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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle und einem Nockenfolger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb.
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Aus der
DE 199 45 340 A1 ist ein gattungsgemäßer Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle und einem Nockenfolger sowie mit einem drehfest auf der Nockenwelle angebrachten ersten Nocken und einem drehfest und axial benachbart zum ersten Nocken angeordneten zweiten Nocken bekannt. Der Nockenfolger ist dabei in einer ersten Position mit dem ersten Nocken und in einer zweiten Position mit dem zweiten Nocken antriebsverbunden.
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Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ventiltrieb ist dabei, dass ein Aktuator zur Überführung des Nockenfolgers von seiner ersten in seine zweite Position ein Eingriffselement aufweist, welches zwischen einer ersten, ausgefahrenen Position und einer zweiten, eingefahrenen Position verstellt werden muss. In beiden Positionen, sowohl im eingefahrenen Zustand als auch im ausgefahrenen Zustand, benötigt dabei der Aktuator jedoch Energie, um diesen Zustand halten zu können. Eine Verstellung bzw. ein Halten erfolgt dabei hydraulisch.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Ventiltrieb der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere in zumindest einer Schaltposition keine Halteenergie erfordert.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Verstelleinrichtung zur Verstellung eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine zwei Aktuatoren einzusetzen, die jeweils eine biegbare Membran mit einer ersten stabilen Position aufweisen, so dass der Aktuator in dieser ersten stabilen Position selbstständig fixiert ist und insbesondere zum Halten der ersten Position keine Energiezufuhr erfordert. Der Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine weist dabei eine Nockenwelle sowie einen Nockenfolger auf, wobei auf der Nockenwelle ein drehfest angebrachter erster Nocken und zu diesem axial benachbart ein drehfester zweiter Nocken angeordnet sind. Der Nockenfolger selbst ist in einer ersten Position mit dem ersten Nocken und in einer zweiten Position mit dem zweiten Nocken antriebsverbunden. Erfindungsgemäß ist nun auch eine Verstelleinrichtung vorgesehen, welche ein verstellbares erstes mechanisches Eingriffselement aufweist, das mit wenigstens einer an der Nockenwelle angeordneten ersten Kulissenführung zusammenwirkt. Darüber hinaus besitzt die Verstelleinrichtung ein verstellbares zweites mechanisches Eingriffselement, das mit wenigstens einer an der Nockenwelle angeordneten zweiten Kulissenführung zusammenwirkt. Das erste und zweite Eingriffselement sind dabei jeweils zwischen einer Grundposition, in welcher kein Kontakt mit der zugehörigen Kulissenführung besteht, und einer Schaltposition, in der das jeweilige Eingriffselement mit der zugehörigen Kulissenführung zusammenwirkt, verstellbar. Die Verstelleinrichtung selbst besitzt nun erfindungsgemäß einen ersten Aktuator mit einer ersten biegbaren Membran sowie einen zweiten Aktuator mit einer zweiten biegbaren Membran, wobei die beiden Membranen jeweils erfindungsgemäß zumindest eine stabile erste Position aufweisen und in eine zweite Position verstellbar sind. Die erste Membran ist dabei mit dem ersten Eingriffselement kraftübertragend verbunden, während die zweite Membran mit dem zweiten Eingriffselement kraftübertragend verbunden ist. Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung und insbesondere mit den beiden zu dieser Verstelleinrichtung gehörenden Aktuatoren ist es somit erstmals möglich, Aktuatoren bereitzustellen, die zumindest eine stabile erste Position, vorzugsweise sogar zwei stabile Positionen aufweisen und dadurch in ihren jeweiligen Schaltstellungen selbstfixierend bzw. selbsthaltend sind, ohne dass zum Halten der ersten oder der zweiten Position eine externe Energiezufuhr erforderlich wäre. Lediglich zum Umschalten zwischen den beiden Positionen ist eine Energiezufuhr erforderlich. Insgesamt kann somit mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung ein deutlich ressourcenschonenderes und auch energieärmeres Betreiben des Ventiltriebs erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist an jedem Aktuator zumindest ein Elektromagnet zum Verstellen der zugehörigen Membran zumindest in die zweite Position vorgesehen. Alternativ können auch zwei Elektromagnete je Aktuator vorgesehen sein, wobei die beiden Elektromagnete nunmehr die zugehörige Membran in die erste und zweite Position verstellen. Besonders die zuerst genannte Alternative stellt dabei eine besonders kostengünstige Ausführungsform dar, da die Membran bereits eine stabile erste Position aufweist, in welche die Membran automatisch zurückfällt, sofern der Elektromagnet keine Stellkraft auf die Membran ausübt. Die stabile erste Position hält bspw. das zugehörige Eingriffselement in dessen Grundposition, in welcher es keinen Kontakt mit der zugehörigen ersten Kulissenführung aufweist. Wird der zumindest eine Elektromagnet bestromt, so wird die Membran in ihre zweite Position verstellt und damit das zugehörige Eingriffselement in seine Schaltposition überführt. Zum Halten des Eingriffselements in seiner zweiten Position ist dabei Energie erforderlich, wobei selbstverständlich die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung auch derart ausgebildet sein kann, dass die beiden Membranen der beiden Aktuatoren jeweils bistabil sind, das heißt sowohl eine stabile erste Position als auch eine stabile zweite Position aufweisen, so dass in diesem Fall der Elektromagnet ausschließlich zum Verstellen zwischen der ersten und zweiten Position erforderlich ist. Ist dabei lediglich ein Elektromagnet vorgesehen, und die Membran zudem bistabil ausgebildet, ist zum Rückstellen bspw. ein Permanentmagnet oder eine Feder erforderlich. Diese kann entfallen, sofern bspw. zwei Elektromagnete vorgesehen sind, wovon der erste Elektromagnet das Verstellen der zugehörigen Membran in ihre stabile erste Position bewirkt, während der zweite Elektromagnet die zugehörige Membran in ihre stabile zweite Position überführt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind an jedem Aktuator vier Permanentmagnete und zwei Magnetschlussstreifen vorgesehen, wobei durch eine Verstellung der Magnetschlussstreifen ein Verstellen der zugehörigen Membran zwischen ihrer ersten und zweiten Position erfolgt. Die Permanentmagnete bewirken dabei, dass die zugehörige Membran in ihre stabile erste Position verstellt wird, wobei über die Magnetschlussstreifen ein geschlossener Magnetkreis bewirkt werden kann, so dass die Membran in der stabilen ersten Position verbleibt, ohne dass irgendeine Energiezufuhr erbracht werden muss. Verschiebt man nun bspw. einen der beiden Magnetschlussstreifen, so wird der Magnetkreis unterbrochen und die gebogene Membran wandelt die in ihr gespeicherte Energie in Bewegungsenergie um und bewegt sich in die stabile zweite Position. Ein Verstellen der Magnetschlussstreifen kann dabei hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder magnetisch erfolgen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist an zumindest einem Aktuator eine Feder angeordnet, die die zugehörige Membran in die erste oder zweite Position vorspannt. In gleicher Weise kann anstelle oder zusätzlich zu der Feder auch ein Permanentmagnet angeordnet sein, der die zugehörige Membran ebenfalls in die erste oder zweite Position vorspannt, wobei in diesem Fall selbstverständlich die Membran ein ferromagnetisches Material aufweisen muss. Ein derartiger Permanentmagnet bzw. eine derartige Feder stellt immer eine so genannte fail safe Funktion dar, da bei einem Ausfall des einen oder beider Elektromagneten eine zuverlässige Verstellung der zugehörigen Membran in eine vordefinierte Stellung, das heißt entweder die erste oder zweite Position erfolgt und dies ohne zusätzliche Energiezufuhr.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist entweder zumindest ein Teil des Nockenfolgers, insbesondere eine Rolle, axial verstellbar, oder aber die Nocken sind zusammen mit den beiden Kulissenführungen auf einer Schiebehülse angeordnet, die selbst drehfest aber axial beweglich auf der Nockenwelle gelagert ist. Im letzten Fall ist somit der Nockenfolger axial fest montiert. Zu einem Wechsel des Nockenfolgers vom ersten Nocken auf den zweiten Nocken oder zurück, kann somit alternativ der Nockenfolger in Axialrichtung relativ zu den beiden Nocken oder es können die beiden Nocken in Axialrichtung relativ zum axial feststehenden Nockenfolger verstellt werden. Die Erfindung ist dabei gleichermaßen für beide alternative Ausführungsformen geeignet.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit zwei Aktuatoren,
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2 eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators einer Verstelleinrichtung.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2 eine Nockenwelle 3 sowie einen Nockenfolger 4 auf. Drehfest auf der Nockenwelle 3 angeordnet sind dabei ein erster Nocken 5a sowie ein zweiter Nocken 5b, dessen Nockenprofile alternativ vom Nockenfolger 4 abgegriffen und an ein zugeordnetes Ventil, bspw. ein Einlassventil oder ein Auslassventil, eines Zylinders übertragen werden können. Wie der 1 dabei zu entnehmen ist, weisen die beiden Nocken 5a, 5b unterschiedliche Nockenprofile auf, wobei rein theoretisch bspw. der Nocken 5b lediglich aus einem Grundkreis bestehen kann und dadurch eine Zylinderabschaltung bewirkt.
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In einer ersten Position, die gemäß der 2 mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellt ist, greift eine Rolle 6 des Nockenfolgers 4 das Nockenprofil des Nockens 5a ab, während die Rolle 6 des Nockenfolgers 4 in der zweiten Position mit dem zweiten Nocken 5b antriebsverbunden ist und dadurch dessen Profil abgreift. Die Rolle 6 ist dabei drehbar auf einem Rollenbolzen 7 gelagert. Erfindungsgemäß ist nun eine Verstelleinrichtung 10 vorgesehen, die ein verstellbares erstes mechanisches Eingriffselement 8a aufweist, welches mit wenigstens einer an der Nockenwelle 3 angeordneten ersten Kulissenführung 9a zusammenwirkt. Darüber hinaus vorgesehen ist ein verstellbares zweiten mechanisches Eingriffselement 8b, das mit wenigstens einer an der Nockenwelle 3 angeordneten zweiten Kulissenführung 9b zusammenwirkt. Das erste und zweite Eingriffselement 8a, 8b sind dabei jeweils zwischen einer Grundposition, in welcher kein Kontakt mit der zugehörigen Kulissenführung 9a, 9b besteht, und einer Schaltposition, in welcher das jeweilige Eingriffselement 8a, 8b mit der zugehörigen Kulissenführung 9a, 9b zusammenwirkt, verstellbar. Die Verstelleinrichtung 10 besitzt darüber hinaus einen ersten Aktuator 11 mit einer ersten biegbaren Membran 13, sowie einen zweiten Aktuator 12 mit einer zweiten biegbaren Membran 14. Die beiden Membranen 13, 14 weisen dabei jeweils zumindest eine stabile erste Position auf (gemäß der 1 die obere Position) und sind in eine zweite Position verstellbar, wobei die erste Membran 13 mit dem ersten Eingriffselement 8a und die zweite Membran 14 mit dem zweiten Eingriffselement 8b kraftübertragend verbunden, das heißt gekoppelt sind.
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Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung bietet dabei den großen Vorteil, dass zum Halten des mit der jeweiligen Membran 13, verbundenen Eingriffselement 8a, 8b in der ersten Position kein Energieaufwand erforderlich ist, da es sich bei dieser ersten Position um eine stabile selbsthaltende Lage handelt. Im Unterschied zum Stand der Technik ermöglicht dies einen erheblich energieärmeren Betrieb, da bspw. bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ventiltrieb in jeder Position eine Energiezufuhr erforderlich ist.
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Betrachtet man den Aktuator 11 gemäß der 1, so kann man erkennen, dass dieser einen Elektromagnet 15 zum Verstellen der zugehörigen Membran 13 zwischen der ersten und zweiten Position aufweist. Ein Rückstellen der Membran 13 von der zweiten in die erste Position kann bspw. mittels einer Feder 16 oder mittels eines Permanentmagneten 17 erfolgen, wodurch gewährleistet werden kann, dass die Membran 13 bei einem Ausfall des Elektromagneten 15 aufgrund der magnetischen Kräfte des Permanentmagneten 17 und/oder der Federkräfte der Feder 16 automatisch in ihre erste Position und damit das zugehörige Eingriffselement 8a in seine Grundposition verstellt wird. Die Ausführungsform des Aktuators 11 stellt dabei eine besonders kostengünstige Ausführungsform dar.
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Betrachtet man den Aktuator 12 gemäß der 1, so kann man erkennen, dass dieser zwei Elektromagnete 15 zum Verstellen der zugehörigen Membran 14 in ihre erste und zweite Position aufweist. Auch hier kann bspw. eine nicht gezeigte Feder oder ein Permanentmagnet 17, der diesmal an anderer Stelle angeordnet ist, vorgesehen sein, um bei einem Ausfall der Elektromagnete 15 ein selbsttätiges, energieloses und automatisches Verstellen der zweiten Membran 14 in ihre erste Stellung und damit das Überführen des zweiten Eingriffselements 8b in seine Grundposition bewirkt.
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Eine weitere alternative Ausführungsform eines Aktuators 11, 12 ist in 2 gezeigt, wobei dieser Aktuator 11, 12 vier Permanentmagnete 17 und zwei Magnetschlussstreifen 18 aufweist, wobei durch eine Verstellung der Magnetschlussstreifen 18 ein Verstellen der zugehörigen Membran 13, 14 zwischen ihrer ersten und zweiten Position erfolgt. Wird bspw. einer der Magnetschlussstreifen 18 gemäß der 2 nach rechts gezogen bzw. verschoben, so öffnet sich ein bislang geschlossener Magnetkreis, was dazu führt, dass die Membran 13, 14 die in ihr gespeicherte Energie in Bewegungsenergie umwandelt und sich bspw. von der oberen ersten Position in die untere zweite Position (unterbrochen gezeichnete Linie) verstellt. Ein Verstellen der Magnetschlussstreifen 18 kann dabei hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder magnetisch erfolgen. Auch hierbei ist wiederum die Membran 13, 14 antriebsgekoppelt mit den zugehörigen Eingriffselementen 8a, 8b.
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Um den Nockenfolger 4 bzw. dessen Rolle 6 relativ zum zugehörigen und abzugreifenden Nocken 5a, 5b verstellen zu können, kann alternativ vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil des Nockenfolgers 4, insbesondere dessen Rolle 6 axial, das heißt in Axialrichtung 19 relativ zur Nockenwelle 3 verstellbar ist. Alternativ ist auch denkbar, dass die Nocken 5a, 5b zusammen mit den beiden Kulissenführungen 9a, 9b auf einer Schiebehülse 20 angeordnet sind, die drehfest aber axial beweglich auf der Nockenwelle 3 gelagert ist. In diesem Fall würde die Rolle 6 des Nockenfolgers 4 in Axialrichtung 19 fixiert sein und zum Umschalten zwischen den beiden Nocken 5a, 5b die Schiebehülse 20 zusammen mit den Nocken 5a, 5b in Axialrichtung 19 verschoben werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 10 ist es erstmals möglich, eine zumindest in einer Stellung (Grundposition oder Schaltposition) energielos gehaltene Verstelleinrichtung 10 zu schaffen, die ausschließlich zum Schalten Energie erfordert, nicht jedoch in zumindest einer stabilen ersten Position. Bei dem Aktuator 11 gemäß der 1 muss dabei der Elektromagnet 15 während des Schaltvorgangs aktiviert werden, so dass das zugehörige Eingriffselement 8a in die zugehörige Kulissenführung 9a eingreift. Solange ein Eingreifen erforderlich ist, ist dabei auch eine Energiezufuhr erforderlich. Zum Verstellen des Eingriffselements 8a von seiner Schaltposition in seine Grundposition ist jedoch keine Energie erforderlich, da dies bspw. über den Permanentmagneten 17 bzw. die Feder 16 bewirkt wird. Hat die zugehörige erste Membran 13 ihre erste Position erreicht, so verbleibt sie dort ohne weitere Energiezufuhr, da es sich bei der ersten Position um eine stabile Lage handelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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