DE10211998A1

DE10211998A1 - Vorrichtung zum Steuern der Zylinderladung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10211998A1
Application number: DE10211998A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Grau
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-10-02
Also published as: WO2003078806A1; AU2003206771A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Zylinderladung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors, mit einem vollvariablen Ventiltrieb, der eine verdrehbare Verstellwelle (1) mit Verstellmitteln für die Einlassventile aufweist. DOLLAR A Ein steifer, kompakter und zuverlässig sowie exakt funktionierender Versteller (3) wird dadurch geschaffen, dass die Verstellwelle (1) durch einen elektrischen Verstellmotor (5) über einen Spindeltrieb (4) verdrehbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Zylinderladung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Die Vorteile einer drosselklappenfreien Laststeuerung von Ottomotoren durch vollvariable Einlassventilsteuerungen sind bekannt. Durch die Entdrosselung gelingt es, die ansonsten über weite Lastzüstände des Verbrennungsmotors auftretenden Drosselverluste auszuschalten. Das wirkt sich positiv auf die Höhe des Kraftstoffverbrauchs und des Motorenmoments aus.
Bei variablen mechanischen Ventiltrieben soll die Hubeinstellung der einlassseitigen Ladungswechselventile möglichst spontan, exakt und mit hoher Verstellgeschwindigkeit erfolgen. Als Verstellmechanismus dient dabei eine Verstellwelle mit Rastkurven oder Exzentern.
Je nach System und konstruktiver Ausführung sind zur Einstellung des gewünschten Ventilhubs und somit zur entsprechenden Verdrehung der Verstellwelle erhebliche Betätigungsmomente nötig. Diese sind eine Folge der auf die Verstellwelle wirkenden Reaktionskräfte des Ventiltriebs. Bei einer Verstellung in Richtung hohen Ventilhubs muss die Verstellwelle gegen die Reaktionskräfte des Ventiltriebs bewegt werden. Dabei treten aufgrund der oszillierenden Bewegungen der Ladungswechselventile stark schwellende Drehmomente auf.
Für eine optimale Funktion des Ventiltriebs ist eine spielfreie und äußerst steife Abstützung der Verstellwellenmomente erforderlich. Davon hängt die Positioniergenauigkeit und die Funktion eines vollvariablen Ventiltriebs sowie die Regelbarkeit eines mit diesem System ausgestatteten Verbrennungsmotors ab. Dabei sollten die Verstellzeiten von minimalem auf maximalen Hub weniger als 300 Millisekunden betragen.
Auch der benötigte Bauraum und der Verstellbereich sowie die Systemkosten, der Montageaufwand und die Zuverlässigkeit sind wichtige Parameter.
Der Leistungsbedarf des elektrischen Antriebs der Verstellwelle darf das Bordnetz nicht zu stark belasten. Deshalb sind kleine, schnell laufende Elektromotoren in Verbindung mit Getrieben von hohem Übersetzungsverhältnis anzustreben.
Als denkbare Lösung dafür kommen Schneckengetriebe in Frage. Diese besitzen jedoch einen schlechten Wirkungsgrad und sind anfällig gegen Verschleiß, der wiederum Spiel verursacht. Außerdem haben Schneckengetriebe einen eng begrenzten Übersetzungsbereich.
Vorstellbar sind auch hydraulische Versteller, ähnlich den Nockenwellenverstellern, die als Flügelzellen- oder Drehflügel- oder als steilverzahnte Versteller ausgebildet sein können. Ihre Funktion hängt jedoch stark von dem Schmieröldruck ab, der wiederum von der Schmieröltemperatur und von einem laufenden Verbrennungsmotor abhängig ist. Ihre Verstelldynamik und ihre Steifigkeit sind gering.
Eine weitere Lösung stellen direkt gekoppelte Stirnradgetriebe dar, deren Wirkungsgrad jedoch niedrig und deren Verdrehspiel und Kosten groß sind.
In der DE 42 23 172 C1 ist eine Vorrichtung zum Steuern der Zylinderladung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors beschrieben, mit einem vollvariablen Ventiltrieb, der eine vererbbare Verstellwelle mit Verstellmitteln für die Einlassventile aufweist. Der Antrieb dieser Verstellwelle wird in der DE 42 23 172 C1 nicht beschrieben.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen möglichst steifen, kompakten und zuverlässig sowie exakt funktionierenden Versteller für die Verstellwelle eines vollvariablen, mechanischen Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Der Antrieb durch den elektrischen Verstellmotor gestattet eine exakte, schnelle und von der Temperatur und Qualität des Motorschmieröls unabhängige Verdrehung der Verstellwelle. Damit ist eine entscheidende Voraussetzung für eine hohe Positioniergenauigkeit und für ein exaktes Funktionieren des mechanischen, vollvariablen Ventiltriebs und die davon abhängige Regelbarkeit des Verbrennungsmotors gegeben.
Der Spindeltrieb sichert einen steifen, spielfreien Antrieb. Er besitzt ein frei wählbares, hohes Übersetzungsverhältnis zwischen Verstellwelle und Verstellmotor. Letzterer kann bei hoher Übersetzung entsprechend klein dimensioniert werden. Auf diese Weise können Bauraum und Kosten gespart werden.
Von Vorteil ist, dass der Verstellmotor, der Spindeltrieb und die Verstellwelle fluchtend angeordnet sind. Dadurch baut der Versteller sehr kompakt und kann aufgrund seines geringen Platzbedarfs an der Stirnseite des Verbrennungsmotors untergebracht werden. Die dazu erforderliche Bearbeitung des Motorgehäuses bzw. des Zylinderkopfes ist wegen der fluchtenden Anordnung der Bauteile des Verstellers unaufwendig. Aus dem gleichen Grund ist der Versteller leicht zu montieren. Aufgrund der fluchtenden Anordnung der Funktionsteile treten im Versteller keinerlei Querkräfte auf, was sich positiv auf Reibung und Verschleiß der Bauteile auswirkt.
Es hat auch Vorteile, dass der Spindeltrieb eine Spindelmutter und eine in diese einschraubbare Spindel aufweist und dass die Spindelmutter eine Außenschrägverzahnung und eine Innenschrägverzahnung besitzt, die mit der Innenschrägverzahnung einer Führungshülse und der Außenschrägverzahnung der Verstellwelle drehfest und spielfrei verbunden ist. Der Spindeltrieb ist mechanisch einfach aufgebaut und besteht nur aus den drei Teilen Spindel, Spindelmutter und Führungshülse, wovon nur die ersten beiden Teile beweglich sind. Dadurch nimmt der Spindeltrieb wenig Platz in Anspruch und lässt sich kostengünstig fertigen. Dadurch, dass die Führungshülse zusammen mit dem Verstellmotor am Gehäuse oder Zylinderkopf des Verbrennungsmotors befestigt sind, wird das Verstellmoment auf kürzestem Wege abgestützt. Dies trägt zur steifen Gesamtkonstruktion und zur einfachen Montage des Verstellers bei. Zur Vereinfachung der Konstruktion trägt auch bei, dass die Spindel einstückig mit der Welle des Stellmotors ausgebildet ist. Auf diese Weise entfällt eine gesonderte Kupplung und Lagerung der Spindel. Die Lagerung der Welle des Verstellmotors erfährt aufgrund fehlender Querkräfte keine Mehrbelastung.
Die Ausbildung der Spindel als selbsthemmende Gleitspindel hat den Vorteil einer einfachen Drehlagefixierung der Verstellwelle, der aber durch den Nachteil eines niedrigen mechanischen Wirkungsgrades des Spindeltriebs erkauft werden muss. Dem gegenüber besitzt ein Kugelgewinde einen hohen mechanischen Wirkungsgrad, aber eine nur geringe Selbsthemmung. Diese muss durch ein aktives Haltemoment eines entsprechend bestromten Verstellmotors ersetzt werden.
Durch eine zweite Schrägverzahnung zwischen der Spindelmutter und der Verstellwelle anstelle der Geradverzahnung ist eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses des Spindelteils möglich. Dieses errechnet sich aus dem Verhältnis der Steigung der Spindel und der Steigungsdifferenz der beiden Schrägverzahnungen. Auf diese Weise sind Übersetzungsverhältnisse von über 400 : 1 möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der einzigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.
Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Ansicht der Verstellwelle und einem Versteller mit einem teilgeschnittenen Spindeltrieb und einem Verstellmotor.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur stellt eine Verstellwelle 1 mit Verstellnocken 2 dar, die in drehfester Verbindung mit einem Versteller 3 stehen. Dieser besteht aus einem Spindeltrieb 4 und einem elektrischen Verstellmotor 5. Der Spindeltrieb weist eine Spindel 6 auf, die einstückig mit einer nicht dargestellten Welle des Verstellmotors 5 ausgebildet ist.
Die Spindel 6 ist in ein Spindelmuttergewinde 11 einer Spindelmutter 7 einschraubbar. Diese trägt an ihrem Außenumfang eine Außenschrägverzahnung 8, die in eine entsprechende Innenschrägverzahnung 9 am Innenumfang einer Führungshülse 10 passt. Am Innenumfang der Spindelmutter 7 befindet sich neben dem Spindelmuttergewinde 11 eine Innengeradverzahnung 12, die zusammen mit einer entsprechenden Außengeradverzahnung 13 der Verstellwelle 1 einen Schiebesitz bilden.
Die Führungshülse 10 besitzt einen Hülsenflansch 14, der zusammen mit einem Motorflansch 15 des Verstellmotors 5 mittels gemeinsamer, nicht dargestellter Flanschschrauben an einem nicht dargestellten Zylinderkopf anschraubbar ist.
Der Versteller 3 funktioniert wie folgt:
Im Verstellfall treibt der Verstellmotor 5 die Spindel 6 an. Dadurch wird die Spindelmutter 7 axial verschoben. Der axialen Verschiebung wird durch die Außenschrägverzahnung 8 der Spindelmutter 7, die sich auf der Innenschrägverzahnung 9 der Führungshülse 10 und über deren Hülsenflansch 14 auf dem Zylinderkopf abstützt, eine Drehbewegung überlagert, die von der Steigung der Schrägverzahnung abhängt.
Die Drehbewegung der Spindelmutter 7 wird durch aus der Innengeradverzahnung 12 der Spindelmutter 7 und der Außengeradverzahnung 13 der Verstellwelle 1 gebildeten Schiebesitz auf die Verstellwelle 1 übertragen, die durch ein nicht dargestelltes Festlager axial festgelegt ist.
Zur Lagefixierung der Verstellwelle 1 wird der Verstellmotor mit Gegenstrom beaufschlagt, sofern der Spindeltrieb 4 nicht selbsthemmend ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Versteller zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

- hohes Übersetzungsverhältnis zwischen Verstellwelle und Verstellmotor;
- geringer Bauraumbedarf;
- kompakte Anordnung des gesamten Verstellers an der Stirnseite des Verbrennungsmotors;
- Verwendung einfacher mechanischer Bauteile;
- wenig bewegte Bauteile;
- steife Gesamtkonstruktion;
- kostengünstiges Gesamtsystem;
- einfaches Montagekonzept des Verstellers durch dessen axiales Aufschieben auf die Verstellwelle.

Bezugszeichen

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Claims

1. Vorrichtung zum Steuern der Zylinderladung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit einem vollvariablen Ventiltrieb, der eine verdrehbare Verstellwelle (1) mit Verstellmitteln für die Einlassventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellwelle (1) durch einen elektrischen Verstellmotor (5) über einen Spindeltrieb (4) verdrehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmotor (5), der Spindeltrieb (4) und die Verstellwelle (1) fluchtend angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindeltrieb (4) eine Spindelmutter (7) und eine in diese einschraubbare Spindel (6) aufweist und dass die Spindelmutter (7) eine Außenschrägverzahnung (8) und eine Innengeradverzahnung (12) besitzt, die mit der Innenschrägverzahnung (9) einer Führungshülse (10) und der Außengeradverzahnung (13) der Verstellwelle (1) drehfest und spielfrei verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hülsenflansch (14) der Führungshülse (10) zusammen mit einem Motorflansch (15) des Verstellmotors (5) am Gehäuse oder am Zylinderkopf des Verbrennungsmotors befestigt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (6) vorzugsweise einstückig mit der Welle des Verstellmotors (5) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (6) als selbsthemmende Gleitspindel oder als selbstrückstellende Kugelgewindespindel ausführbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Spindelmutter (7) und Verstellwelle (1) eine zweite Schrägverzahnung anstelle der Geradverzahnung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis des Spindeltriebs (4) durch das Verhältnis der Spindelsteigung zur Steigung der Außenschrägverzahnung bzw. zur Steigungsdifferenz der Schrägverzahnungen bestimmt ist.