DE102016204361A1 - Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb (1) für einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, der mindestens eine Nockenwelle (18) aufweist, wobei die Nockenwelle (18) für jeweils einen Zylinder des Verbrennungsmotors mindestens einen an einem zugeordneten nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nocken aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem nichtschaltbaren Nockenfolger ein erster Haupthub (HH_1) an mindestens einem zugeordneten ersten Gaswechselventil des Zylinders bewirkbar ist, wobei die Nockenwelle (18) für den jeweiligen Zylinder mindestens einen an einem zugeordneten schaltbaren Nockenfolger (2) ablaufenden zweiten Nocken (14) aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem schaltbaren Nockenfolger (2) ein zweiter Haupthub (HH_2) sowie ein wahlweise zu dem zweiten Haupthub (HH_2) zuschaltbarer Nebenhub (NH) mindestens eines zugeordneten zweiten Gaswechselventils (7) bewirkbar ist, und bei dem mittels des Nebenhubs (NH) eine Abgasrückführung in den zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkbar ist. Hierbei ist vorgesehen, dass eine zweite Haupthuberhebung (17’) des an dem schaltbaren Nockenfolger (2) ablaufenden zweiten Nockens (14) kleiner ausgebildet ist als eine erste Haupthuberhebung (17) des an dem nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nockens, und dass eine Nebenhuberhebung (19; 19a, 19b) des an dem schaltbaren Nockenfolger (2) ablaufenden zweiten Nockens (14) derart ausgebildet ist, dass sie sich mit der ersten Haupthuberhebung (17) des an dem nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nockens teilweise überschneidet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, der mindestens eine Nockenwelle aufweist, wobei die Nockenwelle für jeweils einen Zylinder des Verbrennungsmotors mindestens einen an einem zugeordneten nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nocken aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem nichtschaltbaren Nockenfolger ein erster Haupthub an mindestens einem zugeordneten ersten Gaswechselventil des Zylinders bewirkbar ist, wobei die Nockenwelle für den jeweiligen Zylinder mindestens einen an einem zugeordneten schaltbaren Nockenfolger ablaufenden zweiten Nocken aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem schaltbaren Nockenfolger ein zweiter Haupthub sowie ein wahlweise zu dem zweiten Haupthub zuschaltbarer Nebenhub mindestens eines zugeordneten zweiten Gaswechselventils bewirkbar ist, und bei dem mittels des Nebenhubs eine Abgasrückführung in den zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkbar ist.
• Die Abgasrückführung an Verbrennungsmotoren wird als eine von verschiedenen Maßnahmen zur Erfüllung der zunehmend strengeren Abgasvorschriften sowie zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei Kraftfahrzeugen eingesetzt und ständig weiterentwickelt.
• Beim Ottomotor kann die Abgasrückführung vorrangig zu einer Kraftstoffeinsparung beitragen. Beim selbstzündenden Dieselmotoren kann das dem Frischgas zugemischte Abgas im Motorbetriebszyklus über eine Senkung des Sauerstoffgehalts der Zylinderladung zu einer Verringerung der giftigen Stickoxid-Emissionen (NO_X) im ausgestoßenen Abgas führen. Beim Dieselmotor sowie bei manchen Magermix-Ottomotoren ist aufgrund des Betriebs mit Luftüberschuss eine Abgasnachbehandlung mittels eines 3-Wege-Katalysator und einer λ = 1-Regelung wie beim herkömmlichen Ottomotor nicht möglich. Die Abgasnachbehandlung von Stickoxid-Emissionen bei diesen Motoren erfordert daher andere Vorrichtungen, wie beispielsweise NO_X-Speicherkatalysatoren und/oder katalytische Reduktionsmittel, wie die Zugabe von Harnstoff. Zudem sind zur Regeneration bei diesen Katalysatoren relativ hohe Abgastemperaturen erforderlich, welche beispielsweise im Stadtverkehr nicht immer erreicht werden.
• Diese Maßnahmen zur Verringerung von Stickoxidabgasen sind aufwendig und teuer sowie für zukünftige Abgasnormen möglicherweise unzureichend. Daher kann eine frühe Reduzierung der Stickoxidbildung schon im Verbrennungsprozess mit Hilfe einer Abgasrückführung einen wichtigen Beitrag zur Verringerung dieser Schadstoffemissionen leisten. Nachteilig wirken sich bei der Abgasrückführung aufgrund des zunehmenden Sauerstoffmangels bei der Verbrennung die Russbildung und damit die Entstehung von Partikel-Emissionen aus. Zwar steigt mit zunehmender Abgasrückführungsrate die Anzahl von Russpartikeln im Abgas, diese können jedoch bei einer Abgasnachbehandlung mittels Partikelfilter weitgehend zurückgehalten und eliminiert werden, so dass die mit steigender Abgasrückführungsrate zunehmende Stickoxidminderung vorteilhaft überwiegt. Die ebenfalls bei der Verbrennung entstehenden giftigen Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxide (CO) können bei einer Abgasnachbehandlung mittels Oxidationskatalysatoren größtenteils unschädlich gemacht werden. Die Abgasrückführungsrate sollte im Motorzyklus allerdings möglichst schnell und exakt steuerbar sein, da ungenau eingestellte oder in Zeitablauf und Höhe ungenau geregelte Abgasrückführungsraten hinsichtlich der komplexen Verbrennungschemie im Motor kontraproduktiv wirken können.
• Bei der sogenannten internen oder inneren Abgasrückführung wird in der Ansaugphase des Motors, durch ein zusätzliches zeitweiliges Öffnen der Ein- oder Auslassventile während der Ventilhübe neben der Frischluft ein gewisser Anteil an Abgas in den Brennraum des jeweiligen Zylinders zurückgeführt. Im Vergleich zur externen Abgasrückführung, bei der das Abgas aus dem Abgastrakt entnommen und über eine Leitung ventilgesteuert dem Ansaugtrakt wieder zugeführt wird, ermöglicht die innere Abgasrückführung, bei der Abgas direkt in den jeweiligen Zylinder zurückgesaugt wird, eine höhere Dynamik des Stelleingriffs. In modernen Motoren wird die Steuerung der Abgasmasse daher vorrangig durch eine interne Abgasrückführung realisiert.
• In der Dissertation „Variable Ventilsteuerung für Pkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung", C. Kopp, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2006 [1], sind verschiedene Konzepte der Abgasrückführung zur Senkung der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs der dieselmotorischen Verbrennung vorgestellt worden. Darin werden einerseits mehrere Möglichkeiten der variablen Einlassventilsteuerung zur Optimierung der Ladungsbewegung und Ladungstemperatur im Brennraum kombiniert mit einer externen und gekühlten Abgasrückführung, sowie andererseits mehrere Möglichkeiten der variablen Auslassventilsteuerung zur Optimierung der Abgasrückführdynamik kombiniert mit einer internen Abgasrückführung gegenübergestellt.
• Eine Möglichkeit zur internen Abgasrückführung ist das Rücksaugen von Abgas aus dem jeweiligen Auslasskanal des Motors durch kurzzeitiges Öffnen der Auslassventile während der Ansaugphase des Motors. Indem das Auslassventil während der Ansaugphase kontrolliert geöffnet und eine bestimmte Abgasmenge in den Brennraum zurückgesaugt wird, kann eine dynamisch sehr schnell einstellbare Abgasrückführung erzielt werden. Dies kann mittels eines sogenannten Doppelnockens auf einer Nockenwelle im Zusammenspiel mit einem Nockenfolger, wie einem Schlepphebel, realisiert werden. Ein Doppelnocken besteht aus einem Hauptnocken beziehungsweise einer Hauptnockenerhebung, welche auf das betreffende Auslassventil einen Hauptventilhub ausübt, sowie einem Zusatz- oder Nebennocken beziehungsweise eine Zusatz- oder Nebennockenerhebung, welche einen nachträglichen Zusatz- oder Nebenventilhub auf das Auslassventil ausübt.
• Allerdings hat sich herausgestellt, dass eine permanent aktive interne Abgasrückführung weniger optimal ist. Hinsichtlich der Abgasentwicklung mit Stickoxiden und Russpartikeln sowie der weiteren Schadstoffe, wie Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, und des Kraftstoffverbrauchs ist es vorteilhaft, wenn die Abgasrückführung unter bestimmten Betriebsbedingungen und/oder an bestimmten Betriebspunkten des Motors abhängig von Parametern, wie Motorlast und Verbrennungstemperatur, wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Dies kann mittels schaltbare Nockenfolger ermöglicht werden.
• Ein abschaltbarer Rollenschlepphebel ist beispielsweise aus der DE 10 2009 018 671 A1 bekannt. Ein derartiger Schlepphebel kann wahlweise einem Hub übertragen oder einen sogenannten Nullhub (also keinen Hub) ausführen. Ein umschaltbarer Schlepphebel ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 719 A1 bekannt. Ein derartiger Schlepphebel weist einen zweiarmigen Außenhebel und einen dazwischen angeordneten Innenhebel auf, die zueinander verschwenkbar angeordnet sowie miteinander verriegelbar oder entriegelbar sind, und die jeweils Anlaufflächen für eine erste, axial innere Nockenerhebung und eine zweite, axial äußere Nockenerhebung eines mehrteiligen Nockens aufweisen. Hierdurch ist der Schlepphebel zur Erzeugung von zwei unterschiedlichen Ventilhüben umschaltbar. Durch entsprechende Nockenkonturen des Nockens beziehungsweise des axial inneren Hauptnockens und des axial äußeren Zusatznockens, welche an dem schaltbaren Nockenfolger ablaufen, kann wahlweise zusätzlich zum Hauptventilhub ein zweiter, kleinerer Nachventilhub erzeugt werden. Dadurch öffnet das betreffende Auslassventil zusätzlich während des Ansaugtaktes, wobei aufgrund des Abgasgegendrucks Abgase zusätzlich zum Frischgas in den Zylinder geführt werden.
• Vor diesem Hintergrund zeigt die DE 10 2012 215 869 A1 einen Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Gaswechselventil für eine innere Abgasrückführung zusätzlich geöffnet werden kann. Eine Nockenwelle weist einen an einem Schlepphebel ablaufenden Nocken auf, über dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem Schlepphebel ein primärer Ventilhub und ein sekundärer Ventilhub eines zugeordneten Gaswechselventils erzeugbar sind. Alternativ dazu kann der Schlepphebel als ein schaltbares Übertragungselement ausgebildet sein, welches an unterschiedlich gestalteten Nocken gleichzeitig anläuft und je nach Schaltzustand eine der Nockenkonturen zur Betätigung des Gaswechselventils nutzt.
• Außerdem ist es bereits bekannt, bei modernen Motoren mit Mehrventiltechnik zumindest einen Auslasshub eines von mehreren Auslassventilen je Zylinder und/oder zumindest einen Einlasshub eines von mehreren Einlassventilen je Zylinder zuschaltbar und abschaltbar auszuführen, oder zwischen verschiedenen Ventilhüben umschaltbar auszuführen, oder wahlweise mit einem Zusatzhub auszuführen. Demnach kann an jedem Zylinder ein erstes Auslassventil über einen konventionellen Nockenfolger, wie einen nichtschaltbaren Rollenschlepphebel, permanent betätigt werden, sowie ein zweites Auslassventil über einen schaltbaren Nockenfolger, wie einen schaltbaren Rollenschlepphebel, betätigt werden, wobei neben einem Haupthub wahlweise ein zusätzlicher Nebenhub auf das zugeordnete Gaswechselventil übertragen werden kann.
• Die Abgasrückführungsrate bei der internen Abgasrückführung ist gemäß der oben genannten Dissertation [1] durch die Abgasmasse im Zylinder im Verhältnis zur Summe aus Frischladung und Abgasmasse definiert. Sie kann umso größer sein, je kleiner der zeitliche oder drehwinkelbezogene Abstand, also die Spreizung, zwischen dem Ende des Haupt-Auslasshubs und dem Beginn des Nachhubs ist. Andererseits ist diese Spreizung dadurch begrenzt, dass das Auslassventil zunächst mit einer definierten Geschwindigkeit nach Erreichen des oberen Totpunkts im Ausstoßtakt vollständig schließen muss, bevor es im Ansaugtakt noch einmal mit einer definierten Geschwindigkeit geöffnet werden darf. Eine Überschneidung des Schließvorgangs mit dem erneuten Öffnungsvorgang muss vermieden werden, da es sonst zu einer mechanischen Überlastung des betreffenden schaltbaren Nockenfolgers kommen könnte. Eine zusätzliche Berücksichtigung der Toleranzen aller Ventiltriebkomponenten führt schließlich zu einer kleinstmöglichen Spreizung zwischen dem Haupthub und dem Nachhub. Es hat sich jedoch in ungünstiger Weise gezeigt, dass durch diese kleinstmögliche Spreizung eine maximal mögliche und aus thermodynamischer Sicht des Ablaufs der Verbrennung vorteilhaft hohe Abgasrückführungsrate nicht erreicht wird.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors vorzustellen, der eine hinsichtlich der Vermeidung der Entstehung von Schadstoffen im Abgas effektive und dabei variabel nutzbare Abgasrückführungseinrichtung aufweist. Dieser Ventiltrieb soll hinsichtlich des mechanischen Aufwands dafür einfach und kostengünstig sein. Insbesondere soll ein solcher Ventiltrieb eine hohe interne Abgasrückführungsrate bei einem Verbrennungsmotor ermöglichen.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Verbrennungsmotor mit Mehrventiltechnik die mindestens zwei Gaswechselventile auf einer Einlassseite und/oder die mindestens zwei Gaswechselventile auf einer Auslassseite eines jeweiligen Zylinders mittels unterschiedlich gestalteten Nockenkonturen der die Ventile beaufschlagenden Nocken mit unterschiedlichen Ventilhüben betätigt werden können. Insbesondere kann an einem der Ventile durch eine diesbezügliche Optimierung der Nockenkontur eine möglichst hohe Abgasrückführung ermöglicht werden, während ein anderes Ventil auf der gleichen Einlass- oder Auslassseite in herkömmlicher Weise beaufschlagt wird und der entsprechende Nocken daher nur für seine herkömmliche Funktion ausgebildet oder zu optimieren ist. Zudem kann die Abgasrückführung über einen schaltbaren Nockenfolger wahlweise zugeschaltet oder abgeschaltet werden und immer dann genutzt werden, wenn dies für die gesamte Schadstoffreduzierung im Motor vorteilhaft ist.
• Die Erfindung geht daher aus von einem Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, der mindestens eine Nockenwelle aufweist, wobei die Nockenwelle für jeweils einen Zylinder des Verbrennungsmotors mindestens einen an einem zugeordneten nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nocken aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem nichtschaltbaren Nockenfolger ein erster Haupthub an mindestens einem zugeordneten ersten Gaswechselventil des Zylinders bewirkbar ist, wobei die Nockenwelle für den jeweiligen Zylinder mindestens einen an einem zugeordneten schaltbaren Nockenfolger ablaufenden zweiten Nocken aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem schaltbaren Nockenfolger ein zweiter Haupthub sowie ein wahlweise zu dem zweiten Haupthub zuschaltbarer Nebenhub mindestens eines zugeordneten zweiten Gaswechselventils bewirkbar ist, und bei dem mittels des Nebenhubs eine Abgasrückführung in den zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkbar ist.
• Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass eine zweite Haupthuberhebung des an dem schaltbaren Nockenfolger ablaufenden zweiten Nockens kleiner ausgebildet ist als eine erste Haupthuberhebung des an dem nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nockens, und dass eine Nebenhuberhebung des an dem schaltbaren Nockenfolger ablaufenden zweiten Nockens derart ausgebildet ist, dass sie sich mit der ersten Haupthuberhebung des an dem nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nockens teilweise überschneidet.
• Als Abgasrückführungsrate ist eine Abgasmasse im Zylinder im Verhältnis zur Summe aus einer Frischladung und der Abgasmasse definiert.
• Durch die Erfindung wird ein schaltbarer Ventiltrieb zur Abgasrückführung zur Verfügung gestellt. Die Abgasrückführung erfolgt durch einen zusätzlichen Öffnungshub eines Gaswechselventils, durch den zuvor ausgestoßenes Abgas in den betreffenden Zylinder zurückgeführt wird. Der zusätzliche Öffnungshub zum Zwecke der Abgasrückführung ist bei der Anordnung des Ventiltriebs gemäß der Erfindung mit mindestens zwei Ventilen je Einlassseite oder Auslassseite, insbesondere mit zwei Ventilen auf der Auslassseite, im Motorzyklus eines 4-Takt-Motors sehr vorteilhaft zu einem früheren Zeitpunkt als bei bisherig bekannten internen Abgasrückführsystemen durchführbar, so dass die Abgasrückführung damit größer und effektiver in deren Wirkung ausgeführt werden.
• Mittels des Ventiltriebs gemäß der Erfindung wird insbesondere eine höhere interne Abgasrückführungsrate bei einem Verbrennungsmotor mit innerer Gemischbildung ermöglicht. Dadurch wird eine effektivere Reduzierung von Schadstoffen im Abgas, insbesondere ein Verringerung von Stickoxiden erreicht. Die Erfindung erfordert hierzu keine zusätzlichen Vorrichtungen oder Steuerungen. Es ist lediglich eine relativ einfache konstruktive Änderung an den betreffenden Nocken der Nockenwelle vorzusehen. Die Abgasrückführung kann mittels eines schaltbaren Nockenfolgers wahlweise zu- oder abgeschaltet werden und ist damit, abhängig von bestimmten Betriebszuständen des Motors, variabel nutzbar.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch den ersten Nocken ein erster Haupthub an einem ersten Auslassventil eines Zylinders bewirkbar ist, dass durch den zweiten Nocken ein zweiter Haupthub an einem zweiten Auslassventil des Zylinders bewirkbar ist, und dass mittels des zweiten Nockens an dem zweiten Auslassventil zusätzlich ein Nebenhub bewirkbar ist, wobei die Nebenhuberhebung des zweiten Nockens dessen Haupthuberhebung in Nockenwellendrehrichtung nachgeordnet ist, so dass wahlweise durch Zuschalten des Nebenhubs mittels des schaltbaren Nockenfolgers das zweite Auslassventil zusätzlich während des Ansaugtakts für eine interne Abgasrückführung zeitweilig geöffnet werden kann, wobei sich der zusätzliche Öffnungsvorgang des zweiten Auslassventils mit dem Schließvorgang des ersten Auslassventils zeitlich oder drehwinkelbezogen überschneidet.
• Demnach wird an jedem Zylinder des Verbrennungsmotors ein erstes Auslassventil mittels eines konventionellen, nicht schaltbaren Nockenfolgers betätigt. Ein zweites Auslassventil wird im Unterschied dazu von einem schaltbaren Nockenfolger betätigt. Durch eine entsprechende Nockenkontur kann hierbei zusätzlich zum Ventilhub ein kleinerer Nachhub erzeugt werden. Dadurch öffnet das zweite Auslassventil zusätzlich während des Ansaugtakts, wobei aufgrund des Abgasgegendrucks die Abgase zusätzlich zum Frischgas in den Zylinder gedrückt werden.
• Die erreichbare Abgasrückführungsrate ist dabei umso höher, je kleiner die Spreizung, also der zeitliche oder drehwinkelbezogene Abstand zwischen dem Ende des Auslasshubs und dem Anfang des Nachhubs des Auslassventils ist. Diese Spreizung ist jedoch dadurch begrenzt, dass das Auslassventil zunächst vollständig geschlossen sein muss, bevor es wieder geöffnet werden soll, so dass eine bestimmte Spreizung nicht unterschritten werden kann. Durch eine Verkleinerung der Auslasserhebung, also der Haupthuberhebung am zweiten Nocken, kann das betreffende zweite Auslassventil allerdings früher schließen, wodurch in der Folge ein früheres erneutes Öffnen dieses Auslassventils ermöglicht wird, wobei der Nachhub dann vergrößert ausgeführt werden kann.
• Bei dem Ventiltrieb gemäß der Erfindung wird durch eine Verkleinerung der Haupthuberhebung an dem zweiten Nocken, also einer Verringerung dessen Höhe und Breite, welcher an dem schaltbaren Nockenfolger abläuft, der erzeugte Auslasshub entsprechend verkleinert und zeitlich verkürzt. Dies führt zu einem früheren Schließen des betreffenden zweiten Auslassventils im Vergleich zum Schließzeitpunkt des ersten Auslassventils, welches durch den an dem nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nocken beaufschlagt wird. Das zweite Auslassventil kann somit schon während des Schließvorgangs des ersten Auslassventils erneut zum Zwecke der Abgasrückströmung in den Zylinder geöffnet werden.
• Zwar bleibt der kleinste notwendige Abstand zwischen dem Ende der Haupthuberhebung und dem Beginn der Nebenhuberhebung an dem dem zweiten Auslassventil zugeordneten zweiten Nocken bestehen, die funktionelle Spreizung zwischen der Nebenhuberhebung am Nocken für das zweite Auslassventil und der Haupthuberhebung am Nocken für das erste Auslassventil kann jedoch wirksam verringert werden. Hierdurch ist eine mechanische Überlastung der betreffenden Nockenfolger nicht möglich.
• Die Konstruktion des Ventiltriebs wirkt sich zwischen dem Ausstoßtakt und dem Ansaugtakt des jeweiligen Zylinders aus, in denen die Auslassventile und die Einlassventile zunächst überschneidend schließen und öffnen, wobei im Ansaugtakt das zweite Auslassventil nun früher als bisher erneut geöffnet werden kann. Dementsprechend kann eine größere Abgasmenge in den betreffenden Zylinder zurückgeführt werden, so dass eine höhere interne Abgasrückführungsrate erreicht wird. Durch die höhere Abgasrückführungsrate wird der Anteil von Abgas und Frischgas bei der inneren Gemischbildung im Zylinder entsprechend verändert, wodurch die Verbrennungschemie beeinflusst wird. Dies wirkt sich vorteilhaft, insbesondere in einem geringeren Anteil an Stickoxiden im Abgas aus.
• Außerdem kann vorgesehen sein, dass die zwischen der Kontur der zweiten Haupthuberhebung des zweiten Nockens und dem Grundkreis des zweiten Nockens eingeschlossene Fläche kleiner ist als die zwischen der Kontur der ersten Haupthuberhebung des ersten Nockens und dem Grundkreis des ersten Nockens eingeschlossene Fläche, und dass die Kontur der Nebenhuberhebung des zweiten Nockens eine vergrößerte Fläche einschließt, und zwar im Vergleich zu einer maximal großen Fläche, welche durch die Kontur einer angenommenen Nebenhuberhebung des ersten Nockens eingeschlossen werden könnte. Hierdurch kann eine besonders hohe Abgasrückführungsrate im Verbrennungsmotor erreicht werden.
• Bei der Konzeption der Haupthuberhebungen der beiden Nocken ist zu berücksichtigen, dass eine Verkleinerung der Haupthuberhebungen an dem Nocken für den schaltbaren Nockenfolger zu einer verringerten ausgestoßenen Abgasmenge im Ausstoßtakt über das betreffende Auslassventil führen kann. Dadurch kann eine kleinstmögliche Größe dieses Nockens begrenzt sein. Gegebenenfalls kann zur Kompensation eine Vergrößerung der Haupthuberhebung an demjenigen Nocken vorgesehen sein, welcher an dem nichtschaltbaren Nockenfolger abläuft.
• Weiterhin kann vorgesehen ein, dass die schaltbaren und nichtschaltbaren Nockenfolger als schaltbare beziehungsweise nichtschaltbare Schlepphebel, wie Rollenschlepphebel, ausgebildet sind. Schlepphebel sind als Nockenfolger an einem Ventiltrieb kompakt in ihrer Bauform, können relativ einfach als schaltbare Nockenfolger ausgebildet werden, und sind vorteilhaft mit Ventilspielausgleichelementen zu kombinieren. Insbesondere in der Bauform als Rollenschlepphebel übertragen sie Ventilhübe relativ reibungsarm auf die zugehörigen Gaswechselventile. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie auch für einen Ventiltrieb mit Abgasrückführung vorteilhaft geeignet, wobei gemäß der Erfindung je Zylinder ein erstes Auslassventil einem nichtschaltbaren Rollenschlepphebel zugeordnet sein kann, sowie ein zweites Auslassventil, welches zusätzlich für die Abgasrückführung vorgesehen ist, kann einem schaltbaren Rollenschlepphebel zugeordnet sein.
• Dies kann bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch weitergebildet sein, dass der als schaltbarer Rollenschlepphebel ausgebildete Nockenfolger einen ersten Teilhebel und einen zweiten Teilhebel aufweist, welche über eine Gelenkachse gelenkig miteinander verbunden sind, wobei diese beiden Teilhebel mittels einer schaltbaren Kopplungsvorrichtung in einem gekoppelten Zustand miteinander starr verbunden oder in einem entkoppelten Zustand um die Gelenkachse zueinander verschwenkbar sind, wobei der erste Teilhebel eine erste Nockenanlauffläche für eine Haupthuberhebung des zweiten Nockens zur Erzeugung des Haupthubs des zugeordneten zweiten Auslassventils aufweist, und wobei der zweite Teilhebel mindestens eine zweite Nockenanlauffläche für eine Nebenhuberhebung des zweiten Nockens zur Erzeugung des Nebenhubs des zweiten Auslassventils aufweist, so dass der Nebenhub im gekoppelten Zustand der beiden Teilhebel zugeschaltet sowie im entkoppelten Zustand der beiden Teilhebel abgeschaltet ist.
• Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, wie einen Hubkolbenmotor mit innerer Gemischbildung und Selbstzündung, mit interner Abgasrückführung und mit einem Ventiltrieb, welcher gemäß den Merkmalen wenigstens einem der Ansprüche aufgebaut ist.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand von einem in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
• 1 Bauteile eines Ventiltriebs gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht, und
• 2 einen Ventilhubverlauf des Ventiltriebs gemäß 1.
• Der Ventiltrieb 1 eines Verbrennungsmotors in Mehrventilbauweise mit den Merkmalen der Erfindung verfügt über einen nicht dargestellten und als nichtschaltbaren Rollenschlepphebel ausgebildeten ersten Nockenfolger, an dem ein ebenfalls nicht gezeigter erster Nocken einer Nockenwelle 18 abläuft, mittels dem ein erster, in 2 gezeigter Haupthub HH_1 eines als erstes Auslassventil eines Zylinders ausgebildetes ersten Gaswechselventils bewirkbar ist. Außerdem ist mittels einem als schaltbarer Rollenschlepphebel 2 ausgebildeten zweiten Nockenfolger vorhanden, an dem ein zweiter Nocken 14 der Nockenwelle 18 abläuft. Mittels dieses zweiten Nockens 14 sind ein zweiter Haupthub HH_2 und ein zuschaltbarer Nebenhub NH eines als zweites Auslassventil 7 des Zylinders ausgebildeten zweiten Gaswechselventils bewirkbar. 1 beschränkt sich demnach auf eine Darstellung des schaltbaren Rollenschlepphebels 2, mit dem das zweite Auslassventil 7 betätigbar ist. Der Ventilsitz des Auslassventils 7 ist nicht dargestellt. Derartige Rollenschlepphebel sind beispielsweise in der eingangs erwähnten DE 10 2010 015 719 A1 beschrieben.
• Wie in 1 dargestellt ist, besteht der schaltbare Rollenschlepphebel 2 aus einem Innenhebel 3 und einem Außenhebel 4. Der Innenhebel 3 trägt drehbar gelagert eine als Rolle ausgebildete erste Nockenanlauffläche 5. An einem Ende des Rollenschlepphebels 2 ist eine Anlage 6 für ein Gaswechselventil 7 ausgebildet, mittels dem sich der Innenhebel 3 in ständigem Kontakt befindet. An seinem anderen längsgerichteten Ende ist an dem Rollenschlepphebel 2 eine Kontaktfläche 8 für ein Abstützelement 9 ausgebildet, welches hier als Ventilspielausgleichselement ausgebildet ist. Der Außenhebel 4 besteht aus zwei Außenarmen 4a, 4b, von denen jeder an seiner Oberseite eine als erste beziehungsweise zweite Gleitfläche 10a, 10b ausgebildete zweite Nockenanlauffläche 10 aufweist. Am ventilseitigen Ende sind der Innenhebel 3 und die beiden Außenarme 4a, 4b des Außenhebels 4 über eine Gelenkachse 11 zueinander verschwenkbar miteinander verbunden. Am abstützelementseitigen Ende des Innenhebels 3 ist eine nicht näher beschriebene Kopplungsvorrichtung 12 zum wahlweisen Koppeln der beiden Außenarme 4a, 4b mit dem Innenhebel 3 angeordnet. Am ventilseitigen Ende des Innenhebels 3 ist außerdem eine sogenannte Lost-Motion-Federeinrichtung 13 zum Rückstellen des Innenhebels 3 und der Außenarme 4a, 4b aus zueinander verschwenkten Stellungen in eine Ausgangsstellung angeordnet.
• Der dargestellte zweite Nocken 14 besteht aus einem einteiligen axial inneren Hauptnocken 15 sowie einem zweiteiligen axial äußeren Nebennocken 16; 16a, 16b, die über die Nockenwelle 18 miteinander fest verbunden sind. Der Hauptnocken 15 weist eine gemäß der hier genutzten Nomenklatur zweite Haupthuberhebung 17’ auf. Die durch eine Rolle gebildete Nockenanlauffläche 5 am Innenhebel 3 dient einem Anlaufen dieser zweiten Haupthuberhebung 17’ zur Betätigung des zugeordneten zweiten Auslassventils 7 zum Ausschieben von Abgas aus dem Zylinder im Ausstoßtakt des Verbrennungsmotors.
• Diese zweite Haupthuberhebung 17’ des zweiten Nockens 14 ist in ihrer radialen Ausdehnung erkennbar radial niedriger und umfangsbezogen kürzer ausgebildet als eine zum Vergleich mit gestrichelter Linie ebenfalls erkennbare erste Haupthuberhebung 17 eines ersten Nockens, welcher den nicht gezeigten und nichtschaltbaren Rollenschlepphebel betätigt. Die zweite Haupthuberhebung 17’ des zweiten Nockens 14 und erzeugt dementsprechend einen kleineren und kürzeren Haupthub HH_2 an dem zweiten Auslassventil 7 im Vergleich zu einem größeren Haupthub HH_1 des ersten Nockens an dem ersten Auslassventil (siehe auch 2).
• Die beiden Teile 16a, 16b des Nebennockens 16 weisen jeweils eine Nebenhuberhebung 19; 19a, 19b auf, welche identisch zueinander ausgebildet und ausgerichtet sind, um eine gleichzeitige und gleichmäßige Beaufschlagung der beiden Außenarme 4a, 4b des Außenhebels 4 bewirken zu können. Die zugeordneten Gleitflächen 10a, 10b der beiden Außenarme 4a, 4b des Außenhebels 4 dienen einem Anlauf dieser Nebenhuberhebungen 19; 19a, 19b.
• Im gekoppelten Zustand verschwenken der Außenhebel 4 und der Innenhebel 3 des Rollenschlepphebels 2 beim Anlaufen des zweiten Nockens 14 gemeinsam um die Kontaktfläche 8 des Ventilspielausgleichselements 9. Durch die Kopplung der beiden Teilhebel 3, 4 ist die Nebenhubfunktion des Rollenschlepphebels 2 aktiviert. Im entkoppelten Zustand überträgt lediglich der Hauptnocken 15 den Haupthub HH_2 auf das Auslassventil 7. Beim Anlaufen des Nebennockens 16 verschwenkt dann der Außenhebel 4 gegenüber dem Innenhebel 3 und vollzieht einen Leerhub. Durch die Entkopplung der beiden Teilhebel 3, 4 ist die Nebenhubfähigkeit des Rollenschlepphebels 2 somit deaktiviert.
• In dem in 2 oben gezeigten Diagramm ist der Ventilhub H über dem Kurbelwinkel φ der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors aufgetragen. In 2 ist unten der erfindungsgemäße Ventiltrieb 1 hinsichtlich des Hubkurvenverlaufs in drei zeitlich beziehungsweise drehwinkelbezogen zugehörige Nockenstellungen a; b; c, c’ dargestellt. Die dritte Nockenstellung ist zudem bei aktiviertem Nebenhub NH (Stellung c) und bei deaktiviertem Nebenhub NH (Stellung c’) gezeigt.
• Wie 2 zeigt, bewegt sich der zweite Nocken 14 bei einer Nockenwellendrehung gemäß der Nockenwellendrehrichtung D zunächst so, dass dessen Grundkreis G Kontakt mit dem Rollenschlepphebels 2 hat (Stellung a), so dass keine Ventilbetätigung stattfindet. Bei der weiteren Nockenwellendrehung wird mit zunehmendem Kurbelwinkel φ das Auslassventil 7 im Ausstoßtakt (4. Takt) geöffnet und nach Erreichen eines maximalen Ventilhubs wieder geschlossen. Dabei bewirkt die Haupthuberhebung 17’ des zweiten Nockens 14 eine Betätigung des zweiten Auslassventils 7 gemäß der in 2 dargestellten zweiten Haupthubkurve HH_2. Die Stellung b des Ventiltriebs 1 gemäß 2 entspricht einer Position nach Erreichen des Maximalhubes des Nockens 12 des zweiten Auslassventils 7 zum Beginn des Schließvorgangs dieses Auslassventils 7.
• Nachdem das zweite Auslassventil 7 wieder vollständig geschlossen ist, wird es durch den Nebenhub NH im Ansaugtakt (1. Takt) des Zylinders erneut geöffnet und erreicht einen maximalen Nebenhub NH (Stellung c). Das Ende des Haupthubs HH_2 und der Beginn des Nebenhubs NH sind durch eine zeitliche oder drehwinkelbezogene Spreizung x_min voneinander getrennt. Diese Spreizung x_min ist notwendig, um das zweite Auslassventil 7 zunächst vollständig zu schließen, bevor es erneut geöffnet wird, während die Nockenwelle 18 beziehungsweise der zweite Nocken 14 sich ständig weiter dreht. Durch den Nebenhub NH im Ansaugtakt wird Abgas in den Zylinder zurückgesaugt, welches sich dort mit Frischgas vermischt, bevor es im Verdichtungstakt (2. Takt) zündet und im Arbeitstakt (3. Takt) mechanische Arbeit verrichtet. Bei einem entkoppelten Rollenschlepphebel 2 und dadurch deaktivierten Nebenhub NH vollzieht das Auslassventil 7 tatsächlich einen Leerhub LH ohne Ventilbetätigung (Stellung c’).
• Die Abgasrückführungsrate, also die Masse an Abgas, welche in den Zylinder zurückströmt, hängt von der Fläche ab, welche zwischen der Kontur der Nebenhuberhebung 19; 19a, 19b und dem Grundkreis G des zweiten Nockens 14 eingeschlossen ist.
• Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in das Hubkurvendiagramm der 2 zum Vergleich der Verlauf der Haupthubkurve HH_1 des ersten Auslassventils an dem nichtschaltbaren und nicht dargestellten Rollenschlepphebel mit dünnerer Linie eingezeichnet. Da bei dem ersten Auslassventil der maximale Haupthub HH_1 höher ist und das erste Auslassventil entsprechend später schließt, könnte ein fiktiver Nebenhub mit gestrichelt gezeichnetem Nebenhubverlauf NH’ erst später beginnen und wäre dann kleiner sowie kürzer als der Nebenhubverlauf NH des zweiten Nockens 14 zur Betätigung des zweiten Auslassventils 7. Die Kontur dieser angenommenen Nebenhuberhebung am nicht dargestellten ersten Nocken würde also über dem Nockengrundkreis eine kleinere Fläche einschließen. Es könnte demnach nur eine kleinere Abgasmenge in den zugeordneten Zylinder zurückgeführt werden. Demgegenüber überschneiden sich der Nebenhub NH des zweiten Auslassventils 7 gemäß der Erfindung mit dem Haupthub HH_1 des ersten Auslassventils, und er kann daher größer und länger sein. Dadurch ergibt sich eine höhere erreichbare Abgasrückführungsrate, mit den gewünschten positiven Folgen für die Schadstoffverringerung bei der Verbrennung im Motor.
• Bezugszeichenliste

1

Ventiltrieb

2

Schaltbarer Nockenfolger, Schaltbarer Rollenschlepphebel

3

Innenhebel des Rollenschlepphebel 2

4

Außenhebel des Rollenschlepphebel 2

4a

Erster Hebelarm des Außenhebels 4

4b

Zweiter Hebelarm des Außenhebels 4

5

Erste Nockenanlauffläche des Rollenschlepphebels 2, Rolle

6

Anlage für das Gaswechselventil 7

7

Gaswechselventil, Auslassventil

8

Kontaktfläche für das Abstützelement 9 am Rollenschlepphebel 2

9

Abstützelement, Ventilspielausgleichselement

10

Zweite Nockenanlauffläche am Rollenschlepphebel 2

10a

Erste Gleitfläche, Anlauffläche für Nebenhuberhebungsteil 19a

10b

Zweite Gleitfläche, Anlauffläche für Nebenhuberhebungsteil 19b

11

Gelenkachse des Rollenschlepphebels 2

12

Kopplungsvorrichtung des Rollenschlepphebels 2

13

Lost-Motion-Federeinrichtung des Rollenschlepphebels 2

14

Zweiter Nocken

15

Hauptnocken des zweiten Nockens 14

16

Nebennocken des zweiten Nockens 14

16a

Erstes Nebennockenteil des Nebennockens 16

16b

Zweites Nebennockenteil des Nebennockens 16

17

Haupthuberhebung am ersten Nocken

17’

Zweite Haupthuberhebung am zweiten Nocken 14

18

Nockenwelle

19

Nebenhuberhebung

19a

Erstes Nebenhuberhebungsteil der Nebenhuberhebung 19

19b

Zweites Nebenhuberhebungsteil der Nebenhuberhebung 19

D

Nockenwellendrehrichtung

G

Grundkreis des zweiten Nockens 14

H

Ventilhub

HH_1

Erste Haupthubkurve

HH_2

Zweite Haupthubkurve

LH

Leerhub

NH

Nebenhub, Nebenhubkurve

NH’

Fiktiver Nebenhub, fiktive Nebenhubkurve

x_min

Haupthub-Nebenhub-Spreizung

φ [°]

Kurbelwinkel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102009018671 A1 [0009]
• DE 102010015719 A1 [0009, 0034]
• DE 102012215869 A1 [0010]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• „Variable Ventilsteuerung für Pkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung“, C. Kopp, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2006 [0006]

Claims (6)

1. Ventiltrieb (1) für einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, der mindestens eine Nockenwelle (18) aufweist, wobei die Nockenwelle (18) für jeweils einen Zylinder des Verbrennungsmotors mindestens einen an einem zugeordneten nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nocken aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem nichtschaltbaren Nockenfolger ein erster Haupthub (HH_1) an mindestens einem zugeordneten ersten Gaswechselventil des Zylinders bewirkbar ist, wobei die Nockenwelle (18) für den jeweiligen Zylinder mindestens einen an einem zugeordneten schaltbaren Nockenfolger (2) ablaufenden zweiten Nocken (14) aufweist, mittels dessen Nockenkontur im Zusammenspiel mit dem schaltbaren Nockenfolger (2) ein zweiter Haupthub (HH_2) sowie ein wahlweise zu dem zweiten Haupthub (HH_2) zuschaltbarer Nebenhub (NH) mindestens eines zugeordneten zweiten Gaswechselventils (7) bewirkbar ist, und bei dem mittels des Nebenhubs (NH) eine Abgasrückführung in den zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Haupthuberhebung (17’) des an dem schaltbaren Nockenfolger (2) ablaufenden zweiten Nockens (14) kleiner ausgebildet ist als eine erste Haupthuberhebung (17) des an dem nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nockens, und dass eine Nebenhuberhebung (19; 19a, 19b) des an dem schaltbaren Nockenfolger (2) ablaufenden zweiten Nockens (14) derart ausgebildet ist, dass sie sich mit der ersten Haupthuberhebung (17) des an dem nichtschaltbaren Nockenfolger ablaufenden ersten Nockens teilweise überschneidet.
2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den ersten Nocken ein erster Haupthub (HH_1) an einem ersten Auslassventil eines Zylinders bewirkbar ist, dass durch den zweiten Nocken (14) ein zweiter Haupthub (HH_2) an einem zweiten Auslassventil (7) des Zylinders bewirkbar ist, und dass mittels des zweiten Nockens (14) an dem zweiten Auslassventil (7) zusätzlich ein Nebenhub (NH) bewirkbar ist, wobei die Nebenhuberhebung (19; 19a, 19b) des zweiten Nockens (14) dessen Haupthuberhebung (17’) in Nockenwellendrehrichtung (D) nachgeordnet ist, so dass wahlweise durch Zuschalten des Nebenhubs (NH) mittels des schaltbaren Nockenfolgers (2) das zweite Auslassventil (7) zusätzlich während des Ansaugtakts für eine interne Abgasrückführung zeitweilig geöffnet werden kann, wobei sich der zusätzliche Öffnungsvorgang des zweiten Auslassventils (7) mit dem Schließvorgang des ersten Auslassventils zeitlich oder drehwinkelbezogen überschneidet.
3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der Kontur der zweiten Haupthuberhebung (17’) des zweiten Nockens (14) und dem Grundkreis (G) des zweiten Nockens (14) eingeschlossene Fläche kleiner ist als die zwischen der Kontur der ersten Haupthuberhebung (17) des ersten Nockens und dem Grundkreis (G) des ersten Nockens (14) eingeschlossene Fläche, und dass die Kontur der Nebenhuberhebung (19; 19a, 19b) des zweiten Nockens (14) eine vergrößerte Fläche einschließt, und zwar im Vergleich zu einer maximal großen Fläche, welche durch die Kontur einer angenommenen Nebenhuberhebung des ersten Nockens eingeschlossen werden könnte.
4. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Nockenfolger und der nichtschaltbaren Nockenfolger (2) als schaltbare oder nichtschaltbare Schlepphebel, wie Rollenschlepphebel, ausgebildet sind.
5. Ventiltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der als schaltbarer Rollenschlepphebel ausgebildete Nockenfolger (2) einen ersten Teilhebel (3) und einen zweiten Teilhebel (4) aufweist, welche über eine Gelenkachse (11) gelenkig miteinander verbunden sind, wobei die beiden Teilhebel (3, 4) mittels einer schaltbaren Kopplungsvorrichtung (12) in einem gekoppelten Zustand miteinander starr verbunden oder in einem entkoppelten Zustand um die Gelenkachse (11) zueinander verschwenkbar sind, wobei der erste Teilhebel (3) eine erste Nockenanlauffläche (5) für eine Haupthuberhebung (17’) des zweiten Nockens (14) zur Erzeugung des Haupthubs (HH_2) des zugeordneten zweiten Auslassventils (7) aufweist, und wobei der zweite Teilhebel (4; 4a, 4b) mindestens eine zweite Nockenanlauffläche (10; 10a, 10b) für eine Nebenhuberhebung (19; 19a, 19b) des zweiten Nockens (14) zur Erzeugung des Nebenhubs (NH) des zweiten Auslassventils (7) aufweist, so dass der Nebenhub (NH) im gekoppelten Zustand der beiden Teilhebel (3, 4) zugeschaltet sowie im entkoppelten Zustand der beiden Teilhebel (3, 4) abgeschaltet ist.
6. Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, wie Hubkolbenmotor mit innerer Gemischbildung und Selbstzündung, mit interner Abgasrückführung, sowie mit einem Ventiltrieb (1), welcher gemäß einem der vorherigen Ansprüche aufgebaut ist.

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