DE102017113363B4

DE102017113363B4 - Variabler Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017113363B4
Application number: DE102017113363.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Christgen; Volker Schmidt; Matthias Becker
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: US10619526B2; DE102017113363A1; US20180363517A1

Abstract

Variabler Ventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung von zwei gleichwirkenden Gaswechselventilen (2, 3) je Zylinder der Brennkraftmaschine, wobei jedem der beiden Gaswechselventile (2, 3) ein schaltbares Ventiltriebsglied (4, 5) mit einem relativ zueinander beweglichen Außen- und Innenteil ((6, 7), (8, 9)) zugeordnet ist, wobei das Außen- und Innenteil ((6, 7), (8, 9)) jedes der beiden Ventiltriebsglieder (4, 5) über ein zugehöriges Koppelschiebermittel (10, 11) wahlweise miteinander verbindbar sind, so dass bei Kopplung ein großer und bei Entkopplung ein demgegenüber kleinerer oder 0-Hub des Gaswechselventils (2, 3) vorliegt, wobei der Ventiltrieb (1) weiterhin eine von einem elektrischen Aktor beaufschlagte Steuerwelle (12) umfasst, auf der je Koppelschiebermittel (10, 11) ein Steuernocken (13, 14) zur Schaltung der Ventiltriebsglieder (4, 5) appliziert ist, welcher jeweilige Steuernocken (13, 14) eine Außenstirn (15, 16) seines Koppelschiebermittel (10, 11) zu dessen Verlagerung in eine Richtung wenigstens mittelbar kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gesonderte Verdrehbeweglichkeit der beiden Steuernocken (13, 14) voneinander die Steuerwelle (12) aus zwei konzentrisch ineinander gebauten Wellenstücken (17, 18) besteht, von denen jedes verdrehfest mit einem der Steuernocken (13, 14) verbunden und jedes von einem separaten elektrischen Dreh- oder Schwenkaktor (M1, M2) verdrehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung von zwei gleichwirkenden Gaswechselventilen je Zylinder der Brennkraftmaschine, wobei jedem der beiden Gaswechselventile ein schaltbares Ventiltriebsglied mit einem relativ zueinander beweglichen Außen- und Innenteil zugeordnet ist, wobei das Außen- und Innenteil jedes der beiden Ventiltriebsglieder über ein zugehöriges Koppelschiebermittel wahlweise miteinander verbindbar sind, so dass bei Kopplung ein großer und bei Entkopplung ein demgegenüber kleinerer oder 0-Hub des Gaswechselventils vorliegt, wobei der Ventiltrieb weiterhin eine von einem elektrischen Aktor beaufschlagte Steuerwelle umfasst, auf der je Koppelschiebermittel ein Steuernocken zur Schaltung der Ventiltriebsglieder appliziert ist, welcher jeweilige Steuernocken eine Außenstirn seines Koppelschiebermittel zu dessen Verlagerung in eine Richtung wenigstens mittelbar kontaktiert.
Ein gattungsgemäßer Ventiltrieb geht aus der WO 2015/ 181 264 A1 hervor. Dieser ist als variabler Schlepphebeltrieb zur Ventilhubumschaltung dargestellt. Eine Gruppe von zwei gleichwirkenden Gaswechselventilen eines Zylinders ist hierbei mit identischen Schlepphebeln bestückt. Jeder der Schlepphebel hat bei seinem abstützelementseitigen Ende einen diesen überragenden Kolben als Koppelschiebermittel. Jedem Kolben ist ein Steuernocken einer Steuerwelle zugeordnet, welche Steuerwelle über einen E-Motor verdreht werden kann. Zu erkennen ist, dass die beiden Steuernocken zwar starr auf der Steuerwelle, jedoch phasenversetzt zueinander verlaufen. Durch Verdrehen der Steuerwelle in eine Richtung können letztlich 4 Hubmodi und somit 4 Gesamtgaswechselquerschnitte je Zylinder erzielt werden.
Nachteilig ist hierbei die „starre“ und nicht variierbare Abfolge der Schaltzustände. So muss die Steuerwelle bspw. bei abrupten Lastwechseln der Brennkraftmaschine im ungünstigsten Fall erst „stufenweise“ bis zu den gewünschten Schaltzuständen „durchschalten“.
Aus der DE 42 26 798 A1 geht eine Vorrichtung mit einer gebauten Nockenwelle zur Änderung eines Phasenwinkels zweier gleichwirkender Hubnocken einer Brennkraftmaschine zueinander und gleichzeitig zur Änderung deren Gesamtphasenlage gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine hervor.
Die WO 95/ 18 917 A1 zeigt einen Nockenwellentrieb mit einer gebauten Nockenwelle. Der Phasenwinkel zweier gleichwirkender Nocken zueinander wird durch Längenänderung bspw. eines Steuerriemens erzielt.
Aufgabe ist es daher, einen Ventiltrieb ohne die oben geschilderten Nachteile zu kreieren. Insbesondere soll ein Ventiltrieb geschaffen werden, der eine deutlich verbesserte Variabilität bietet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für eine gesonderte Verdrehbeweglichkeit der beiden Steuernocken voneinander die Steuerwelle aus zwei konzentrisch ineinander gebauten Wellenstücken besteht, von denen jedes verdrehfest mit einem der Steuernocken verbunden und jedes von einem separaten elektrischen Dreh- oder Schwenkaktor verdrehbar ist.
Somit ist es ohne größeren Aufwand möglich, zwischen bspw. 4 Hubmodi beim Umschaltvorgang zwischenstufenfrei umzuschalten. Ggf. können auch mehr als zwei gleichwirkende Gaswechselventile, bspw. drei, je Zylinder mit einem variablen Ventiltriebsglied bestückt sein bzw. kann Letztgenanntes auch gleichzeitig auf mehr als ein Gaswechselventil einwirken, wobei sich hierzu eine entsprechend verbreiterte Kontaktfläche als notwendig erweist.
Unter „gleichwirkend“ ist zu verstehen, dass der Ventiltrieb entweder zu Aktuierung von wenigstens zwei Einlass - oder von wenigstens zwei Auslassventilen eines Zylinders vorgesehen ist. Klar ist, dass von Ventil zu Ventil eines Zylinders auch unterschiedliche Hübe wie a) nach dem Miller- und b) nach dem Atkinson-Prinzip gefahren werden können oder dass die jeweils andere Gruppe von Gaswechselventilen ebenfalls generell schaltbar ist.
Der erfindungsgemäße Ventiltrieb kann bei ein- oder mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, so bspw. zur internen Abgasrückführung auslassventilseitig oder, einfach gesagt, zur Entdrosselung einlassventilseitig. Denkbar und vorgesehen ist bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine auch nur eine teilweise „Bestückung“ von Zylindern mit den Schaltkomponenten, so dass Zylinder mit Standardventiltriebslayout verbleiben, was ggf. hilft Kosten zu sparen. Auch ist es über die erfindungsgemäßen Maßnahmen möglich, einen Teil der Zylinder einer Brennkraftmaschine völlig abzuschalten, unter Beibehaltung einer Umschaltmöglichkeit der Gesamtventilöffnungsquerschnitte an den verbliebenen Zylindern. Dies gelingt durch Bestückung mit unterschiedlichen Ventiltriebsgliedern.
Als schaltbares Ventiltriebsglied kommt jeweils ein Schlepp-, Schwing- oder Kipphebel als schaltbarer Nockenfolger infrage. Alternativ hierzu ist bspw. an einen Tassenstößel oder ein Abstützelement für einen Schlepphebel gedacht. Die notwendige Steuerwelle läuft zweckmäßigerweise parallel zur Nockenwellenrichtung und kann direkt in den Zylinderkopf integriert sein bzw. diesem seitlich vorgeordnet.
Die gemäß der Erfindung „ineinander geschachtelten“ Wellenstücke der Steuerwelle werden gesondert von je einem Servomittel wie einem elektrischen Dreh- oder Schwenkaktor beaufschlagt. Somit werden für eine Brennkraftmaschine letztlich nur zwei Aktoren benötigt, die auch hydraulischer Natur sein können. Denkbar und vorgesehen ist es jedoch auch, jedem Zylinder oder einer Zylindergruppe der Brennkraftmaschine eine eigene Steuerwelle mit je zwei Aktoren zuzuordnen.
Die Aktoren können stirnseitig der Steuerwelle sitzen. Aus Bauraumgründen oder im Hinblick auf eine Verringerung eines Einflusses der Torsionsweichheit der Steuerwelle können diese auch bspw. mittig angreifen.
Zudem ist es insbesondere für Mehrzylinderbrennkraftmaschinen vorgeschlagen, das jeweilige Koppelschiebermittel über ein Federvorspannmittel an seinem Steuernocken anlaufen zu lassen. Somit kann ein Schaltbefehl am jeweiligen Wellenstück (segmentweises Verdrehen) für alle zugeordneten Nockenfolger unabhängig von deren momentaner Hubposition realisiert werden. Erst wenn sich der betreffende Nockenfolger im Nockengrundkreismodus befindet und dieser somit nicht mehr verspannt ist, wird der vorgespannte Koppelschieber schlagartig in seine gewünschte Position verlagert.
In Fortbildung hiervon kann das Koppelschiebermittel aus zwei voneinander weg angefederten Bauteilen bestehen. Beispielsweise kann der eigentliche Koppelschieber stirnseitig mit einer simplen Federkappe versehen sein.
Zur Zeichnung:

• 1 zeigt eine schematische Ansicht eines variablen Schlepphebeltriebes;
• 2 zeigt einen Querschnitt durch die Steuerwelle im Längenabschnitt des mit dem „äußeren“ Wellenabschnitt verbundenen Nockens und
• 3 zeigt einen Querschnitt durch die Steuerwelle im Längenabschnitt des mit dem „inneren“ Wellenabschnitt verbundenen Nockens.

Aus 1 geht ein hubvariabler Ventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung von zwei gleichwirkenden Gaswechselventilen 2, 3 eines Zylinders der Brennkraftmaschine hervor.
Jedem Gaswechselventil 2, 3 ist ein schaltbares Ventiltriebsglied 4, 5 zugeordnet, welches hierbei als abschaltbarer Schlepphebel vorliegt. Das jeweilige Ventiltriebsglied 4, 5 hat ein längliches Außenteil 6, 8 als Haupthebel. In einer Aussparung von Letztgenanntem ist ein relativ hierzu abschwenkbares, klinkenähnliches Innenteil 7, 9 als Nebenhebel aufgenommen, welches auf der Seite des einen Endes 22 ein Schwenkzentrum hat.
Das jeweilige Außenteil 6, 8 wirkt an einer Unterseite 21 an dem Ende 22 über eine Ventilanlage 23, 34 auf sein Gaswechselventil 2, 3 im Hubsinn ein. An einem anderen Ende 29 hat jedes Außenteil 6, 8 ein kalottenförmiges Schwenklager 24, 35. Hierüber ist es auf einem Abstützelement 32, 33 gelagert, das mechanischer oder hydraulischer Bauart ist.
Oberhalb des jeweiligen Schwenklagers 24, 35 hat jedes Außenteil 6, 8 ein als Stift vorliegendes, längs in Hebelrichtung verlagerbares Koppelschiebermittel 10, 11. Wie zu erkennen ist, überragt Letztgenanntes das Außenteil 6, 8 mit seiner Außenstirn 15, 16. Die beiden Koppelschiebermittel 10, 11 sind in ihrer zurückgezogenen Position gezeichnet, d. h. außer Eingriff von einer Mitnehmerfläche 36, 37 am freien Schwenkende des Innenteils 7, 9. Somit ist der Nockenhub deaktiviert und beide Gaswechselventile bleiben geschlossen, wie es, je nach Einsatz des Ventiltriebs 1, bei einer nicht gewünschte Restgasrückführung oder bei einer Zylinderabschaltung vorliegen kann.
Des Weiteren gehört zum Ventiltrieb 1 eine Steuerwelle 12, welche parallel zu einer Nockenwelle 30 verläuft, von welcher Nockenwelle 30 ein Hubnocken 31 beispielhaft in Kontakt mit dem hier hinteren Ventiltriebsglied 5, genauer gesagt dessen Innenteil 9, steht. Die Steuerwelle 12 besteht aus zwei konzentrisch ineinander gebauten, über je ein separates Servomittel M1, M2 gesondert verdrehbaren Wellenstücken 17, 18. Als Servomittel M1, M2 ist jeweils ein elekrischer Drehaktor vorgesehen.
1 zeigt, dass fest auf dem äußeren Wellenstück 17 ein Steuernocken 13 sitzt (s. auch 2). Dieser steht in Kontakt mit der Außenstirn 15 des Koppelschiebermittels 10 des ersten, hier im Vordergrund gezeichneten Ventiltriebsglieds 4.
Mit dem inneren Wellenstück 18 verbunden ist ein Steuernocken 14, welcher die Außenstirn 16 des Koppelschiebermittels 11 des hier „hinteren“ Ventiltriebsglieds 5 kontaktiert. Die genaue Art und Weise der Anbindung dieses Steuernockens 14 geht aus 3 hervor. Demnach verläuft der Steuernocken 14 ebenfalls auf dem äußeren Wellenstück 17, jedoch verdrehbeweglich demgegenüber. Er wird über einen von dem inneren Wellenstück 18 ausgehenden und einen segmentartigen Schlitz 19 des äußeren Wellenstücks 17 durchragenden Radialfinger 20 aktuiert.
Aus 1 ist weiterhin entnehmbar, dass die beiden Koppelschiebermittel 10, 11 elastisch vorgespannt an ihren Steuernocken 13, 14 anlaufen. Zur Realisierung der Vorspannung für das jeweilige Koppelschiebermittel 10, 11 ist außenstirnseitig eine Druckkappe 25, 26 appliziert, welche von dem Koppelschiebermittel 10, 11 weg von einer Schraubendruckfeder als Druckfedermittel 27, 28 beaufschlagt ist. Die jeweilige Druckkappe 25, 26 läuft unmittelbar am respektiven Steuernocken 13, 14 an. Somit kann das jeweilige Koppelschiebermittel 10, 11 durch den Steuernocken 13, 14 außerhalb eines Nockengrundkreisanlaufs „vorgespannt“ werden.
Eine Schaltung der beiden Ventiltriebsglieder 4, 5 kann unabhängig voneinander erfolgen, so dass sich insgesamt 3 oder 4 Gesamtgaswechselquerschnitte je Zylinder der Brennkraftmaschine ergeben. Beispielsweise kann durch segmentartiges Verdrehen lediglich der Steuerwelle 12, 17 über den elektrischen Drehaktor M1 nur das Koppelschiebermittel 10 mechanisch eingefahren werden, so dass kurz gesagt das Innenteil 7 des vorderen Ventiltriebsglieds 4 gekoppelt ist und dieses einen Hub am Gaswechselventil 2 bei deaktiviertem Gaswechselventil 3 vollzieht.
4 Gesamtgaswechselquerschnitte ergeben sich dann, wenn die Innenteile 7, 8 der hier als Abschaltschlepphebel konfigurierten Ventiltriebsglieder 4, 5 von Nocken unterschiedlichen Hubverlaufs zueinander beaufschlagt werden, was dann eine speziell hergerichtete Nockenwelle erforderlich macht.
Auch ist es denkbar und vorgesehen, eines der Ventiltriebsglieder 4, 5 als abschaltbar (lediglich 1 Nocken je Ventiltriebsglied) und das andere hiervon als umschaltbar (2 Nocken je Ventiltriebsglied (Großhubnocken, Kleinhubnocken)) oder beide als umschaltbar auszubilden. Wichtig ist summa summarum die jeweils gesonderte Aktuierungsmöglichkeit der Ventiltriebsglieder 4, 5 eines Zylinders der Brennkraftmaschine.
Bezugszeichenliste

1: Ventiltrieb
2: Gaswechselventil
3: Gaswechselventil
4: Ventiltriebsglied
5: Ventiltriebsglied
6: Außenteil
7: Innenteil
8: Außenteil
9: Innenteil
10: Koppelschiebermittel
11: Koppelschiebermittel
12: Steuerwelle
13: Steuernocken
14: Steuernocken
15: Außenstirn
16: Außenstirn
17: Wellenstück
18: Wellenstück
19: Schlitz
20: Radialfinger
21: Unterseite
22: eines Ende
23: Ventilanlage
24: Schwenklager
25: Druckkappe
26: Druckkappe
27: Druckfedermittel
28: Druckfedermittel
29: anderes Ende
30: Nockenwelle
31: Hubnocken
32: Abstützelement
33: Abstützelement
34: Ventilanlage
35: Schwenklager
36: Mitnehmerfläche
37: Mitnehmerfläche
M1: Servomittel
M2: Servomittel

Claims

Variabler Ventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung von zwei gleichwirkenden Gaswechselventilen (2, 3) je Zylinder der Brennkraftmaschine, wobei jedem der beiden Gaswechselventile (2, 3) ein schaltbares Ventiltriebsglied (4, 5) mit einem relativ zueinander beweglichen Außen- und Innenteil ((6, 7), (8, 9)) zugeordnet ist, wobei das Außen- und Innenteil ((6, 7), (8, 9)) jedes der beiden Ventiltriebsglieder (4, 5) über ein zugehöriges Koppelschiebermittel (10, 11) wahlweise miteinander verbindbar sind, so dass bei Kopplung ein großer und bei Entkopplung ein demgegenüber kleinerer oder 0-Hub des Gaswechselventils (2, 3) vorliegt, wobei der Ventiltrieb (1) weiterhin eine von einem elektrischen Aktor beaufschlagte Steuerwelle (12) umfasst, auf der je Koppelschiebermittel (10, 11) ein Steuernocken (13, 14) zur Schaltung der Ventiltriebsglieder (4, 5) appliziert ist, welcher jeweilige Steuernocken (13, 14) eine Außenstirn (15, 16) seines Koppelschiebermittel (10, 11) zu dessen Verlagerung in eine Richtung wenigstens mittelbar kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gesonderte Verdrehbeweglichkeit der beiden Steuernocken (13, 14) voneinander die Steuerwelle (12) aus zwei konzentrisch ineinander gebauten Wellenstücken (17, 18) besteht, von denen jedes verdrehfest mit einem der Steuernocken (13, 14) verbunden und jedes von einem separaten elektrischen Dreh- oder Schwenkaktor (M₁, M₂) verdrehbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steuernocken (13, 14) beide auf dem äußeren Wellenstück (17) sitzen, jedoch ein Steuernocken (13) hiervon unmittelbar verdrehfest und der weitere Steuernocken (14), axial fixiert, jedoch verdrehbeweglich hierauf verlaufen, welcher weitere Steuernocken (14) mit einem von dem inneren Wellenstück (18) ausgehenden und einen segmentartigen Schlitz (19) des äußeren Wellenstücks (17) durchragenden Radialfinger (20) verdrehfest verbunden ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Ventiltriebsglied (4, 5) ein abschaltbarer Schlepphebel ist, dessen Außenteil (6, 8) als Haupthebel vorliegt und an einer Unterseite (21) a) an einem Ende (22) eine zumindest mittelbare Ventilanlage (23, 34) und b) an einem anderen Ende (29) ein Schwenklager (24, 35) für ein Abstützelement (32, 33) hat, wobei dessen Innenteil (7, 9) als Nebenhebel fungiert, welches klinkenartig im Außenteil (6, 8) verlaufend, bei einem von den Enden (22) gelenkig angebunden ist, wobei das Koppelschiebermittel (10, 11) aus einem Koppelstift im Außenteil (6, 8) am jeweils anderen der Enden (29) besteht, welcher das Außenteil (6, 8) mit seiner Außenstirn (15, 16) überragt.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Koppelschiebermittel (10, 11) elastisch vorgespannt an seinem Steuernocken (13, 14) anläuft.
Ventiltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung der Vorspannung für das jeweilige Koppelschiebermittel (10, 11) diesem jeweils eine Druckkappe (25, 26) vorgebaut ist, die von einem Druckfedermittel (27, 28) vom Koppelschiebermittel (10, 11) weg beaufschlagt ist und unmittelbar am Steuernocken (13, 14) anläuft.