellschnecke 98-1 (98-2). Diese Anordnung erlaubt es, die beiden Teiltriebe 2-1 und 2-2 näher zueinander anzuordnen und trägt somit zu einer kompakteren Geometrie des V2-Motors bei.
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10, die eine Vergrößerung eines Ausschnitts aus 8 ist, zeigt im Detail die Kopplung zwischen dem ersten Wellenende 99-1 und der Verstellschnecke 98-1. Die Kopplung erfolgt durch ein hohles Zwischenstück 99b, welches an seiner Innenseite (antriebsseitig) an ein Wellenstück der Welle 99 und an seiner Außenseite (abtriebsseitig) in eine Öffnung der Verstellschnecke 98-1 eingesetzt ist. Das Zwischenstück 99b kann als Teil des Wellenendes 99-1 angesehen werden.
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Weiter ist das Zwischenstück 99b an seiner Innenseite derart angeschrägt, dass sich die Innenseite antriebsseitig öffnet, und an seiner Außenseite derart angeschrägt, dass sich die Außenseite abtriebsseitig verjüngt. Dadurch wird der rotationsmäßige Formschluss auch bei einem leichten Winkelfehler (relative Neigung der gegenüber dem Zwischenstück 99b antriebs- und abtriebsseitigen Drehachse, um z.B. bis zu 3°) sichergestellt.
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Das zweite Wellenende 99-2 des Stellmotors 92 ist durch ein separates Teilstück 99a der Welle 99 gebildet (8). Dieses separate Teilstück 99a ist formschlüssig mitdrehbar an den Rest der Welle 99 gekoppelt, dennoch entriegelbar und nach Entriegelung seitlich herausnehmbar. Nach Herausnahme des Teilstücks 99a kann der Stellmotor 92 durch Verkippen weg von seiner Achse entnommen werden. Somit ist nach Herausnahme des Teilstücks 99a der Stellmotor 92 ohne Ausbau weiterer Teile auf einfache Weise, etwa für Wartungszwecke, entnehmbar. Zusätzlich dient das Teilstück 99a auch der Grundeinstellung des Ventiltriebs, da es nach dem Zusammenbau des Ventiltriebs erst dann verriegelt werden kann, wenn beide Schwenkrahmen 80-1 und 80-2 in den gleichen Schwenkzustand (gleiche Auslenkung) gebracht worden sind.
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Auch wenn die in 7–10 dargestellte Ausführungsform einen V2-Motor darstellt, ist ein analoger Ventiltrieb auch mit anderen Motoren möglich. Vorteilhaft ist ein solcher Ventiltrieb insbesondere bei einem Motor mit mindestens zwei Zylinderbänken, so dass der erste und zweite Teiltrieb 2-1, 2-2 jeweils einer der Zylinderbänke zugeordnet ist. Eine Zylinderbank kann hierbei einen einzelnen Zylinder oder mehrere in der Zylinderbank aufgereihte Zylinder umfassen. Der Ventiltrieb ist für einen Motor mit beliebigem Bankwinkel zwischen 0° und 180° verwendbar, wobei ein Bankwinkel von 50°–180° besonders vorteilhaft ist. Besonders vorteilhaft ist der Ventiltrieb für einen V- oder W-Motor verwendbar.
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Im Folgenden werden einige allgemeine Aspekte in Bezug auf die Teiltriebe beschrieben:
Gemäß einem Aspekt verbindet eine Welle 99 die beiden Wellenenden 99-1, 99-2. Die Verbindung kann einen rotationsmäßigen Formschluss zwischen beiden Wellenenden 99-1, 99-2 herstellen. Gemäß einem bevorzugten Aspekt ist die Welle 99 gestaltet, um den rotationsmäßigen Formschluss auch bei einem Winkelfehler von mindestens bis zu 3° sicherzustellen. Eine solche Gestaltung ist beispielsweise durch ein Zwischenstück möglich, das Wellenabschnitte bzw. -enden derart miteinander verbindet, dass auch bei Vorliegen des Winkelfehlers der rotationsmäßige Formschluss erhalten bleibt. Beispielsweise kann das Zwischenstück an seiner Innenseite an ein erstes Wellenstück der Welle und an seiner Außenseite an ein weiteres Wellenstück der Welle oder an die Verstellschnecke eingesetzt sein. Die Innenseite kann sich zu dem ersten Wellenstück hin öffnen, und die Außenseite kann sich zu dem weiteren Wellenstück oder der Verstellschnecke hin verjüngen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Welle 99 einen Entriegelungsmechanismus 99a auf (der beispielsweise zwei Wellenabschnitte miteinander verbindet oder ein Wellenende mit einer von diesem Wellenende angetriebenen Verstellschnecke), wobei die Welle bei verriegeltem Entriegelungsmechanismus 99a einen rotationsmäßigen Formschluss zwischen den beiden Wellenenden 99-1, 99-2 (genauer zwischen den von den Wellenenden angetriebenen Verstellschnecken) herstellt, und bei entriegeltem Entriegelungsmechanismus 99a der rotationsmäßige Formschluss gelöst ist. Der Entriegelungsmechanismus 99a kann beispielsweise durch eine Schraube hergestellt werden, die einen Reibschluss wahlweise herstellt oder löst.
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Gemäß einem Aspekt sind die erste und die zweite Verstellschnecke 98-1, 98-2 gegenläufig, also eine linksgängig und die andere rechtsgängig.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind das erste und das zweite Schwenk-Getriebe 94-1, 94-2, (und vorzugsweise auch der erste und der zweite Schwenkrahmen 80-1, 80-2 oder sogar das erste und das zweite Betätigungssystem) spiegelbildlich und / oder auf gegenüberliegenden Seiten des Stellmotors 92 aufgebaut.
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Diese Aspekte können auch mit anderen hierin beschriebenen Aspekten, etwa zur Kopplung der Verstellschnecke an den Schwenk-Aktuator und/oder zum Schwenk-Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis, für eins oder beide der Schwenk-Getriebe, kombiniert werden.
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Weitere Aspekte
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Als weiteres zusätzlich in 7–9 dargestelltes Detail umfasst der Teiltrieb 2-1 ein an dem Antriebskörper 94a-1 befestigtes Anschlagselement 93a-1 und ein am Zylinderkopf befestigtes Gegenanschlagselement 93b-1. Das Anschlagselement 93a-1 und Gegenanschlagselement 93b-1 bilden miteinander einen Anschlag, welcher die Auslenkung des Schwenkrahmens 80-1 in Richtung kleiner Ventilöffnung begrenzt. Das Gegenanschlagselement 93b-1 kann ortsfest am Zylinderkopf (direkt oder indirekt) befestigt sein. Alternativ kann das Gegenanschlagselement 93b-1 (z.B. mechanisch, hydraulisch oder elektronisch) einstellbar sein, etwa um eine variable minimale (Leerlauf-)Ventilöffnung und somit eine Basisleerlaufdrehzahl des Motors zu definieren. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Anschlagselement 93a-1 auch an dem Schwenkrahmen 80-1 oder an einem anderen Teil des Schwenkgetriebes 94-1 angebracht sein. Ein analoges Anschlags- und Gegenanschlagselement kann auch in der Ausführungsform von 4a–5 vorgesehen sein.
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Ein solcher Anschlag kann nur an einem Zylinderkopf oder an mehreren (beiden) Zylinderköpfen vorgesehen sein.
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Analog kann auch ein weiteres oder alternatives Paar von Anschlags- und Gegenanschlagselement einen Anschlag zur Verfügung stellen, welcher die Auslenkung des Schwenkrahmens 80-1 in Richtung großer Ventilöffnung begrenzt und somit einen Maximalhub definiert.
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Im Folgenden noch weitere Aspekte zu dem Anschlag sowie zu einer (in den Figuren nicht dargestellten) Motoraufnahme für den Stellmotor eines Ventiltriebs erläutert.
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Gemäß einem Aspekt umfasst ein variabler Ventiltrieb zur Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors: ein Betätigungssystem mit einem Ventilbetätigungs-Getriebe zur Betätigung des Ventils und mit einem schwenkbar um eine Schwenkachse (im Zylinderkopf) gelagerten Schwenkrahmen, wobei durch das Schwenken des Schwenkrahmens ein Ventilhub für das Ventil verstellt wird; einen Schwenktrieb zum Schwenken des Schwenkrahmens um die Schwenkachse mit einem Stellmotor und einem Schwenk-Getriebe, welches Schwenk-Getriebe durch den Stellmotor zum Verstellen des Schwenkrahmens angetrieben wird. Gemäß einem Aspekt ist der Stellmotor an einer Kunststoff-Motoraufnahme montiert. Die Kunststoff-Motoraufnahme ist angeordnet, um eine thermische Isolierung des Stellmotors gegenüber der Brennkammer bzw. dem Ventiltrieb herzustellen, und kann beispielsweise den Stellmotor gehäuseartig umgeben. Der Kunststoff hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 20 W/k·m, mehr bevorzugt von weniger als 10 W/k·m, und besonders bevorzugt von weniger als 2 W/k·m oder sogar weniger als 1 W/k·m, und/oder einen E-Modul von weniger als 20 GPa, bevorzugt von weniger als 10 GPa oder sogar weniger als 5 GPa. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein oder mehrere Anschlagselement(e) und Gegenanschlagselement(e) wie oben beschrieben zur Verfügung gestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zum Ansteuern des erfindungsgemäßen Ventiltriebs bzw. eines Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst das Bewegen eines Gasstellungs-Bedienelements aufgrund eines Gasbefehls; (zumindest teilweise) Übertragung der Bewegung des Gasstellungs-Bedienelements durch das Kraftschluss-Element auf das Verstellelement, so dass das Verstellelement bewegt wird; Übertragung der Bewegung des Verstellelements durch Kopplung auf den Lagerungskörper, so dass die Position der ersten Rotationsachse verändert wird und somit der Ventilhub verstellt wird. Das Verfahren operiert vorzugsweise gemäß irgendeinem der optionalen hierin beschriebenen Aspekte, z.B. wird vorzugsweise der zur Positionsverstellung des Anschlagzapfens eingerichteter Stellantrieb in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl des Verbrennungsmotors angesteuert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Ventiltrieb für einen Motorradmotor konfiguriert bzw. ist der Verbrennungsmotor ein Motorradmotor. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Motorrad mit einem solchen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005057127 A1 [0003, 0004, 0008, 0012, 0021, 0028, 0048, 0049]
