DE102019101257A1

DE102019101257A1 - Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Nockenwellensteuerung

Info

Publication number: DE102019101257A1
Application number: DE102019101257.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Kölbl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Nockenwellensteuerung (Vanos), die axial an eine Stirnseite einer Nockenwelle montierbar ist, wobei die Nockenwelle axial in einem Nockenwellen-Spurlagerbock und davon axial beabstandet radial von einem Wälzlager gelagert ist, wobei eine Schmiermittelversorgung vorgesehen ist, die von einem Zylinderkopf kommend durch eine Bohrung in einen Radialspalt zwischen dem Spurlagerbock und der Nockenwelle mündet und von dem Radialspalt aus Spielausgleichselemente und die variable Nockenwellensteuerung mit Schmiermittel versorgt, wobei beidseitig benachbart zu dem Radialspalt eine Radialdichtung zwischen dem Spurlagerbock und der Nockenwelle vorgesehen ist, wobei in der Bohrung eine Drossel angeordnet ist und die Schmiermittelversorgung für die Spielausgleichselemente vor der Drossel abzweigt.Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventiltriebes wird die Reibung deutlich reduziert, wodurch in vorteilhafter Weise Kraftstoffverbrauchsvorteile erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Nockenwellensteuerung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine variable Nockenwellensteuerung ist bspw. aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 36 16 234 A1 bekannt. In dieser wird eine Vorrichtung zur relativen Drehlagenänderung zweier in Antriebsverbindung stehender Wellen vorgeschlagen, insbesondere zwischen in einem Maschinengehäuse einer Brennkraftmaschine gelagerten Kurbelwelle und einer Nockenwelle, die mit einem Antriebsrad ausgerüstet ist, das relativ zur Nockenwelle über ein axial verschiebbares Koppelglied drehwinkelbeweglich angeordnet ist. Eine Betätigungsanordnung zur axialen Verlagerung des Koppelgliedes für eine Drehlagenänderung der Nockenwelle relativ zum Antriebsrad und damit zur Kurbelwelle, ist von der Nockenwelle baulich getrennt an einem lösbaren Maschinendeckel angeordnet. Die Betätigungsanordnung umfasst einen hydraulisch doppelt wirkenden Kolben in einem Zylinder. Der Kolben steht mit einer Koppelstange in lösbarer Verbindung, wobei die Koppelstange ihrerseits mit einem Koppelglied über drei Freiheitsgrade umfassendes Gelenk zusammenwirkt. Zusätzlich ist der Kolben mit einem Dichtungsschaft im Zylinder ausschließlich über Dichtungsringe geführt. Die Betätigungseinrichtung wird von einem, von der Brennkraftmaschine gesonderten Hydrauliksystem mit einem das Hydraulikmedium unter Druck bevorratenden Speicher über Leitungen im Maschinengehäusedeckel versorgt.
Weiter wird zum technischen Umfeld auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2005 059 860 A1 hingewiesen, in der ein Schmiermittelkreislauf eines Nockenwellenverstellers beschrieben ist. Bei herkömmlichen Nockenwellenverstellern sind diese an einem Schmiermittelkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen. Zu große Schmiermittelströme führen zu einer Überschwemmung des Getriebes des Nockenwellenverstellers, was unnötige Punch-Verluste in dem Getriebe und unnötige Verluste der Förderleistung des Schmiermittels für andere Baugruppen der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Aus diesem Grund wird in der DE 10 2005 059 860 A1 vorgeschlagen, ein Strömungselement einzusetzen, mit dem eine Drossel oder Blende in einem Strömungskanal gebildet wird. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine im Betrieb veränderbare Drossel oder Blende vorgeschlagen.
Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 062 037 A1 ein elektrischer Nockenwellenversteller bekannt. Der Nockenwellenversteller dient zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Stellaggregat und einem Verstellgetriebe, welches außerhalb eines Zylinderkopfes angeordnet ist und mit einer von der Kurbelwelle angetriebenen Riemenscheibe in Antriebsverbindung steht.
Diese Nockenwellenversteller werden auch Vanos genannt, wobei Vanos eine Marke der BMW AG ist. Vanos ist somit eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Ventilsteuerzeiten durch Steuerung der Nockenwelle relativ zu einer Lage der Kurbelwelle. Das Akronym Vanos steht für variable Nockenwellensteuerung.
Während bei einem konventionellen Ventiltrieb die relative Winkellage der Nockenwellen zur Kurbelwelle (Nockenwellenspreizung) unabhängig von der Motorlast immer konstant ist, ermöglicht es die Vanos, die Spreizung der Nockenwellen ganz gezielt in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Schmiermitteltemperatur einzustellen. Der bei konventionellen Ventiltrieben für alle Betriebspunkte notwendige Kompromiss wird somit gänzlich vermieden. Neben einem reinen Einlass-Vanos gibt es auch ein Doppel-Vanos, bei dem sowohl die Einlass- als auch die Auslassnockenwelle verstellt werden.
Aus dem Stand der Technik ist ein Gleitlager des Nockenwellenspurlagers bekannt, welches eine Zuleitung zur hydraulisch und variablen Nockenwellenverstellung (Vanos) beinhaltet und eine Umleitung zu einer Schmiermittelgalerie für die hydraulischen Spielausgleichselemente, um diese mit Schmiermittel zu versorgen.
Eine Modifikation zu diesem letztgenannten Stand der Technik gilt der Ersatz der verschleißempfindlichen radialen Gleitlagerung durch eine Wälzlagerung.
Ein gleitgelagertes Nockenwellenspurlager führt zu einer erhöhten Reibung im Mischreibungsgebiet (Nach einem Start der Brennkraftmaschine, Leerlauf). Zur CO₂-Reduzierung sind moderne Fahrzeuge mit einer Motor-Start-Stopp-Automatik (MSA) ausgestattet. Im Stopp-and-Go-Betrieb kommt es daher zum häufigen Abstellen der Brennkraftmaschine. Zusätzlich wird bei heißen Außentemperaturen häufig die Klimaanlage verwendet. Diese wird meistens durch einen mechanischen Klimakompressor angetrieben, welcher jedoch nur arbeiten kann, wenn sich der Riemen und im Umkehrschluss die Brennkraftmaschine dreht (Stau / Ampel führt zu Leerlauf).
Der Ersatz der radialen Gleitlagerung durch eine Wälzlagerung führt zu folgendem Nachteil: das Schmieröl, darf aus dem Gesichtspunkt der Reibung nicht das Wälzlager durchströmen (Verdrängungsarbeit). Zur Vermeidung dieses Problems muss das Wälzlager gegenüber dem Druckschmiermittel abgedichtet werden. Dies kann z. B. durch radiale Dichtringe bewerkstelligt werden, wie sie in 1 dargestellt sind. Diese Dichtringe erzeugen wiederum Reibung und reduzieren den Reibungsvorteil der Wälzlagerung, bzw. heben diesen wieder auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vanos aufzuzeigen, bei dem das Wälzlager nicht durch Druckschmiermittel durchströmt wird.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist die Kurzschlussleitung von der Innenseite des Spurlagerbocks auf die Unterseite verlagert, d. h. in der Schmiermittelzuführbohrung ist eine Drossel angeordnet, wobei die Schmiermittelversorgung für die Spielausgleichsebene vor der Drossel abzweigt.
Dies führt in vorteilhafter Weise zu einem Reibungsvorteil der Wälzlagerung gegenüber einer radialen Gleitlagerung, vor allem im Mischreibungsbetrieb. Weiter wird eine Schmiermitteldurchströmung des Wälzlagers durch Druckschmiermittel vermieden, was ebenfalls zu einer Vermeidung von Verdrängungsarbeit führt. Darüber hinaus kann auf reibungsungünstige Dichtringe verzichtet werden. Dies alles führt zu einer Reibungsreduzierung und somit zu einer CO₂- und Verbrauchsreduzierung.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei der der Nockenwellenkopf den äußeren Körper darstellt und der Lagerbock i. V. mit dem Lagerdeckel den inneren Körper darstellt. Dies ermöglicht eine gewisse thermische Spaltkompensation bei einer Temperaturerhöhung und somit einer Viskositätsverringerung des Schmiermittels.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 reduziert nochmals den Schmiermitteldurchfluss durch das Wälzlager.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine Schmiermittelversorgung für ein Vanos gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Schmiermittelversorgung für ein Vanos gemäß der Erfindung.

1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine herkömmliche Schmiermittelversorgung für ein Vanos. 1 zeigt eine Nockenwelle 2 in die ein Nockenwellenkopf 12 gefügt ist. Der Nockenwellenkopf 12 ist in einem Spurlagerbock 3 gelagert, der aus einem Lagerfuß und einem Lagerdeckel besteht. Darüber hinaus ist für einen nicht vollständig dargestellten Ventiltrieb für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine eine variable Nockenwellensteuerung (Vanos / elektrische Vanos) vorgesehen, die in 1 nicht explizit dargestellt ist. Ein Ende der Nockenwelle 2 ist mit einem Wälzlager 4 wälzgelagert, hierbei kann es sich bspw. um ein Nadellager oder ein Rillenkugellager handeln.
Weiter ist ein Abschnitt eines Zylinderkopfes 5 dargestellt, auf den der Spurlagerbock 3 montiert ist. Eine nicht dargestellte Schmiermittelversorgung versorgt das Vanos sowie nicht dargestellte Spielausgleichselemente für den Ventiltrieb mit Schmiermittel. Hierfür ist eine Bohrung 6 vorgesehen, ein Einströmen des Schmiermittels ist durch einen Pfeil dargestellt, wobei die Bohrung 6 in einem Radialspalt zwischen dem Nockenwellenkopf 12 und dem Spurlagerbock 3 mündet. Von dort verteilt sich das Schmiermittel einerseits weiter durch die Bohrung 6 in Richtung der Spielausgleichselemente und andererseits weiter in Richtung des Vanos zur Schmierung eines Getriebes. Beidseitig des Radialspalts 7 sind der Spurlagerbock 3 und der Nockenwellenkopf 12 beidseitig des Radialspaltes 7 mit jeweils einer Radialdichtung 8 abgedichtet. Über einen Schmiermittelablauf 10 kann zu viel in Richtung des Wälzlagers 4 gefördertes Schmiermittel wieder abfließen.
2 zeigt nochmals den gleichen Grundaufbau wie 1, jedoch mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung. In 2 gelten für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern wie in 1. In 2 ist ebenfalls ein Vanos geschnitten dargestellt, welches mit 1 beziffert ist. Das Vanos 1 ist mit einer Schraube 11 in dem Nockenwellenkopf 12 befestigt. Erfindungsgemäß befindet sich nun im Spurlagerbock 3 eine Drossel 9, wobei das Schmiermittel zur Versorgung der hydraulischen Spielausgleichselemente vor der Drossel 9 von dem Hauptschmiermittelstrom abzweigt. Eine Strömungsrichtung des Schmiermittels ist wiederum durch Pfeile dargestellt.
Des Weiteren ist die Radialdichtung 8 erfindungsgemäß eine Labyrinthdichtung, durch die nur relativ wenig Schmiermittel dringen kann. Bevorzugt ist die Nockenwelle 2 bzw. der Nockenwellenkopf 12 aus einem Stahlwerkstoff, während der Spurlagerbock 3 aus einem Leichtmetall ist. Um bei der erfindungsgemäßen Konstruktion nicht zu viel Schmiermittel durch das Wälzlager 4 zu leiten, ist zwischen einer Radialdichtung 8 und dem Wälzlager 4 wie im Stand der Technik ein Schmiermittelablauf 10 vorgesehen.
Mit anderen Worten ausgedrückt:

- Erfindungsgemäß ist die Kurzschlussleitung von der Innenseite des Spurlagerbocks 3 auf die Unterseite verlagert.
- Die Drosselung des Schmiermitteldrucks / Volumenstroms erfolgt durch die Drossel 9.
- Lagerbock / -deckel haben im Bereich des Axiallagers keinen radial gleitgelagerten Kontakt zum Nockenwellenkopf.
- Es erfolgt eine axiale Abdichtung des Schmiermittels durch eine bedarfsgerechte Anlauffläche (Labyrinthdichtung). Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Nockenwelle 2 bzw. der Nockenwellenkopf 12 aus Stahl und der Lagerbock / -deckel 3 aus Alu bestehen. Der Nockenwellenkopf 12 stellt hiermit den äußeren Körper und der Lagerbock / -deckel 3 den inneren Körper dar. Dies ermöglicht eine gewisse thermische Spaltkompensation bei Temperaturerhöhung und Viskositätsverringerung des Schmiermittels aufgrund von Temperaturerhöhung.
- Aufgrund des Axialschubs der Nockenwelle 2 sollte sich an der linken axialen Anlaufstelle zeitprozentual ein breiterer Spalt einstellen. Das hierdurch laufende Schmiermittel dient unter anderem zur Schmierung des Wälzlagers 4.
- Um das Wälzlager vor erhöhter Verdrängungsarbeit zu schützen, ist der Schmiermittelablauf 10 vorgesehen.
- Insgesamt stellt sich ein Reibungsvorteil der Wälzlagerung gegenüber einer radialen Gleitlagerung ein.
- Weiter wird eine Schmiermitteldurchströmung des Wälzlagers und somit Verdrängungsarbeit vermieden.
- Es kann auf reibungsungünstige Dichtringe verzichtet werden.
- Alle Vorteile zusammen führen zu einer Reibungsreduzierung und somit zu einer CO₂- und Kraftstoffverbrauchsreduzierung.

Bezugszeichenliste

1.: variable Nockenwellensteuerung (Vanos)
2.: Nockenwelle
3.: Spurlagerbock
4.: Wälzlager
5.: Zylinderkopf
6.: Bohrung
7.: Radialspalt
8.: Radialdichtung
9.: Drossel
10.: Schmiermittelablauf
11.: Schraube
12.: Nockenwellenkopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3616234 A1 [0002]
DE 102005059860 A1 [0003]
DE 102004062037 A1 [0004]

Claims

Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Nockenwellensteuerung (1), die axial an eine Stirnseite einer Nockenwelle (2) montierbar ist, wobei die Nockenwelle (2) axial in einem Nockenwellen-Spurlagerbock (3) und davon axial beabstandet radial von einem Wälzlager (4) gelagert ist, wobei eine Schmiermittelversorgung vorgesehen ist, die von einem Zylinderkopf (5) kommend durch eine Bohrung (6) in einen Radialspalt (7) zwischen dem Spurlagerbock (3) und der Nockenwelle (2) mündet und von dem Radialspalt (7) aus Spielausgleichselemente und die variable Nockenwellensteuerung (1) mit Schmiermittel versorgt, wobei beidseitig benachbart zu dem Radialspalt (7) eine Radialdichtung (8) zwischen dem Spurlagerbock (3) und der Nockenwelle (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bohrung (6) eine Drossel (9) angeordnet ist und die Schmiermittelversorgung für die Spielausgleichselemente vor der Drossel (9) abzweigt.
Ventiltrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialdichtung (8) eine Labyrinthdichtung ist.
Ventiltrieb nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) aus einem Stahlwerkstoff und der Spurlagerbock (3) aus einem Leichtmetall ist.
Ventiltrieb nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Radialdichtung (8) und dem Wälzlager (4) ein Schmiermittelablauf (10) vorgesehen ist.