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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb, und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb.
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Ein Ventiltrieb der hier angesprochenen Art weist wenigstens ein Gaswechselventil sowie eine erste, mechanisch angetriebene Triebmimik auf. Weiterhin weist der Ventiltrieb eine zweite, mit dem wenigstens einen Gaswechselventil zu dessen Verlagerung verbundene Triebmimik auf. Die erste Triebmimik ist mit der zweiten Triebmimik über eine hydraulische Koppeleinrichtung wirkverbunden, wobei die hydraulische Koppeleinrichtung einen Druckraum aufweist, der über eine Ventileinrichtung druckentlastbar ist, wobei die Koppeleinrichtung eingerichtet ist, um die erste Triebmimik und die zweite Triebmimik unter Hydraulikdruck in dem Druckraum miteinander zu koppeln und im druckentlasteten Zustand des Druckraums voneinander zu entkoppeln. Um den Druckraum druckentlasten zu können, ist mit diesem strömungstechnisch ein Schaltventil verbunden, über welches der Druckraum im geöffneten Zustand des Schaltventils druckentlastbar ist. Somit ist es möglich, einen vollvariablen Ventiltrieb darzustellen. Dabei gibt die mechanisch angetriebene Triebmimik typischerweise eine Ventilhubkurve vor, die nur dann vollständig in einen entsprechenden Ventilhub des Gaswechselventils umgesetzt wird, wenn der Druckraum während des gesamten Verlaufs der Ventilhubkurve unter Hydraulikdruck gehalten wird, wobei die Kopplung der ersten Triebmimik mit der zweiten Triebmimik durch Druckentlasten des Druckraums über das Schaltventil während des Verlaufs der Ventilhubkurve zumindest teilweise aufgehoben werden kann, sodass für das Gaswechselventil sogenannte Unterkurven dargestellt werden können, wobei beispielsweise im Vergleich zu der vorgegebenen Ventilhubkurve insbesondere ein späteres Öffnen, ein verringerter Hubweg und/oder ein früheres Schließen des Gaswechselventils bewirkt werden kann/können.
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Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist, dass das Schaltventil schwer auf den Betrieb einer Brennkraftmaschine abstimmbar ist. Dies betrifft insbesondere die Auswahl einer geeigneten Größe des Schaltventils für eine bestimmte Brennkraftmaschine. Dabei zeigt sich, dass insoweit insbesondere ein Produkt aus einem Strömungsquerschnitt und einem Durchflussbeiwert für das Verhalten des Schaltventils entscheidend ist: Ist dieses Produkt zu klein, erfolgt die Absteuerung von Hydraulikmittel aus dem Druckraum langsam, woraus flache Flanken für den Ventilhub des Gaswechselventils resultieren, wobei dieses mithin insbesondere zu träge reagiert. Ist das Produkt aus Strömungsquerschnitt und Durchflussbeiwert dagegen zu groß, kann zwar eine schnelle Reaktion des Gaswechselventils auf eine Ansteuerung des Schaltventils bewirkt werden, dafür kommt es aber zu hohen Druckpulsationen in dem Druckraum und letztlich zu Schwingungen, die das Verhalten des Ventiltriebs unkontrollierbar und unvorhersagbar machen. Es kommt erschwerend hinzu, dass für jede Baureihe, Baugröße und/oder Leistungsklasse einer Brennkraftmaschine ein eigenes Schaltventil entwickelt werden muss, sodass in der Produktion für verschiedene Brennkraftmaschinen keine Gleichteile verwendet werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Ventiltrieb der zuvor angesprochenen Art dadurch weitergebildet wird, dass die Ventileinrichtung mindestens zwei mit dem Druckraum strömungstechnisch parallel zueinander verbundene Schaltventile aufweist, über die der Druckraum in geöffnetem Zustand von wenigstens einem der Schaltventile druckentlastbar ist, wobei der Ventiltrieb ein Steuergerät aufweist, das eingerichtet ist, um die Schaltventile zur Darstellung eines variablen Ventilhubs des wenigstens einen Gaswechselventils während einer Hubbewegung des Gaswechselventils zeitversetzt zueinander anzusteuern. Hierdurch kann das Produkt aus Strömungsquerschnitt und Durchflussbeiwert im Vergleich zu nur einem Schaltventil vergrößert werden, wobei zugleich eine zeitlich gestufte Querschnittsfreigabe erfolgen kann, sodass Druckspitzen und damit letztlich auch Druckpulsationen sowie Druckschwingungen in dem Druckraum minimiert oder eliminiert werden können. Es ist daher möglich, zugleich einen großen Gesamtöffnungsquerschnitt - insbesondere bevorzugt größer als bei der Verwendung nur eines Schaltventils - bereitzustellen, und trotzdem Druckpulsationen im Druckraum sowie die damit verbundenen Nachteile zu vermeiden. Damit können steilere Flanken einer realen Hubkurve für das Gaswechselventil, insbesondere steilere Ventilschließflanken, erreicht werden, was insgesamt zu fülligeren Hubkurven führt.
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Zudem wird eine Gleichteilstrategie für verschiedene Baureihen, Baugrößen und Leistungsklassen von Brennkraftmaschinen möglich, indem beispielsweise bei kleineren Brennkraftmaschinen - wie auch bisher üblich - nur ein Schaltventil verwendet wird, wobei für größere Brennkraftmaschinen zwei oder auch mehr Schaltventile verwendet werden können, wobei insbesondere für alle Brennkraftmaschinen die gleichen Schaltventile verwendet werden können. Dies führt zu einer vereinfachten Auslegung der verschiedenen Brennkraftmaschinen sowie zur Reduktion von Beschaffungs- und Logistikkosten in Zusammenhang mit den Schaltventilen.
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Als zusätzlicher Vorteil kommt hinzu, dass die Schaltventile redundant vorhanden sind, sodass der Ventiltrieb auch dann noch funktionsfähig ist, wenn eines der Schaltventile ausfällt. Es ist dann zwar nicht mehr die volle Variabilität des Ventiltriebs vorhanden, jedoch genügt die noch vorhandene Funktionalität jedenfalls, um die Brennkraftmaschine - im Sinne einer Limp Home- oder Notlauf-Funktion - bis zu einer nächstmöglichen Wartung zu betreiben.
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Bei dem Gaswechselventil kann es sich insbesondere um ein Einlassventil oder um ein Auslassventil handeln, welches einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Besonders bevorzugt ist das Gaswechselventil ein Einlassventil.
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Dass die erste Triebmimik mechanisch angetrieben ist, bedeutet insbesondere, dass sie nicht hydraulisch angetrieben ist. Bevorzugt weist die erste mechanisch angetriebene Triebmimik eine direkte mechanische Antriebswirkverbindung zu einem Ventilantrieb auf, insbesondere zu einer Nockenwelle. Die erste Triebmimik ist also besonders bevorzugt nockengetrieben. Dabei definiert die Form einer äußeren Umfangsfläche eines mit der ersten Triebmimik zusammenwirkenden Nockens die Ventilhubkurve, unter der im Hubweg-Zeit-Diagramm des Gaswechselventils mittels der hydraulischen Koppeleinrichtung Unterkurven dargestellt werden können.
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Die erste Triebmimik kann auch als antriebsseitige oder nockenseitige Triebmimik bezeichnet werden, weil sie mit dem Ventilantrieb wirkverbunden ist.
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Die zweite Triebmimik ist vorzugsweise mechanisch mit dem Gaswechselventil zu dessen Verlagerung verbunden, besonders bevorzugt rein mechanisch, ohne weitere hydraulische oder anders geartete, nicht mechanische Kopplungen. Die zweite Triebmimik kann auch als gaswechselventilseitige Triebmimik bezeichnet werden, da sie mit dem Gaswechselventil direkt verbunden und insoweit diesem unmittelbar zugeordnet ist.
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Die erste Triebmimik weist vorzugsweise einen ersten Kolben auf, der den Druckraum der hydraulischen Koppeleinrichtung einseitig begrenzt, sowie eine mit dem Kolben verbundene erste Kolbenstange. Ein Nocken des Ventilantriebs wirkt vorzugsweise mit der ersten Kolbenstange der ersten Triebmimik zusammen. Es ist aber auch möglich, dass zwischen den Nocken und die erste Kolbenstange noch eine Umlenkmimik geschaltet ist. Die Umlenkmimik ist vorzugsweise mechanisch ausgestaltet.
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Auch die zweite Triebmimik weist vorzugsweise einen den Druckraum der hydraulischen Koppeleinrichtung auf einer anderen, dem ersten Kolben der ersten Triebmimik abgewandten Seite abschließenden zweiten Kolben sowie eine mit diesem verbundene zweite Kolbenstange auf, wobei die zweite Kolbenstange der zweiten Triebmimik - vorzugsweise über eine insbesondere mechanische Umlenkmimik - mit dem Gaswechselventil verbunden ist.
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Das Steuergerät ist insbesondere eingerichtet, um die Schaltventile während der Hubbewegung des Gaswechselventils zeitversetzt, aber zeitlich überlappend anzusteuern. Insbesondere ist das Steuergerät eingerichtet, um die Schaltventile aufzusteuern. Die Formulierung „während einer Hubbewegung des Gaswechselventils“ bedeutet insbesondere, dass die Schaltventile während einer selben Hubbewegung des Gaswechselventils zeitversetzt, aber zeitlich überlappend an-, vorzugsweise aufgesteuert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltventile der Ventileinrichtung baugleich ausgebildet sind. Insbesondere in diesem Fall ergeben sich besonders geringe logistische Kosten sowie ein geringer Entwicklungsaufwand, weil eine Gleichteilstrategie nicht nur bezüglich einer Brennkraftmaschine, sondern bezüglich verschiedener Baureihen, Baugrößen und Leistungsklassen von Brennkraftmaschinen verwendet werden kann, wie dies bereits erläutert wurde.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltventile als Hochgeschwindigkeitsventile, insbesondere als sogenannte High Speed Solenoid Valves (HSSV) ausgebildet sind. Solche Ventile können sehr schnell geschaltet werden, wobei sie diskrete Schaltpositionen besitzen, nämlich insbesondere eine Geschlossenstellung und eine Offenstellung. Dabei ist es bei der Ansteuerung eines solchen Hochgeschwindigkeitsschaltventils typischerweise nicht möglich, dessen Schaltgeschwindigkeit zu beeinflussen. Vielmehr kann dieses lediglich digital geschaltet werden. Bei dem hier vorgeschlagenen Ventiltrieb kann gleichwohl das zeitliche Schaltverhalten der Ventileinrichtung beeinflusst werden, indem die verschiedenen Schaltventile zeitlich versetzt, jedoch überlappend, angesteuert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuergerät eingerichtet ist, um den zeitlichen Versatz zwischen der Ansteuerung der Schaltventile zu variieren. Insbesondere auf diese Weise ist es möglich, das zeitliche Verhalten der Ventileinrichtung und damit letztlich auch die Hubbewegung des Gaswechselventils zu beeinflussen, auch wenn die einzelnen Schaltventile lediglich digital angesteuert werden können. Dabei ist das Steuergerät insbesondere eingerichtet, um den zeitlichen Versatz zwischen der Ansteuerung der einer selben Ventileinrichtung zugeordneten Schaltventile zu variieren. Die Variation des zeitlichen Versatzes erfolgt bevorzugt kennfeldabhängig. So kann für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine optimale Ansteuerung der Ventileinrichtung und damit auch eine optimale Hubbewegung des Gaswechselventils gewählt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jedem der Schaltventile eine Endstufe zur Ansteuerung zugeordnet ist. Die Endstufe stellt dabei die nötige Leistung bereit, um das ihr zugeordnete Schaltventil oder die ihr zugeordneten Schaltventile an- und insbesondere aufzusteuern. Unter einer Endstufe wird dabei insbesondere eine elektronische Einrichtung zur Ansteuerung eines Schaltventils verstanden, die insbesondere eingerichtet ist, um ein Schaltsignal mit der erforderlichen Ansteuerleistung zur Schaltung des Schaltventils umzusetzen und das Schaltventil damit zu treiben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventiltrieb eine Mehrzahl von Gaswechselventilen aufweist, die verschiedenen Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise jedem Brennraum wenigstens eine hydraulische Koppeleinrichtung mit einer entsprechenden Ventileinrichtung zugeordnet. Es ist vorgesehen, dass jeweils wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei, Schaltventilen, die verschiedenen Brennräumen, das heißt insbesondere verschiedenen hydraulischen Koppeleinrichtungen, zugeordnet sind, wobei die Gaswechseltakte der verschiedenen Brennräume zeitlich voneinander getrennt sind, eine gemeinsame Endstufe zugeordnet ist. Auf diese Weise bedarf es keiner Vervielfältigung der Zahl der für den Ventiltrieb verwendeten Endstufen aufgrund der Vervielfältigung der Zahl der Schaltventile, da in geschickter Weise die Tatsache ausgenutzt wird, dass die Gaswechseltakte verschiedener Brennräume einer Brennkraftmaschine, die eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist, zeitlich auseinanderfallen. Dies bedeutet insbesondere, dass die Gaswechseltakte solcher Brennräume miteinander nicht überlappen. Besonders bevorzugt werden jeweils zwei Schaltventile von einer gemeinsamen Endstufe angesteuert, die verschiedenen Brennräumen zugeordnet sind, wobei die Gaswechseltakte der Brennräume um ein halbes Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine, bei einem Viertaktmotor also um 360° Kurbelwellenwinkel, relativ zueinander phasenverschoben sind. Sendet die Endstufe ein Ansteuersignal aus, werden beide der Endstufe zugeordneten Schaltventile angesteuert. Dies führt aber nur bei einem der den Schaltventilen zugeordneten Gaswechselventile tatsächlich zu einer Veränderung des Ventilhubs, da nur eines der Gaswechselventile über die ihm zugeordnete, erste Triebmimik tatsächlich zu einer Hubbewegung veranlasst wird, während das andere Gaswechselventil momentan inaktiv ist. Daher kann bei dem hier vorgeschlagenen Ventiltrieb mit der gleichen Zahl von Endstufen wie bei einem herkömmlichen Ventiltrieb insbesondere die doppelte Zahl an Schaltventilen angesteuert werden. Es entstehen insoweit in Verbindung mit dem hier vorgeschlagenen Ventiltrieb keine Mehrkosten.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche einen Ventiltrieb gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Ventiltrieb erläutert wurden.
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Insbesondere dann, wenn der zeitliche Versatz zwischen der Ansteuerung der einer selben Ventileinrichtung zugeordneten Schaltventile kennfeldabhängig variiert werden kann, sind die Druckamplituden und damit letztlich der Ventilhub der Gaswechselventile über einen gesamten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine aktiv beeinflussbar.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist, wobei jedem Brennraum wenigstens ein Gaswechselventil sowie wenigstens eine hydraulische Koppeleinrichtung des Ventiltriebs zugeordnet ist. Bevorzugt ist jedem Brennraum wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil zugeordnet, wobei insbesondere bevorzugt jedem Einlassventil eine hydraulische Koppeleinrichtung des Ventiltriebs zugeordnet ist. Es ist aber alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass den Auslassventilen jeweils eine hydraulische Koppeleinrichtung zugeordnet ist. Ebenso ist es möglich, dass die Brennräume jeweils eine Mehrzahl von Einlassventilen und/oder Auslassventilen, insbesondere zwei Einlassventile und zwei Auslassventile, aufweisen.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Ventiltrieb geschaffen wird, der wenigstens ein Gaswechselventil sowie eine erste, mechanisch angetriebene Triebmimik und eine zweite, mit dem wenigstens einen Gaswechselventil verbundene Triebmimik aufweist, wobei die erste Triebmimik mit der zweiten Triebmimik über eine hydraulische Koppeleinrichtung wirkverbunden ist, wobei die hydraulische Koppeleinrichtung einen Druckraum aufweist, der über eine Ventileinrichtung druckentlastbar ist, und der eingerichtet ist, um die erste Triebmimik und die zweite Triebmimik unter Hydraulikdruck miteinander zu koppeln und in druckentlastetem Zustand voneinander zu entkoppeln. Dabei weist die Ventileinrichtung mindestens zwei mit dem Druckraum strömungstechnisch parallel zueinander verbundene Schaltventile auf, über die der Druckraum in geöffnetem Zustand von wenigstens einem der Schaltventile druckentlastbar ist. Im Rahmen des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schaltventile zur Darstellung eines variablen Ventilhubs des wenigstens eines Gaswechselventils während einer Hubbewegung des Gaswechselventils zeitversetzt - insbesondere jedoch zeitlich überlappend - zueinander angesteuert, insbesondere aufgesteuert werden. Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein Ventiltrieb nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Ventiltrieb und der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zeitversatz zwischen der Ansteuerung der Schaltventile - insbesondere betriebspunktabhängig und besonders bevorzugt kennfeldabhängig - variiert wird.
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Es ist möglich, dass das Steuergerät des Ventiltriebs ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ist, oder dass die Funktionalität des Steuergeräts des Ventiltriebs in ein Steuergerät, insbesondere in das Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine integriert ist. Es ist aber auch möglich, dass dem Ventiltrieb ein separates Steuergerät zugeordnet ist.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren kann in eine elektronische Anordnung, insbesondere eine Hardware, des Steuergeräts fest implementiert sein. Es ist aber auch möglich, das auf dem Steuergerät ein Computerprogrammprodukt läuft, welches Anweisungen umfasst, aufgrund derer das hier beschriebene Verfahren durchführbar ist. Insofern wird auch ein Computerprogrammprodukt bevorzugt, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung, insbesondere auf einem Steuergerät, läuft.
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Es wird auch ein Datenträger bevorzugt, der ein solches Computerprogrammprodukt aufweist.
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Weiterhin wird ein Steuergerät bevorzugt, welches ein solches Computerprogrammprodukt aufweist oder auf welchem ein solches Computerprogrammprodukt läuft.
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Die Beschreibung des Ventiltriebs sowie der Brennkraftmaschine einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Ventiltrieb und/oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale des Ventiltriebs und/oder der Brennkraftmaschine, die in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Ventiltriebs und/oder der Brennkraftmaschine. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels des Ventiltriebs oder der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine und/oder der Ventiltrieb zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Ventiltrieb, und
- 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Ventiltriebs gemäß 1.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Ventiltrieb 3. Dabei sind dem Ventiltrieb 3 hier mehrere Gaswechselventile, in der schematischen Darstellung zwei Gaswechselventile 5, 5', zugeordnet, die ihrerseits wiederum verschiedenen Brennräumen 7, 7' der Brennkraftmaschine 1, die hier ebenfalls nur schematisch dargestellt sind, zugeordnet sind.
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Die Funktionsweise des Ventiltriebs 3 wird zunächst in Zusammenhang mit dem ersten Gaswechselventil 5 erläutert. Dabei sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, die dem zweiten Gaswechselventil 5' zugeordnet sind, mit jeweils entsprechenden, gestrichenen Bezugszeichen versehen, sodass es einer separaten Erläuterung dieser Elemente und deren Funktionsweise nicht bedarf; insofern wird vielmehr auf die Erläuterung zu den mit ungestrichenen Bezugszeichen versehenen Elementen verwiesen. Anschließend wird das Zusammenwirken der Ansteuerung der verschiedenen Gaswechselventile 5, 5' bei dem Ventiltrieb 3 näher erläutert.
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Die Gaswechselventile 5, 5' sind bevorzugt als Einlassventile ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass sie als Auslassventile ausgebildet sind, oder dass dem Ventiltrieb 1 zusätzlich zu den Einlassventilen 5, 5' entsprechende Auslassventile zugeordnet sind. Die Brennkraftmaschine 1 weist bevorzugt mehr als zwei Brennräume 7, 7' auf. Dabei ist die Anzahl der Brennräume 7, 7' grundsätzlich nicht begrenzt. Die Brennkraftmaschine 1 kann insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, sechzehn, achtzehn, zwanzig oder vierundzwanzig Brennräume 7, 7' aufweisen.
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Dem ersten Gaswechselventil 5 ist eine erste, mechanisch angetriebene Triebmimik 9 zugeordnet, die hier insbesondere einen ersten Kolben 11 und eine erste Kolbenstange 13 aufweist, wobei die erste Kolbenstange 13 hier mit einem Nocken 15 einer Nockenwelle wirkverbunden ist, durch welchen die erste Kolbenstange 13 und damit zugleich der erste Kolben 11 hubbeweglich betätigbar ist.
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Es ist außerdem eine zweite, mit dem Gaswechselventil 5 mechanisch zu dessen Verlagerung verbundene Triebmimik 17 vorgesehen, die insbesondere einen zweiten Kolben 19 und eine zweite Kolbenstange 21 aufweist, wobei sie weiter eine Umlenkmimik 23 aufweist, über welche die zweite Kolbenstange 21 mit dem Gaswechselventil 5 mechanisch gekoppelt ist.
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Die erste Triebmimik 9 und die zweite Triebmimik 17 sind über eine hydraulische Koppeleinrichtung 25 miteinander wirkverbunden, wobei die hydraulische Koppeleinrichtung 25 insbesondere einen Druckraum 27 aufweist, der über eine Ventileinrichtung 29 druckentlastbar ist, wobei der Druckraum 27 eingerichtet ist, um die erste Triebmimik 9 und die zweite Triemimik 17 unter Hydraulikdruck miteinander zu koppeln und im druckentlasteten Zustand voneinander zu entkoppeln. Hierzu sind die beiden Kolben 11, 19 gemeinsam in dem Druckraum 27 angeordnet, sodass der zweite Kolben 19 dann, wenn der Druckraum 27 unter Hydraulikdruck steht, einer Hubbewegung des ersten Kolbens 11 - vermittelt über das Hydraulikmittel - folgt, wobei der zweite Kolben 19 von dem ersten Kolben 11 entkoppelt werden kann, indem der Druckraum 27 druckentlastet wird, sodass die Kopplung über das Hydraulikmittel aufgehoben wird, wobei dann der zweite Kolben 19 einer Hubbewegung des ersten Kolbens 11 nicht mehr folgen kann.
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Entsprechend kann über die hydraulische Koppeleinrichtung 25 ein variabler Hub für das Gaswechselventil 5 dargestellt werden, wobei insbesondere Unterkurven mit Bezug auf eine durch die Form des Nockens 15 definierte Ventilhubkurve erhalten werden können. Der Ventiltrieb 3 ist daher als variabler Ventiltrieb 3 und insbesondere als vollvariabler Ventiltrieb 3 ausgebildet.
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Die Ventileinrichtung 29 weist mindestens zwei, hier genau zwei mit dem Druckraum 27 strömungstechnisch parallel zueinander verbundene Schaltventile 31, 33 auf, nämlich ein erstes Schaltventil 31 und ein zweites Schaltventil 33, wobei der Druckraum 27 in geöffnetem Zustand von wenigstens einem der Schaltventile 31, 33 druckentlastbar ist.
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Der Ventiltrieb 3 weist außerdem ein Steuergerät 35 auf, von dem hier schematisch nur zwei Endstufen, nämlich eine erste Endstufe 37 und eine zweite Endstufe 39, dargestellt sind. Das Steuergerät 35 ist eingerichtet, um die Schaltventile 31, 33 zur Darstellung eines variablen Ventilhubs während einer selben Hubbewegung des Gaswechselventils 5 zeitversetzt, jedoch bevorzugt zeitlich überlappend, anzusteuern, insbesondere aufzusteuern.
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Anstelle - wie von konventionellen Ventiltrieben bekannt - eines einzigen Schaltventils, über welches der Druckraum 27 druckentlastbar ist, sind diesem bei dem hier vorgeschlagenen Ventiltrieb 3 demnach mindestens die beiden Schaltventile 31, 33 zugeordnet, wodurch es möglich wird, zugleich einen vergleichsweise hohen Strömungsquerschnitt freizugeben und Druckpulsationen in dem Druckraum 27 zu minimieren, nämlich indem eine zeitlich gestufte Querschnittsfreigabe in Form der zeitversetzten Ansteuerung der Schaltventile 31, 33 durchgeführt wird. Somit können für das Gaswechselventil 5 steilere Ventilhubflanken, insbesondere steilere Ventilschließflanken, erreicht werden, wodurch sich insgesamt fülligere Hubkurven ergeben. Weiterhin ist eine Verwendung von Gleichteilen nicht nur an der Brennkraftmaschine 1, sondern auch bei einer gesamten Baureihe oder bei verschiedenen Baureihen, insbesondere verschiedenen Größen oder Leistungsklassen von Brennkraftmaschinen 1 möglich, weil das gleiche Schaltventil zur Bereitstellung größerer Strömungsquerschnitte vervielfältigt vorgesehen werden kann.
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Insoweit ist insbesondere vorgesehen, dass die Schaltventile 31, 33 sowie auch die Schaltventile 31', 33' des zweiten Gaswechselventils 5' baugleich ausgebildet sind.
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Die Schaltventile 31, 33, 31', 33' sind bevorzugt als Hochgeschwindigkeitsventile, insbesondere als High Speed Solenoid Valves (HSSV) ausgebildet.
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Das Steuergerät 35 ist bevorzugt eingerichtet, um den zeitlichen Versatz zwischen der Ansteuerung der einer selben Ventileinrichtung 29, 29' zugeordneten Schaltventile 31, 33, 31', 33' zu variieren, wobei die Variation des zeitlichen Versatzes insbesondere abhängig von einem momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1, ganz besonders bevorzugt kennfeldabhängig erfolgen kann. Somit kann für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 eine geeignete Ventilhubkurve und ein eigenes, geeignetes Schaltverhalten der Schaltventile 31, 33, 31', 33', dargestellt werden.
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Jedem der Schaltventile 31, 33, 31', 33' ist eine Endstufe 37, 39 zugeordnet. Beispielsweise sind hier den ersten Schaltventilen 31, 31' die erste Endstufe 37 und den zweiten Schaltventilen 33, 33' die zweite Endstufe 39 zugeordnet.
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Dabei zeigt sich, dass jeweils zwei Schaltventilen 31, 31', 33, 33', die verschiedenen Brennräumen 7, 7' zugeordnet sind, wobei die Gaswechseltakte der Brennräume 7, 7' zeitlich voneinander getrennt sind, eine gemeinsame Endstufe 37, 39 zugeordnet ist. Bei den hier dargestellten Brennräumen 7, 7' ist insoweit insbesondere vorgesehen, dass deren Arbeitsspiele relativ zueinander um eine halbe Arbeitsspiel-Periode phasenverschoben sind, bei einem Viertaktmotor also gerade um 360° Kurbelwellenwinkel. Daher können die beiden jeweils ersten Schaltventile 31, 31', die den verschiedenen Gaswechselventilen 5, 5' zugeordnet sind, von einer gemeinsamen Endstufe, hier nämlich der ersten Endstufe 37, angesteuert werden, wobei die beiden zweiten Schaltventile 33, 33' ebenfalls von einer anderen gemeinsamen Endstufe, hier nämlich von der zweiten Endstufe 39, die von der ersten Endstufe 37 verschieden ist, angesteuert werden können. Die Schaltventile 31, 33, 31', 33' des jeweils selben Gaswechselventils 5, 5' werden dabei von jeweils verschiedenen Endstufen 37, 39 angesteuert, sodass ein zeitlicher Versatz in der Ansteuerung verwirklicht werden kann. Dabei teilen sich aber je zwei den verschiedenen Gaswechselventilen 5, 5' zugeordnete Schaltventile 31, 31', 33, 33' eine gemeinsame Endstufe 37, 39.
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Sendet beispielsweise die erste Endstufe 37 ein Ansteuersignal aus, wird dies von den beiden ersten Schaltventilen 31, 31' empfangen, woraufhin diese aufgesteuert werden. Dies führt aber zu dem in 1 dargestellten Zeitpunkt oder Kurbelwellenwinkel lediglich zu einer Wirkung auf das erste Gaswechselventil 5, da nur dessen erste Triebmimik 9 momentan durch den ersten Nocken 15 mechanisch betätigt wird, sodass das erste Gaswechselventil 5 zu einer Ventilhubbewegung angesteuert wird, die über die Ansteuerung des ersten Schaltventils 31 verändert werden kann. Dagegen ist der zweite Nocken 15' in einer Position, in der er keine Ventilhubbewegung des zweiten Gaswechselventils 5' über dessen erste Triebmimik 9' bewirkt, sodass das zweite Gaswechselventil 5' - unabhängig von dem Schaltverhalten des ihm zugeordneten ersten Schaltventils 31' - keine Hubbewegung durchführt. Die Ansteuerung des dem zweiten Gaswechselventil 5' zugeordneten ersten Schaltventils 31' zusätzlich zu der Ansteuerung des dem ersten Gaswechselventils 5 zugeordneten ersten Schaltventil 31 durch die erste Endstufe 37 entfaltet also keine zusätzliche Wirkung, weshalb es möglich ist, die beiden ersten Schaltventile 31, 31' über die gemeinsame erste Endstufe 37 anzusteuern.
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Das Gleiche gilt völlig analog für die zweite Endstufe 39 und die zweiten Schaltventile 33, 33'.
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Die Endstufen 37, 39 werden zeitversetzt aktiviert, sodass die jeweils ersten Schaltventile 31, 31' und die jeweils zweiten Schaltventile 33, 33' zeitversetzt - jedoch vorzugsweise zeitlich überlappend - aufgesteuert werden.
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2 zeigt eine diagrammatische Darstellung der Funktionsweise des Ventiltriebs 3 gemäß 1. Dabei ist bei a) eine diagrammatische Auftragung - in schematischer Form - eines Ansteuerstroms I gegen den Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen. Als durchgezogene, erste Kurve K1 ist der durch die erste Endstufe 37 ausgegebene Ansteuerstrom I für die ersten Schaltventile 31, 31' dargestellt, wobei als gestrichelte, zweite Kurve K2 der Ansteuerstrom I der zweiten Endstufe 39 für die zweiten Schaltventile 33, 33' dargestellt ist. Dabei zeigt sich, dass die erste Kurve K1 und die zweite Kurve K2 miteinander zeitlich überlappen, jedoch einen zeitlichen Versatz Δt zueinander aufweisen. Dieser zeitliche Versatz Δt ist vorzugsweise variabel, wobei er durch das Steuergerät 35 vorzugsweise betriebspunktabhängig, insbesondere kennfeldabhängig, gewählt werden kann.
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Bei b) ist das Produkt aus einem Strömungsquerschnitt A der Schaltventile 31, 33 mit einem Durchflussbeiwert Cd gegen den Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen. Dabei zeigt sich, dass sich die Freigabe der Strömungsquerschnitte der einzelnen Schaltventile 31, 33 aufgrund von deren zeitversetzter Ansteuerung additiv verhält. Der Verlauf der Gesamtströmungsquerschnittsfreigabe für die beiden Schaltventile 31, 33, die zeitversetzt, jedoch überlappend zueinander aufgesteuert werden, verhält sich also gerade wie die Summe aus den jeweiligen Strömungsquerschnittfreigaben für die einzelnen Schaltventile 31, 33.
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Somit ist es möglich, den Gesamtströmungsquerschnitt zeitlich gestuft freizugeben, und zugleich Druckpulsationen in dem Druckraum 27 zu minimieren, vorzugsweise zu verhindern.
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Dabei kann der zeitliche Versatz Δt für die Ansteuerung der Schaltventile 31, 33' bevorzugt so gewählt werden, dass sich entstehende Druckpulsationen aufgrund der Öffnung der verschiedenen Schaltventile 31, 33 weginterferieren.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit dem hier vorgeschlagenen Ventiltrieb 3, der Brennkraftmaschine 1 und dem Verfahren eine sehr effiziente und kostengünstige Möglichkeit geschaffen wird, einen vollvariablen Ventiltrieb 3 mit steilen Flanken unter Vermeidung von Druckpulsationen zu verwirklichen.
