DE10212327A1

DE10212327A1 - Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10212327A1
Application number: DE10212327A
Authority: DE
Inventors: Armin Josenhans; Dietmar Schwarzenthal; Leo Spiegel
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei Ein- und/oder Auslassventilen (EV1, EV2, AV1, AV2) pro Zylinder, die durch eine Einlass- und/oder Auslassnockenwelle (8) betätigbar sind, sowie mit zwischen den Nocken (6, 7) der Einlass- und/oder Auslassnockenwelle angeordneten Hubübertragungselementen (4) und mit Mitteln zur Änderung des Ventilhubs der Einlass- und/oder Auslassventile, wobei mindestens zwei Einlass- und/oder zwei Auslassventile pro Zylinder mit mindestens zwei verschiedene Hubkurven aufweisende Teilnocken (24, 25, 26) zusammenwirken und dass die Hubübertragungselemente (4) dieser Gaswechselventile mindestens zwei Hubelemente (22, 23) aufweisen, die jeweils mit den Teilnocken (24, 25, 26) zusammenwirken, sowie mit hydraulischen Versorgungsleitungen für die Ventilhubumschaltung. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Versorgungsleitungen (34, 44) für die Ventilhubumschaltung eines ersten Ein- oder Auslassventils (EV1, AV1) getrennt sind von den Versorgungsleitungen (40, 48) für die Ventilhubumschaltung eines zweiten Ein- oder Auslassventils (EV2, AV2), so dass das erste Ein- oder Auslassventil (EV1, AV1) unabhängig vom zweiten Ein- oder Auslassventil (EV2, AV2) schaltbar ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine zweistufige Ventilhubumschaltung erweitert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind variable Ventiltriebe bekannt, mit denen sowohl die Ventilöffnungszeiten als auch der Ventilöffnungsquerschnitt dem Betriebszustand des Motors angepasst werden kann. So ist beispielsweise aus der DE 196 06 054 C2 ein variabler Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem mit Hilfe eines schaltbaren Tassenstößels der Ventilhub zweistufig einstellbar ist. Ergänzt wird die Vorrichtung durch eine Einrichtung zum Verstellen der Ein- und Auslasszeiten der Gaswechselventile, wodurch u. a. die Zylinderfüllung über einen großen Drehzahlbereich verbessert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf der Grundlage des o. a. Standes der Technik die Zweistufigkeit des Ventilhubs eines gattungsgemäßen Ventiltriebs auszubauen, um angepasst an den Last und Drehzahlzustand des Motors, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter zu steigern.
Aus der EP 0 259 106 A1 ist ein Ventiltrieb mit einer Kipphebelanordnung bekannt (sog. Honda-VTEC-System), bei dem durch drei verschiedene Nocken unterschiedliche Ventilhubkombinationen umsetzbar sind. Dazu wird ein nicht unmittelbar auf die Ventile wirkender Kipphebel, der zwischen den beiden unmittelbar auf die Einlassventile wirkenden Kipphebeln angeordnet ist, über hydraulisch ansteuerbare Verriegelungselemente wahlweise mit den beiden Kipphebeln verbunden. Zur Ansteuerung der Verriegelungselemente ist weiterhin in einem Ölkanal der Kipphebelwelle ein Einlegeteil vorgesehen, durch das mehrere separate Teilölkanäle ausgebildet werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Hubübertragungselemente für die Gaswechselventile hydraulisch separat ansteuerbar sind, kann die Variabilität für den Ventilöffnungsquerschnitt bzw. für die Ventilöffnungszeiten der Zylinder in Abhängigkeit vom Last- bzw. Drehzahlzustand erhöht werden. So ist es beispielsweise möglich, auf der Einlassseite für das erste Einlassventil einen kleinen Ventilhub zu verwenden, während für ein zweites Einlassventil des betreffenden Zylinders der große Ventilhub realisiert ist.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Durch die separate hydraulische Ansteuerung für die Ventilhubumschaltung innerhalb eines Zylinders besteht die Möglichkeit, die Hubkurven des kleinen und/oder des großen Nockens des ersten Ein- oder Auslassventils gegenüber den Hubkurven des zweiten Ein- oder Auslassventils des betreffenden Zylinders unterschiedlich zu gestalten. Damit wird die Variabilität der möglichen Ventilhubeinstellungen weiter erhöht.
Eine vorteilhafte konstruktive Umsetzung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Teil der hydraulischen Versorgungsleitungen für die Ventilhubumschaltung als Kanäle in einem Tassenstösselgehäuse ausgebildet sind. Damit kann z. B. ein Ventiltrieb gemäß der DE 196 30 192 A1 auf einfache Art und Weise lediglich durch Austausch des Tassenstösselgehäuses mit der erfindungsgemäßen Technik nachgerüstet werden.
Für die Ausbildung der für die Druckölversorgung der einzelnen Tassenstössel erforderlichen Ölkanäle wird vorgeschlagen, Formeinlegeteile zu verwenden, die in entsprechenden Bohrungen des Tassenstösselgehäuses Aufnahme finden. Die in ihrer Grundform zylinderförmigen Formeinlegeteile sind mit zwei Längsnuten sowie mit radialen Aussparungen versehen, wobei letztere mit zu den Tassenstösseln führenden Ölbohrungen verbunden sind. Damit wird insgesamt eine platzsparende und wenig zusätzliche Bauteile benötigende Öldruckversorgung für den variablen Ventiltrieb im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt.
Für die Ansteuerung der Ölkanäle sind im Tassenstösselgehäuse entsprechende Aufnahmen für die Schaltventile vorgesehen.
Die Vorrichtung zur Änderung der Ventilöffnungszeiten wird ergänzt durch einen auf der Ein- und/oder Auslassseite angeordneten Nockenwellenversteller, mit dessen Hilfe die Ein- und/oder Auslasszeiten der Gaswechselventile verändert werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein Schaltschema für einen variablen Ventiltrieb,
Fig. 2 die schematische Darstellung eines Ventiltriebs,
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Hubübertragungselement,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Hubübertragungselement,
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Ventilerhebungskurven,
Fig. 6 eine tabellarische Übersicht über verschiedene Schaltzustände des Ventiltriebs,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Tassenstösselgehäuse,
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII gemäß Fig. 7,
Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX gemäß Fig. 7,
Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie X-X gemäß Fig. 7,
Fig. 11 einen Schnitt entlang der Linie XI-XI gemäß Fig. 7 und
Fig. 12 in Bohrungen des Tassenstösselgehäuses eingesetzte Einlegeteile,
Fig. 13 einen Schnitt entlang der Linie XIII-XIII gemäß Fig. 12 und
Fig. 14 einen Schnitt entlang der Linie XIV-XIV gemäß Fig. 12.
Die in Fig. 2 dargestellten zwei Gaswechselventile 2 stellen einen Teil eines Ventiltriebs eines Vierventil-Motors dar, bei dem die beiden Gaswechselventile 2 exemplarisch die beiden Einlassventile eines Zylinders bilden; die zwei pro Zylinder vorgesehenen Auslaßventile sind nicht dargestellt; sie sind jedoch hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Betätigung analog zu der im folgenden näher beschriebenen Einlassseite ausgeführt. Die beiden Gaswechselventile 2 werden über ein als Tassenstößel ausgebildetes Hubübertragungselement 4 von den Nocken 6, 7 einer Nockenwelle 8 betätigt. Die Tassenstößel 4 sind in einer Bohrung 9 eines Zylinderkopfes 11 eingesetzt und stützen sich über eine Druckfeder 10 ab. Die Gaswechselventile 2 umfassen einen mit einem Ventilsitz 12 des Zylinderkopfes 11 zusammenwirkenden Ventilteller 14 sowie einen Ventilschaft 16, der mit einem Ventilfederteller 18 versehen ist. Zwischen Ventilfederteller 18 und Zylinderkopf 11 ist eine Ventilfeder 20 angeordnet, die das Gaswechselventil 2 in der geschlossenen Stellung hält. Die Druckfeder 10 stützt sich auf der gegenüberliegenden Seite ebenfalls am Ventilfederteller 18 ab.
Der Tassenstößel 4 weist zwei konzentrisch zueinander angeordnete Tassenelemente auf, im folgenden als äußerer Hubkolben 22 und innerer Hubkolben 23 bezeichnet, die jeweils mit unterschiedlichen Nockenbereichen (Teilnocken) 24 bis 26 bzw. 24' bis 26' der Nocken 6 und 7 zusammenwirken. Die beiden äußeren Nockenbereiche 24, 26 und 24', 26' der Nocken 6 und 7 sind untereinander gleich ausgebildet, d. h. sie haben die gleiche Hubhöhe und Phasenlage. Diese Nockenbereiche 24 und 26 bzw. 24' und 26' wirken mit dem äußeren Hubkolben 22 zusammen. Der mittlere Nockenbereich 25 bzw. 25' hat gegenüber den beiden äußeren Nockenbereichen 24 und 26 bzw. 24' und 26' eine geringere Hubhöhe und wirkt mit dem inneren Hubkolben 23 zusammen. Der äußere Nockenbereich 24, 26 des Nockens 6 weist wiederum eine größere Hubhöhe auf als der äußere Nockenbereich 24', 26' des Nockens 7; die Hubhöhe des mittleren Nockenbereichs 25 des Nockens 6 ist dagegen kleiner als die Hubhöhe des mittleren Nockenbereichs 25' des Nockens 7.
Die beiden Hubkolben 22 und 23 weisen im Bodenbereich eine Bohrung 27 auf, die in der Grundkreisphase der drei Teilnocken 24 bzw. 24', 25 bzw. 25' sowie 26 bzw. 26' (siehe Fig. 3) zueinander fluchten, so dass der äußere mit dem inneren Hubkolben 22, 23 in dieser Stellung durch in der Bohrung 27 längsverschiebbare Kolbenelemente 28, 29verriegelbar ist. Die Verschiebung der Kolbenelemente 28, 29 und damit die Verriegelung erfolgt hydraulisch; zu diesem Zweck wird über eine Öffnung 33 eine Stirnfläche des Kolbens 28 mit Hydrauliköl beaufschlagt. Auf den Verriegelungsmechanismus wird nicht näher eingegangen; dieser ist beispielsweise in der DE 196 01 587 A1 oder der DE 195 28 505 A1 näher beschrieben. Sind in einer ersten Arbeits- bzw. Schaltstellung der äußere und innere Hubkolben 22 und 23 über die Kolbenelemente 28, 29 zueinander verriegelt, so wird über die äußeren Nockenbereiche 24 und 26 bzw. 24' und 26' der größere Ventilhub auf den Ventilschaft 16 des Gaswechselventils 2 übertragen. Wird über ein entsprechendes Umschalten der in hydraulischen Zuleitungen angeordneten Steuerventile (später noch näher erläutert) der auf den Kolben 28 ausgeübte Druck soweit reduziert, dass die Kolben 28, 29 aus ihrer verriegelten Arbeitsstellung zurückgeführt werden, sind die beiden Hubkolben 22 und 23 wieder frei beweglich zueinander, so dass lediglich die durch den mittleren Teilnocken 25 bzw. 25' verursachte Hubbewegung über den inneren Hubkolben 23 auf den Ventilschaft 16 des Gaswechselventils 2 übertragen wird. Der äußeren Hubkolben 22 folgt dem Hubverlauf der beiden äußeren Teilnocken 24 bzw. 24' und 26 bzw. 26', ohne jedoch Einfluss auf den frei dazu beweglichen inneren Hubkolben 23 zu haben.
Das Schaltschema für die hydraulische Druckölversorgung zur Ventilhubumschaltung ist anhand einer Zylinderbankreihe eines zweireihigen 6-Zylinder-Ottomotors mit Vierventiltechnik dargestellt (siehe Fig. 1). Dazu werden die Tassenstößel 4 der beiden Einlassventile EV1 und EV2 sowie die Tassenstößel 4 der beiden Auslassventile AV1 und AV2 der drei dargestellten Zylinder 30, 31 und 32 zur Ver- bzw. Entriegelung der beiden Hubkolben 22, 23 und damit zur Steuerung des Ventilhubs separat mit Hydrauliköl beaufschlagt. Weiterhin sind die Tassenstößel 4 der ersten drei Einlassventile EV1 mit einer ersten Hydraulikleitung 34 verbunden, die über ein erstes Schaltventil (2/2- Wegeventil) 36 zu einem Ölsumpf 38 des Motors führt. Die den zweiten drei Einlassventilen EV2 zugeordneten Tassenstößel 4 sind mit einer zweiten Hydraulikleitung 40 verbunden, die über ein zweites Schaltventil (2/2-Wegeventil) 42 ebenfalls zum Olsumpf 38 führt. Auf analoge Art und Weise sind die Tassenstößel 4 der drei ersten Auslassventile AV1 der drei Zylinder 30 bis 32 mit einer dritten Hydraulikleitung 44 verbunden, die über ein drittes Schaltventil (2/2-Wegeventil) 46 ebenfalls zum Ölsumpf 38 führt. Eine vierte Hydraulikleitung 48 ist mit den Tassenstößeln 4 verbunden, die den drei zweiten Auslassventilen AV2 zugeordnet sind und die über ein viertes Schaltventil (2/2 Wegeventil) 50 zum Ölsumpf 38 führt. Die vier Schaltventile 36, 42, 46 und 50 sind an eine Drucköl-Versorgungsleitung 52 angeschlossen, die über eine Ölförderpumpe 54 mit Hydrauliköl beaufschlagbar ist.
In Abhängigkeit der Stellung der Schaltventile 36, 42, 46, 50 lassen sich verschiedene Ventilhubkombinationen realisieren. Wie bereits eingangs erläutert, unterscheiden sich die äußeren Teilnocken 24 und 26 von den äußeren Teilnocken 24' und 26' sowie die mittleren Teilnocken 25 und 25' hinsichtlich ihres Hubs und ihrer Phasenlage. Damit ergeben sich die in Fig. 5 dargestellten Ventilerhebungskurven mit einem kleinen Ventilhub h_EV1 und einem grossen Ventilhub H_EV1 für die ersten Einlassventile EV1 sowie mit einem kleinen Ventilhub h_EV2 und einem großen Ventilhub H_EV2 für die zweiten Einlassventile EV2. Analog dazu ergeben sich verschiedene Erhebungskurven für die Auslassventile AV1 und AV2: einen kleinen Ventilhub h_AV1 und einen grossen Ventilhub H_AV1 für die ersten Auslassventile AV1 und einen kleinen Ventilhub h_AV2 und einen grossen Ventilhub H_AV2 für die zweiten Auslassventile AV2. So lassen sich bezogen auf das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel 16 verschiedene Schaltvariationen realisieren, mit denen die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Last- und Drehzahlzustand betrieben werden kann. Die mit Hilfe der Schaltventile 36, 42, 46, 50 umsetzbaren Ventilhubkombinationen sind anhand der in Fig. 6 dargestellten Tabelle aufgezeigt. Selbstverständlich ist es auch denkbar, je nach Verwendungszweck lediglich die Einlass- oder die Auslassseite der Brennkraftmaschine mit den mehrstufigen Ventilhub- Schaltmöglichkeiten zu versehen. Darüber hinaus ist die beschriebene Ventilhubumschaltung bei beliebig anderen Motorkonfigurationen einsetzbar, bei denen je Zylinder mindestens zwei Einlass- oder Auslassventile vorgesehen sind.
Die Möglichkeiten zur Einstellung der Ventilhübe der Brennkraftmaschine kann durch eine zusätzliche Einrichtung zur Änderung der Einlass- und/oder Auslasszeiten der Gaswechselventile 2 sinnvoll ergänzt werden. Dazu sind auf der Einlass- und der Auslassseite zwei Nockenwellenversteller 56 und 58 vorgesehen, mit deren Hilfe die Ventilsteuerzeiten auf der Einlass- und der Auslassseite der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Betriebszustand nach "früh" oder "spät" verstellt werden können. Dazu sind die beiden Nockenwellenversteller 56 und 58 über ein als 3/2-Wegeventil ausgebildetes Schaltventil 60 und 62 mit jeweils einer ersten Steuerleitung 64, 65 an die Drucköl-Versorgungsleitung 52 angeschlossen, während jeweils eine zweite Steuerleitung 66, 67 zum Ölsumpf 38 der Brennkraftmaschine zurückführt. Der Aufbau derartiger Nockenwellenversteller 56, 58 ist beispielsweise in der DE 198 34 843 A1 beschrieben und dargestellt.
In den Fig. 7 bis 14 ist eine konstruktive Umsetzung der Ölversorgung für den variablen Ventiltrieb dargestellt, der im folgenden näher beschrieben ist. Ein Tassenstösselgehäuse 68 weist Öffnungen 70 auf, in denen die einzelnen schaltbaren Tassenstössel 4 Aufnahme finden. Im Gehäuse 68 sind zwei Längsbohrungen 72 und 74 vorgesehen, in denen zur Ausbildung von jeweils zwei Teilölkanälen 72a, 72b und 74a, 74b zwei Formeinlegeteile 76 und 78 eingesetzt sind. In den Formeinlegeteilen 76, 78 sind zur Ausbildung der Teilölkanäle 72a, b und 74a, b jeweils zwei Längsnuten 80a, b und 82a, b eingebracht. Die Formeinlegeteile 76, 78 weisen darüber hinaus über den Umfang verteilte nutenförmige radiale Ausnehmungen 84a bis 84f und 86a bis 86f auf, die mit den Längsnuten 80a, b bzw. 82a, b verbunden sind. Wie insbesondere anhand der Schnittdarstellung in Fig. 10 erkennbar, sind die Ausnehmungen 84, 86 jeweils mit im Gehäuse 68 versehenen Ölkanälen 88, 90 verbunden, die zum Schalten der Tassenstössel 4 zu den in Fig. 3 dargestellten Öffnungen 33 führen. Zur Abdichtung der Formeinlegeteile 76, 78 sind deren stirnseitigen Enden in den Bohrungen 72, 74 verklebt oder es werden separate Abdichtstutzen (nicht dargestellt) an den beiden Enden der Bohrungen eingepresst. Die Formeinlegeteile 76, 78 bestehen vorzugsweise aus demselben Material wie das Tassenstösselgehäuse 68, d. h. aus Aluminium; andere Materialien, wie z. B. Kunststoff sind jedoch ebenso einsetzbar.
In der Mitte des Tassenstösselgehäuses 68 sind weiterhin vier Öffnungen 94a bis 94d erkennbar, die zur Aufnahme der vier Schaltventile 36, 42, 46, 50 dienen, die zur besseren Übersicht im Tassenstösselgehäuse 68 selbst nicht eingezeichnet sind. Die Öffnungen 94a bis 94d stehen jeweils mit einem der Teilölkanale 72a, b bzw. 74a, b in Verbindung, in diesem Fall Öffnung 94a mit Ölkanal 72b, Öffnung 94b mit Ölkanal 74a, Öffnung 94c mit Ölkanal 72a und Öffnung 94d mit Ölkanal 74b. Die in Fig. 7 erkennbaren externen Druckleitungen 96a und 96b dienen dazu, dass der an beiden Öffnungen 94c und 94d zum Schalten der Ventile 36, 42 anliegende Öldruck parallel dazu auch den Öffnungen 94a und 94b zum Schalten der Ventile 46, 50 zugeführt wird.

Claims

1. Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei Ein- und/oder Auslassventilen pro Zylinder, die durch eine Einlass- und/oder Auslassnockenwelle betätigbar sind, sowie mit zwischen den Nocken der Einlass- und/oder Auslassnockenwelle angeordneten Hubübertragungselementen und mit Mitteln zur Veränderung des Ventilhubs der Einlass- und/oder Auslassventile, wobei mindestens zwei Einlass- und/oder zwei Auslassventile pro Zylinder mit mindestens zwei verschiedene Hubkurven aufweisende Teilnocken zusammenwirken und dass die Hubübertragungselemente dieser Gaswechselventile mindestens zwei Hubelemente aufweisen, die jeweils mit den Teilnocken zusammenwirken, sowie mit hydraulischen Versorgungsleitungen für die Ventilhubumschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitungen (34, 44) für die Ventilhubumschaltung eines ersten Ein- oder Auslassventils (EV1, AV1) getrennt sind von den Versorgungsleitungen (40, 48) für die Ventilhubumschaltung eines zweiten Ein- oder Auslassventils (EV2, AV2), so dass das erste Ein- oder Auslassventil (EV1, AV1) unabhängig vom zweiten Ein- oder Auslassventil (EV2, AV2) schaltbar ist.

2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Ein- oder Auslassventil (EV1, AV1) ein erster mehrteiliger Nocken (6) zugeordnet ist, dessen Hubkurven (h_EV1, H_EV1 bzw. h_AV1, H_AV1) sich von den Hubkurven (h_EV2, H_EV2 bzw. h_AV2, H_AV2) eines zweiten mehrteiligen Nockens (7) unterscheiden, wobei der Nocken (7) als Hubübertragungselement den zweiten Ein- oder Auslassventilen (EV2, AV2) zugeordnet ist.

3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Versorgungsleitungen (34, 44, 40, 48) als Kanäle (72a, b, 74a, b) in einem Tassenstösselgehäuse (68) des Zylinderkopfs ausgebildet sind.

4. Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Tassenstösselgehäuse (68) mindestens eine Bohrung (72, 74) vorgesehen ist, in der zur Ausbildung der Kanäle (72a, b, 74a, b) ein Einlegeteil (76, 78) eingesetzt ist.

5. Ventiltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (76, 78) zwei im wesentlichen über die gesamte Länge verlaufende Längsnuten (80a, b, 82a, b) sowie mit den Längsnuten verbundene radiale Ausnehmungen (84a-f, 86a-f) aufweist, die mit den zu den Tassenstösseln (4) führenden Ölkanälen (72a, b, 74a, b) verbunden sind.

6. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Tassenstösselgehäuse (68) Öffnungen (94a-d) für die Aufnahme der Schaltventile (36, 42, 46, 50) vorgesehen sind, über die die Druckölzufuhr zu den Ölkanälen (72a, b, 74a, b) steuerbar ist.

7. Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Ventilhubumschaltung auf der Ein- und/oder Auslassnockenwelle ein Nockenwellenversteller (56, 58) zur Änderung der Einlass- und/oder Auslasszeiten angeordnet ist.