DE102018130428A1 - Hubvariabler Ventiltrieb mit wenigstens zwei Arbeitslagen - Google Patents

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Steffen Lohde
Din Wabbals
Sebastian SPERRHACKE
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen hubvariablen Ventiltrieb (1) für ein Gaswechselventil (2) einer Brennkraft-maschine, aufweisend eine Hubanpassung (4), insbesondere einen Zwischenhebel, mit einer Arbeitskurve (2), die zumindest in einer ersten Arbeitslage (A1) zur Stellung eines Teilhubs (hmill) und in einer zweiten Arbeitslage (A2) zur Stellung eines Maximalhubs (hmax) angeordnet werden kann, wobei die Arbeitskurve in einem Bereich (BKmax) eine maximale Kurvenkrümmung (Kmax) aufweist, einen Hubsteller (10), insbesondere einen Nocken einer Nockenwelle, der eine Stellkontur (NK) zum Auslenken der Hubanpassung aufweist, einen Hubhebel (9), insbesondere einen Rollenschlepphebel, der mittels der Arbeitskurve ausgelenkt werden und dadurch einen Hub (h) des Gaswechselventils stellen kann, wobei die Arbeitskurve der ausgelenkten Hubanpassung beim Verfahren über eine Kontaktfläche des Hubhebels das Gaswechselventil stellen kann, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines hubvariablen Ventiltriebs (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen hubvariablen Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb eines hubvariablen Ventiltriebs für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine.
  • Aufgrund der zunehmenden Anforderungen an einen niedrigen Kraftstoffverbrauch und eine niedrige Emissionierung wird immer mehr ein anfettungsfreier Betrieb im ganzen Motorkennfeld angestrebt. Eine Anwendung des Miller-Brennverfahrens leistet dabei einen wichtigen Beitrag. Druck und Temperatur des Gemisches im Zylinder zum Zündzeitpunkt können dadurch gezielt abgesenkt werden. Aufgrund der sich entsprechend reduzierenden Klopfneigung kann eine frühere Schwerpunktlage der Verbrennung eingestellt werden, beispielsweise mittels einer variablen Nockenwellensteuerung. Die entsprechende Absenkung der Abgastemperatur führt zu einem geringeren Anfettungsbedarf.
  • Die Miller-Brennkraftmaschine ist eine nach Miller benannte Brennkraftmaschine, bei der der Kraftstoff während des Ansaugvorganges in die angesaugte Luft eingebracht wird, was wie beim Ottomotor ein zündfähiges Gemisch im Zylinder ergibt. Im Gegensatz zum Ottomotor zeichnet sich eine Miller-Brennkraftmaschine durch einen fünften Arbeitsschritt aus. Deshalb wird die Miller-Brennkraftmaschine auch als „Fünftakter“ bezeichnet. Das Einlassventil wird schon während des Ansaugtaktes geschlossen, was zu einer Expansion des Gemisches bis zum Ende des Ansaugtraktes führt. In der nachliegender Kompressionsphase ergeben sich geringere Druck und Temperatur im Brennraum beim Zündzeitpunkt. Dies reduziert die sogenannte Klopfneigung.
  • Die Folge dieser Änderungen sind geringere Abgastemperatur, weniger Schadstoffe, und ein hoher Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
  • Soll eine Brennkraftmaschine nach dem Miller-Brennverfahren betrieben werden, so darf die Einlassventilhubkurve eine bestimmte Öffnungsdauer nicht überschreiten. Diese kurze Öffnungsdauer liegt deutlich unter denen von Brennkraftmaschinen, die mit dem konventionellen Otto-Kreisprozess betrieben werden. Dadurch kommt es i.d.R. zu einem deutlich erhöhten Ladedruckbedarf, der wiederum die maximale Leistungsausbeute beschränkt.
  • Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die europäische Patentschrift EP 1 387 928 B1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Ventiltriebsvorrichtung zur variablen Hubverstellung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der das Gaswechselventil unter Zwischenschaltung eines Übertragungselements mit einer um eine Drehachse beweglichen Rolle in Verbindung steht und einer eine Leerhubkurve und eine Hubkurve umfassenden Steuerbahn in einem Endbereich eines zur Hubbetätigung des Gaswechselventils von einer Nockenwelle gesteuerten Schwenkhebels, wobei der federbelastet über eine Kurvenbahn dem Nocken zugeordneten Schwenkhebel andernends zur variablen Hubverstellung über einen mittels einer Verstelleinrichtung gesteuert lageveränderbaren und fixierbaren Schwingdrehpunkt längs einer Kreisbahn abgestützt ist. Die Ventiltriebsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine an einem Gehäuseteil der Brennkraftmaschine angeordnete Kreisbahn als Kulisse mit einem Radius um die Drehachse der Rolle des Übertragungselements der gesteuert lageveränderbaren Abstützung des Schwenkhebels dient, wobei die Steuerbahn des Schwenkhebels im Übergangsbereich zwischen Leerhubkurve und Hubkurve mit einer auf ein Ventilspiel in der Ventiltriebvorrichtung abgestellten Rampe ausgebildet ist.
  • Wenn man eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb mit einem Brennverfahren betreiben möchte, bei dem im Bereich maximaler Leistung ein reduzierter Gaswechselventilhub anliegt (Miller-Verfahren), nutzt man die Dynamikgrenzen des Ventiltriebs nicht voll aus, da auch der maximale Gaswechselventilhub bei maximaler Drehzahl erreichbar sein muss.
  • Aus der DE 10 2015 214 115 A1 ist ein hubvariabler Ventiltrieb bekannt, bei welchem der Schwenkhebel (dort Zwischenhebel genannt) durch einen Exzenter geschwenkt wird, der einen Ablagebereich aufweist, sodass sich eine betriebssichere maximale Gaswechselventilbeschleunigung dort ergibt, wo sie funktional zweckmäßig ist.
  • Um die Ladungswechselanforderungen bestmöglich zu erreichen, muss aber bei gegebener maximaler Öffnungsdauer der Steuerquerschnitt (Fläche unter der Ventilhubkurve) maximiert werden. Um bei der geforderten Motormaximaldrehzahl trotzdem einen mechanisch robusten Ventiltrieb zu erhalten, sind jedoch bei bekannten Ventiltrieben der oben beschriebenen Art die Ventilbeschleunigungen hinsichtlich ihres Maximums, Minimums und Verlaufs begrenzt. Aus beiden Randbedingungen - Ventilöffnungsdauer und begrenzte Ventilbeschleunigung - ergibt sich ein maximal darstellbarer Steuerquerschnitt und Ventilhub.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen hubvariablen Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hubvariablen Ventiltrieb mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines hubvariablen Ventiltriebs mit den Merkmalen von Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein hubvariabler Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise ein Ottomotor oder ein Dieselmotor sein.
  • Der hubvariable Ventiltrieb weist eine Hubanpassung mit einer Arbeitskurve auf, die zumindest in einer ersten Arbeitslage zur Stellung eines Teilhubs und in einer zweiten Arbeitslage zur Stellung eines Maximalhubs angeordnet werden kann, wobei die Arbeitskurve in einem Bereich eine maximale Kurvenkrümmung aufweist.
  • Zudem weist der variable Ventiltrieb einen Hubsteller auf, der eine Stellkontur zum Auslenken der Hubanpassung aufweist.
  • Ferner weist der variable Ventiltrieb einen Hubhebel auf, der mittels der Arbeitskurve ausgelenkt werden und dadurch einen Hub des Gaswechselventils stellen kann, wobei insbesondere die Arbeitskurve der ausgelenkten Hubanpassung beim Verfahren über eine Kontaktfläche des Hubhebels das Gaswechselventil stellen kann.
  • Der Ventiltrieb ist dazu eingerichtet, in der ersten Arbeitslage und in der zweiten Arbeitslage das Gaswechselventil mit einer zumindest im Wesentlichen gleichen, maximalen Ventilbeschleunigung zu stellen.
  • Um den Ventiltrieb hierzu einzurichten, kann der Fachmann an sich bekannte Werkzeuge zur Topologieoptimierung von Antriebskomponenten verwenden. Dieses Vorgehen hat sich als zielführender erwiesen als eine Trail-and-Error Vorgehensweise, wie sie beispielsweise bei der iterativen Anpassung einer Stellkontur des Hubstellers (beispielsweise der Nockenkontur eines Nockens der Nockenwelle) verwendet würde. Die Kontur der einzelnen an der Bewegung der Ventile beteiligten Komponenten wird dabei normalerweise indirekt über die Bewegungsvorgaben (z.B. Ventilhub über Nockenwinkel) beeinflusst.
  • Vorliegend beinhaltet der erfindungsgemäße Ansatz die Lösung eines multivariaten Problems: zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Ventiltriebs muss dieser eine zumindest im Wesentlichen gleiche maximale Ventilbeschleunigung in den beiden Arbeitslagen ermöglichen. Dazu müssen die Konturen des Hubstellers (Stellkontur), der Hubanpassung (inkl. der Arbeitskurve), und des Hubhebels aufeinander abgestimmt werden.
  • Insbesondere müssen also - unabhängig von der Positionierung der Arbeitskurve in der ersten oder in der zweiten Arbeitslage - bei einer bestimmten Drehzahl des Hubstellers (beispielsweise der Nockenwelle) die Ventile mit einer gleichen maximalen Beschleunigung ausgestellt werden.
  • In einer typischen Ausgestaltung des Ventiltriebs ist gemäß einer Ausführung die Hubanpassung ein Zwischenhebel (auch Schwenkhebel genannt), der einerseits schiebebeweglich auf einer Kulissenbahn einer Kulisse gelagert ist und andererseits die Arbeitskurve aufweist, wobei der Zwischenhebel mit einer zweiten Stellvorrichtung entlang der Kulissenbahn verschiebbar ist.
  • In einer typischen Ausgestaltung des Ventiltriebs ist gemäß einer Ausführung der Hubhebel ein Zwischenelement wie beispielsweise ein Rollenschlepphebel, über das die Arbeitskurve mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung steht.
  • In einer typischen Ausgestaltung des Ventiltriebs ist gemäß einer Ausführung der Hubsteller eine erste Stellvorrichtung, insbesondere ein Nocken einer Nockenwelle, zum Verschwenken des Zwischenhebels um einen kulissennahen Punkt gegen eine Federkraft eines Federelementes.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines hubvariablen Ventiltriebs für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, der insbesondere gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgebildet ist, vorgeschlagen. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: (i) Ermitteln einer Abgastemperatur und/oder einer Ausprägung wenigstens eines anderen Temperaturparameters der Brennkraftmaschine; (ii) Ermitteln eines zu schaltenden Betriebsmodus, insbesondere eines konventionellen Betriebsmodus oder eines Miller-Betriebsmodus, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur; und (iii) Schalten der Hubanpassung in die erste Arbeitslage oder in die zweite Arbeitslage der Arbeitskurve in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebsmodus.
  • Der Erfindung liegt unter anderem die folgende Überlegung zugrunde: In Verbindung mit einem variablen Ventiltrieb soll die für den Millerbetrieb notwendige Öffnungsdauer zu jedem beliebigen Zeitpunkt eingestellt werden. Bei einer Volllastanforderung wird zuerst ein konventioneller (Nicht-Miller-) Betrieb (Otto-Kreisprozess) mit, zumindest nahezu, maximaler Öffnungsdauer eingestellt, insbesondere indem die zweite Arbeitslage der Hubanpassung des Ventiltriebs eingestellt wird.
  • Aufgrund der thermischen Trägheit der Bauteile wird die maximal zulässige Abgastemperatur erst mit einem Zeitversatz nach Beginn der Volllast erreicht und der niedrige Ladedruckbedarf der konventionellen Steuerzeiten wirkt sich auf Fahrbarkeit und Leistungsausbeute positiv aus. Erst bei Erreichung der maximalen Abgastemperatur wird die Brennkraftmaschine auf den Millerbetrieb umgeschaltet, insbesondere indem die erste Arbeitslage der Hubanpassung des Ventiltriebs eingestellt wird.
  • Die Abgastemperatur und/oder andere relevante Betriebstemperaturen können dabei beispielsweise durch ein physikalisches Modell und/oder durch einen Fühler bestimmt werden.
  • In Produkten der Anmelderin verwendete Ventiltriebe ermöglichen die zur Darstellung des Millerbetriebs benötigte Verkürzung der Öffnungsdauer unter volllastnahen Bedingungen, allerdings kann sich dadurch eine gravierende Verkleinerung des Ventilhubs und somit des Steuerquerschnitts ergeben. Ein gezielt auf Millerbetrieb ausgelegter Ventiltrieb führt hingegen zu einem verbesserten Millerhubprofil. Bei vergleichbarer Öffnungsdauer ergibt sich ein größerer Steuerquerschnitt als zuvor. Eine Herausforderung besteht nun darin einen auf den Millerbetrieb ausgelegten vollvariablen Ventiltrieb auch für größerer Steuerquerschnitte zu befähigen. Das Vollhubprofil soll weiterhin einen Nicht-Millerbetrieb bei geringfügigem Anstieg des Ladedruckbedarfs im Vergleich mit dem aktuellen Ventiltrieb ermöglichen.
  • Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, insgesamt einen optimalen Kompromiss zwischen Nicht-Miller- und Millerbetrieb zu erreichen, der die Vorteile der kombinierten Betriebsstrategie maximiert. Um möglichst auch eine optimale Ventilhubkurve für konventionellen Betrieb zu erreichen, wird insbesondere der Ventiltrieb so ausgelegt, dass beispielsweise Freigänge und/oder andere funktionale Aspekte einen höheren Hub ermöglichen, als jener Maximalhub der mit der Miller-Öffnungsdauer dargestellt werden kann.
  • Der Millerventilhub wird nicht als maximaler Ventilhub des Systems ausgelegt, sondern als ein Teilhub. Wird der Sollventilhub nun über den Millerhub hinaus erhöht, steigt die Öffnungsdauer und der Steuerquerschnitt an, bis der funktional maximale Hub erreicht wird.
  • Entscheidend ist unter anderem, dass es bei der angestrebten Hubverstellung bis hin zum absolut maximalen Ventilhub zu keiner Erhöhung der Ventilbeschleunigung kommt, die hinsichtlich Verlauf und Maximum die zulässigen Grenzen überschreitet. Dementsprechend ist der vollvariable Ventiltrieb insbesondere so ausgelegt, dass die Beschleunigungen im Miller-Ventilhubbereich und von da an bis zum absoluten Ventilhubmaximum nahezu konstant maximal sind. Damit wird sichergestellt, dass sowohl ein konventioneller Ventilhub als auch Millerventilhub den maximal möglichen Steuerquerschnitt freigeben kann und dabei mechanisch robust ist.
  • Für eine entsprechende Anpassung des Ventiltriebs kann der Fachmann an sich bekannte Werkzeuge zur Topologieoptimierung von Antriebskomponenten verwenden. Zum Erreichen einer einander entsprechenden Maximalbeschleunigung müssen die Nockenkontur, die Kontur des Zwischenhebels im Kontaktbereich mit dem Nocken und an der Arbeitskurve, sowie der Kontaktbereich des Rollenschlepphebels mit der Arbeitskurve aufeinander abgestimmt werden. In der betrieblichen Praxis der Anmelderin bietet es sich beispielsweise an, die Nockenkontur anzupassen, damit die bestehende Ventiltriebsbaugruppe im engeren Sinne unverändert weiterverwendet werden kann.
  • Ein derart angepasster Ventiltrieb weist durch die Möglichkeit, Hübe und Öffnungsdauern oberhalb des definierten Millerventilhubverlaufes zu stellen, noch weitere Vorteile auf.
  • Wird der Motor bei unterschiedlichen Randbedingungen (Temperatur, Höhe, etc...) betrieben, so kann die optimale Miller-Sollöffnungsdauer variieren. Die optimale Öffnungsdauer kann nun immer entsprechend dieser Randbedingungen und der sich daraus ergebenden Betriebsstrategie eingestellt werden und gibt dabei immer den bestmöglichen Steuerquerschnitt frei.
  • Soll der Ventiltrieb als Gleichteil in verschiedene Motoren mit unterschiedlicher Peripherie und/oder genereller Betriebsstrategie verbaut werden, so ist dies möglich, ohne Änderungen an der Kinematik vorzunehmen. Die sich je nach Motor unterscheidende optimale Öffnungsdauer kann ohne Hardwareänderungen eingestellt werden und gibt immer den bestmöglichen Steuerquerschnitt frei.
  • Insbesondere bei einer konstanten maximalen Kurvenkrümmung weist gemäß einer Ausführung die Arbeitskurve der Hubanpassung in einem Bereich eine maximale Kurvenkrümmung auf, wobei die Stellkontur des Hubstellers dazu eingerichtet ist, die Arbeitskurve in der ersten Arbeitslage und in der zweiten Arbeitslage mit konstanter Geschwindigkeit zu verfahren, solange die Kontaktfläche des Hubhebels an dem Bereich der maximalen Kurvenkrümmung der Arbeitskurve anliegt.
  • Um die zumindest im Wesentlichen gleiche maximale Beschleunigung des Gaswechselventils zu erreichen, ist gemäß einer Ausführung der Bereich maximaler Krümmung an einem Rand des Hubbereichs angeordnet, insbesondere ist der Rand des Hubbereichs derjenige, welchen ein Kontaktelement des Hubhebels an der Arbeitskurve zu Beginn und des Hubvorgangs passiert.
  • Um die zumindest im Wesentlichen gleiche maximale Beschleunigung des Gaswechselventils zu erreichen, weist gemäß einer Ausführung der Hubbereich einen zumindest weniger, insbesondere nicht, gekrümmten Bereich auf, der insbesondere direkt angrenzend an den Bereich maximaler Krümmung angeordnet ist.
  • Insbesondere ist an dem weniger gekrümmten Bereich eine Kontaktposition des Hubhebels mit der Arbeitskurve bei Erreichen des Maximalhubs und/oder eine Kontaktposition des Hubhebels mit der Arbeitskurve bei Erreichen des Millerhubs angeordnet.
  • Um im Millerbetrieb den Ventilhub frühestmöglich ansteuern zu können, ist gemäß einer Ausführung der Ventiltrieb dazu eingerichtet, einen Stellzeitpunkt des Hubstellers anzupassen, insbesondere mittels einer variablen Nockenwellensteuerung.
  • Gemäß einer Ausführung weist der Motor, insbesondere die Motorsteuerung, eine sensorbasierte und/oder modellbasierte Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Abgastemperatur und/oder wenigstens eines anderen Temperaturparameters der Brennkraftmaschine auf.
  • Gemäß einer Ausführung weist der Ventiltrieb eine Steuereinheit zum Betrieb des Ventiltriebs, die insbesondere dazu eingerichtet ist, verschiedene Arbeitslagen der Arbeitskurve zu stellen. Die Steuereinheit kann beispielsweise ein Teil einer übergeordneten Motorsteuerung, Antriebssteuerung oder Fahrzeugsteuereinrichtung sein.
  • Gemäß einer Ausführung wird bei einem Schalten des Miller-Betriebsmodus ein früherer Stellzeitpunkt des Hubstellers eingestellt, insbesondere mittels einer variablen Nockenwellensteuerung.
  • Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
    • 1 zeigt einen Schnitt durch einen hubvariablen Ventiltrieb nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
    • 2 zeigt Diagramme, in welchen für eine Umdrehung der Nockenwelle des hubvariablen Ventiltriebs nach 1 der Hub des Gaswechselventils bzw. die Geschwindigkeit der Ventilauslenkung bzw. die Beschleunigung bei der Ventilauslenkung jeweils gegen einen Kurbelwinkel der Kurbelwelle aufgetragen ist, wenn der Ventiltrieb nach 1 mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung betrieben wird.
    • 3 zeigt die Arbeitskurve des Ventiltriebs nach 1.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen hubvariablen Ventiltrieb 1 in Einbaulage in einem Zylinderkopf 15 für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine, mit Blick auf eine erste Gaswechselventil-Betätigungseinheit 3. Die Gaswechselventil-Betätigungseinheit 3 ist für die Betätigung von gleichwirkenden Gaswechselventilen 2 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine vier Zylinder in Reihe auf, mit jeweils zwei gleichwirkenden Gaswechselventilen 2.
  • Der in dem Zylinderkopf 15 angeordnete hubvariable Ventiltrieb 1 weist eine Hubanpassung 4, einen Zwischenhebel, auf, der einerseits mit einer nicht bezifferten Rolle schieberollbeweglich auf einer Kulissenbahn 6 einer Kulisse 7 gelagert ist und andererseits eine Arbeitskurve 8 aufweist.
  • Wie der 3 zu entnehmen ist, ist die Arbeitskurve einen Grundkreisbereich Bg und einen Hubbereich Bh aufgeteilt, wobei die Arbeitskurve 8 zumindest in einem Teil des Hubbereichs Bh einen Bereich BKmax mit einer gleichbleibenden maximalen Krümmung Kmax aufweist. In einem weiteren, daran angrenzenden Bereich Bn weist der Hubbereich Bh keine oder zumindest eine geringere Krümmung auf.
  • Die Arbeitskurve 8 steht über einen Hubhebel 9, einen Rollenschlepphebel, mit einem Gaswechselventil 2 derart in Wirkverbindung, dass das Gaswechselventil 2 entlang der eingezeichneten Achse in einen bestimmten Hub h mit einer Geschwindigkeit v und einer Beschleunigung a ausgelenkt werden kann.
  • Der Rollenschlepphebel 9 ist einerseits auf einem Schaft des Gaswechselventils 2 und andererseits auf einem Spielausgleichselement 5, einem hydraulischen Spielausgleichselement, abgestützt.
  • Ferner ist ein Hubsteller 10 (auch als erste Stellvorrichtung 10 bezeichnet), ein Nocken einer Nockenwelle, mit einer Stellkontur NK (= Nockenkontur) zum Schwenken des Zwischenhebels 4 um einen kulissennahen Punkt 11, einen Drehmittelpunkt der auf der Kulissenbahn 6 abgestützten Rolle, gegen eine Federkraft eines Federelementes 12 vorgesehen. Die Stellkontur NK definiert sich durch ein Radiusprofil um den Drehpunkt des Nockens 10 entlang der eingezeichneten Umfangsrichtung U10.
  • Der Zwischenhebel 4 ist mit einer zweiten Stellvorrichtung 13, eine Exzenterscheibe einer Exzenterwelle, entlang der Kulissenbahn 6 über die den Zwischenhebel 4 auf der Kulissenbahn 6 abstützenden Rolle verschiebbar. Entsprechend einer Exzenterkontur der zweiten Stellvorrichtung 13 an der Zwischenhebel 4 zwischen einer nicht eingezeichneten Null-Arbeitslage, einer ersten Arbeitslage A 1 für einen Millerbetrieb sowie einer zweiten Arbeitslage A 2 für eine Normalbetrieb verschoben werden. Die Exzenterkontur definiert sich durch ein Radiusprofil um den Drehpunkt des Exzenters entlang der eingezeichneten Umfangsrichtung U13.
  • Zur Funktionsweise des hubvariablen Ventiltriebs 1 an sich wird auch auf die internationale Patentanmeldung WO 2002/092972 A1 hingewiesen.
  • Die zweite Stellvorrichtung 13 weist also einen Null-Einstellpunkt für einen Nullhub, einen zweiten Einstellpunkt für Teilhub und einen dritten Einstellpunkt für einen Vollhub des Gaswechselventils 2 auf. Jeder Einstellpunkt ist durch einen Kurvenpunkt eines Kreissegmentes der Exzenterscheibe dargestellt, d. h. beim Verdrehen der zweiten Stellvorrichtung 13 wird der Zwischenhebel 4 in seiner Lage entlang der Kulissenbahn 6 verschoben, wodurch ein Gaswechselventilhub, der durch eine Drehung des Hubstellers 10 erfolgt, veränderbar ist.
  • Nullhub bedeutet, dass das Gaswechselventil 2 stillgelegt ist, was einer Zylinderabschaltung entspricht. Teilhub bedeutet, dass das Gaswechselventil 2 einen Gaswechselventilhub kleiner als einen Vollhub aufweist,wie beispielsweise bei einem Millerbetrieb. Vollhub bedeutet den maximal möglichen Ventilhub.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen kann die zweite Stellvorrichtung 13 anstelle einer Kurvenscheibe auch durch lineare Stelleinrichtungen ersetzt werden, die unterschiedliche Anschläge bzw. Rasteinrichtungen aufweisen, entsprechend dem Nullhub, dem Teilhub und dem Vollhub des Gaswechselventils 2. Die Betätigung kann hierbei elektrisch und/oder mechanisch oder hydraulisch erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Betätigung elektromotorisch.
  • Um zumindest im Wesentlichen gleiche maximale Ventilbeschleunigung in der ersten Arbeitslage A1 und der zweiten Arbeitslage A2 zu ermöglichen, wurden beim Design des Ventiltriebs 1 die Konturen des Hubstellers (Stellkontur NK), der Hubanpassung 4 (inkl. der Arbeitskurve 8), und des Hubhebels 9 aufeinander abgestimmt.
  • Im Ausführungsbeispiel wurde für eine entsprechende Anpassung des Ventiltriebs ein gängiges Software-Werkzeug zur Topologieoptimierung von Antriebskomponenten verwendet. Zum Erreichen einer einander entsprechenden Maximalbeschleunigung amax bzw. -amax in der ersten Arbeitslage A1 und in der zweiten Arbeitslage A2 wurden die Nockenkontur NK, die Kontur des Zwischenhebels im Kontaktbereich mit dem Nocken 10 und an der Arbeitskurve 8, sowie der Kontaktbereich des Rollenschlepphebels 9 mit der Arbeitskurve 8 aufeinander abgestimmt.
  • Im Ausführungsbeispiel wurde dabei lediglich die Nockenkontur NK geeignet angepasst, damit die bestehende Ventiltriebsbaugruppe, die Gaswechselventil-Betätigungseinheit 3, unverändert weiterverwendet werden kann.
  • Wie im einzelnen Anwendungsfall die Nockenkontur NK - also das Radiusprofil des Nocken 10 entlang der Umfangsrichtung U10 - angepasst werden muss, um die einerlei entsprechenden Maximalbeschleunigungen amax zu erreichen, ergibt sich für den Fachmann im Einzelfall aus der an sich bekannten Anwendung eines an sich bekannten Software-Werkzeugs zur Topologieoptimierung und aus den im Einzelfall bekannten Anforderungen aus der Betriebstrategie des Motors.
  • Nachfolgend ist anhand von 2 eine Ausführung eines Verfahrens nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung erläutert.
  • Die 2 zeigt drei Diagramme: im oberen Diagramm ist der Hub h über den Kurbelwinkel KW eingetragen, im mittleren Diagramm ist die Hubgeschwindigkeit v über den Kurbelwinkel KW eingetragen und im unteren Diagramm ist die Hubbeschleunigung a über den Kurbelwinkel KW eingetragen.
  • In jedem der drei Diagramme ist die entsprechende Größenentwicklung h, v, a über den Kurbelwinkel zum einen für einen Maximalhub hmax (durchgezogene Linie) und zum anderen für einen Millerhub (Teilhub; Strichlinie) eingetragen.
  • Bei einer Volllastanforderung wird zuerst ein konventioneller (Nicht-Miller-) Betrieb mit, zumindest nahezu, maximaler Öffnungsdauer eingestellt, insbesondere indem die zweite Arbeitslage der Hubanpassung des Ventiltriebs eingestellt wird. Dieser Betriebsfall ist mit durchgezogenen Linien in den Diagrammen dargestellt.
  • Erst bei einem Erreichen einer maximalen Abgastemperatur T (siehe exemplarische Eintragung in 1 im Brennraum; wird im Ausführungsbeispiels modellbasiert ermittelt) wird die Brennkraftmaschine auf den Millerbetrieb umgeschaltet, insbesondere indem die erste Arbeitslage der Hubanpassung des Ventiltriebs eingestellt wird. Dieser Betriebsfall ist mit Strichlinien in den Diagrammen dargestellt.
  • Dem oberen Diagramm (Hubdiagramm) ist zum einen die geringere Hubhöhe hmill beim Millerbetrieb - verglichen mit den Maximalhub hmax - zu entnehmen. Zum anderen sorgt eine in 1 nicht dargestellte variable Nockenwellensteuerung dafür, dass bezogen auf den Kurbelwinkel beim Millerbetrieb der größte Hub hmill früher erfolgt als bei Normalbetrieb der größte Hub hmax.
  • Dem mittleren Diagramm (Geschwindigkeitsdiagramm) ist zu entnehmen, dass für den Millerbetrieb eine geringere maximale Geschwindigkeit vmill des Ventils 2 beim Stellen ausreicht - verglichen mit der maximalen Geschwindigkeit vmax beim Normalbetrieb.
  • Dem unteren Diagramm (Beschleunigungsdiagramm) ist die Anpassung der Nockenkontur NK gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu entnehmen: sowohl für den Normalbetrieb als auch für den Millerbetrieb sind die größten Beschleunigungen amax bzw. -amax identisch. In denjenigen Kurbelwinkel-Bereichen, in denen im Beschleunigungsdiagramm die größten Beschleunigungen amax bzw. -amax ausgewiesen werden, rollt die Arbeitskurve 8 in ihrem Bereich maximaler Krümmung BKmax an dem Rollenschlepphebel 9 ab.
  • Wie der 3 zu entnehmen ist, berührt eine Rolle des Rollenschlepphebels 9 die Arbeitskurve je nach Betriebsart am Punkt hmill oder am Punkt hmax, also jeweils im Bereich Bn.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ventiltrieb
    2
    Gaswechselventil
    3
    Gaswechselventil-Betätigungseinheit
    4
    Hubanpassung (insbesondere Zwischenhebel)
    5
    Spielausgleichselement
    6
    Kulissenbahn
    7
    Kulisse
    8
    Arbeitskurve
    9
    Hubhebel (insbesondere Rollenschlepphebel)
    10
    erste Stellvorrichtung (insbesondere Nocken einer Nockenwelle)
    11
    kulissennaher Punkt
    12
    Federelement
    13
    zweite Stellvorrichtung (insbesondere Exzenterscheibe)
    15
    Zylinderkopf
    A1
    erste Arbeitslage der Hubanpassung
    A2
    zweite Arbeitslage der Hubanpassung
    a
    Beschleunigung des Gaswechselventils
    Bg
    Grundkreisbereich der Arbeitskurve
    Bh
    Hubbereich der Arbeitskurve
    BKmax
    Bereich einer maximalen Krümmung der genutzten Arbeitskurve
    h
    Hub des Gaswechselventils
    hmax
    Maximalhub
    hmill
    Millerhub
    Kmax
    maximale Krümmung der Arbeitskurve
    KW
    Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine
    NK
    Stellkontur (insbesondere Nockenkontur) der ersten Stellvorrichtung
    OT
    oberer Totpunkt
    Phmax
    Kontaktposition bei hmax
    Phmill
    Kontaktposition bei hmill
    UT
    unterer Totpunkt
    U10
    Umfangsrichtung der ersten Stellvorrichtung
    U13
    Umfangsrichtung der zweiten Stellvorrichtung
    v
    Geschwindigkeit des Gaswechselventils
  • 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
    • EP 1387928 B1 [0006]
    • DE 102015214115 A1 [0008]
    • WO 2002/092972 A1 [0051]

Claims (13)

  1. Hubvariabler Ventiltrieb (1) für ein Gaswechselventil (2) einer Brennkraftmaschine, aufweisend: - eine Hubanpassung (4), insbesondere einen Zwischenhebel, mit einer Arbeitskurve (8), die zumindest in einer ersten Arbeitslage (A1) zur Stellung eines Teilhubs (hmill) und in einer zweiten Arbeitslage (A2) zur Stellung eines Maximalhubs (hmax) angeordnet werden kann, wobei die Arbeitskurve einen Hubbereich (Bh) und einen Grundkreisbereich (Bg) aufweist, - einen Hubsteller (10), insbesondere einen Nocken einer Nockenwelle, der eine Stellkontur (NK) zum Auslenken der Hubanpassung aufweist, - einen Hubhebel (9), insbesondere einen Rollenschlepphebel, der mittels der Arbeitskurve ausgelenkt werden und dadurch einen Hub (h) des Gaswechselventils stellen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb dazu eingerichtet ist, in der ersten Arbeitslage und in der zweiten Arbeitslage das Gaswechselventil mit einer zumindest im Wesentlichen gleichen maximalen Ventilbeschleunigung (amax, -amax) zu stellen.
  2. Ventiltrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellkontur des Hubstellers dazu eingerichtet ist, die Arbeitskurve in der ersten Arbeitslage und in der zweiten Arbeitslage mit zumindest im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit zu verfahren, solange die Kontaktfläche des Hubhebels an einem Bereich (BKmax) der maximalen Kurvenkrümmung der Arbeitskurve anliegt beziehungsweise über diesen Bereich (BKmax) hinaus im Hubbereich (Bh) bewegt wird.
  3. Ventiltrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (BKmax) maximaler Krümmung an einem Rand des Hubbereichs (Bh) angeordnet ist.
  4. Ventiltrieb gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Hubbereichs (Bh) derjenige ist, welchen ein Kontaktelement des Hubhebels (9) an der Arbeitskurve (8) zu Beginn und des Hubvorgangs passiert.
  5. Ventiltrieb gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubbereich einen zumindest weniger, insbesondere nicht, gekrümmten Bereich (Bn) aufweist.
  6. Ventiltrieb gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weniger gekrümmte Bereich (Bn) zumindest direkt angrenzend an den Bereich (BKmax) maximaler Krümmung angeordnet ist.
  7. Ventiltrieb gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem weniger gekrümmten Bereich (Bn) eine Kontaktposition des Hubhebels mit der Arbeitskurve bei Erreichen des Maximalhubs (hmax) und/oder eine Kontaktposition des Hubhebels mit der Arbeitskurve bei Erreichen des Millerhubs (hmill) angeordnet ist.
  8. Ventiltrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Hubanpassung ein Zwischenhebel ist, der einerseits schiebebeweglich auf einer Kulissenbahn (6) einer Kulisse (7) gelagert ist und andererseits die Arbeitskurve aufweist, wobei der Zwischenhebel mit einer zweiten Stellvorrichtung (13) entlang der Kulissenbahn verschiebbar ist, und/oder - der Hubhebel ein Zwischenelement wie beispielsweise ein Rollenschlepphebel ist, über das die Arbeitskurve mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung steht, und/oder - der Hubsteller eine erste Stellvorrichtung zum Verschwenken der Hubanpassung um einen kulissennahen Punkt (11) gegen eine Federkraft eines Federelementes (12) ist, insbesondere ein Nocken einer Nockenwelle.
  9. Ventiltrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb dazu eingerichtet ist, einen Stellzeitpunkt des Hubstellers anzupassen, insbesondere mittels einer variablen Nockenwellensteuerung.
  10. Ventiltrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine sensorbasierte und/oder modellbasierte Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Abgastemperatur (T) und/oder wenigstens eines anderen Temperaturparameters der Brennkraftmaschine aufweist.
  11. Ventiltrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit zum Betrieb des Ventiltriebs.
  12. Verfahren zum Betrieb eines hubvariablen Ventiltriebs (1), der insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, für ein Gaswechselventil (2) einer Brennkraftmaschine, zumindest aufweisend den Schritt: - Ermitteln einer Abgastemperatur (T) und/oder einer Ausprägung wenigstens eines anderen Temperaturparameters der Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln eines zu schaltenden Betriebsmodus, insbesondere eines konventionellen Betriebsmodus oder eines Miller-Betriebsmodus, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur, und - Schalten der Hubanpassung (4) in die erste Arbeitslage (A1) oder in die zweite Arbeitslage (A2) der Arbeitskurve (2) in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebsmodus.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schalten des Miller-Betriebsmodus ein früherer Stellzeitpunkt des Hubstellers eingestellt wird.
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