DE10252991A1

DE10252991A1 - Schwenkaktor-Vorrichtung zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10252991A1
Application number: DE10252991A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Gaubatz; Johannes Meyer; Axel Knaut; Rudolf Dr. Seethaler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-05-27
Also published as: WO2004044392A1; US20060016408A1; DE50305989D1; US7111598B2; EP1561011A1; EP1561011B1

Abstract

Schwenkaktor-Vorrichtung (1) zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils (2) in einem Zylinderkopf (3) einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Schwenkmotor (4) mit einer Welle (5), an die ein Betätigungselement (6) mit einer Steuerbahn (7) zum Öffnen des Gaswechselventils (2) angeordnet ist, wobei an das erste Betätigungselement (6) ein zweites Betätigungselement (8) mit einer zweiten Steuerbahn (9) angeordnet ist. DOLLAR A Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schwenkaktor-Vorrichtung wird bei niedrigen Drehzahlen weniger Strom benötigt sowie die Gemischaufbereitung verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwenkaktor-Vorrichtung zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie geht von der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 101 40 461 aus. In dieser ist eine Drehaktor-Vorrichtung zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine beschrieben. Die Hubsteuerung erfolgt über einen kennfeldgesteuerten Elektromotor, an dessen Rotor eine Welle mit einer drehfest verbundenen Steuernocke angeordnet ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine schwenkt, bzw. pendelt der Motor hin und her und der Steuernocken drückt über einen Schwenkhebel periodisch das Gaswechselventil in seine Öffnungsstellung. Geschlossen wird das Gaswechselventil durch die Federkraft einer Ventilfeder. Damit der Elektromotor nicht die gesamte Federkraft der Ventilfeder beim Öffnen des Gaswechselventils überwinden muss, ist an die Welle eine zusätzliche Feder angebracht. Die Kräfte von Ventilfeder und zusätzlicher Feder sind dergestalt, dass beim periodischen Betrieb der Drehaktor-Vorrichtung entsprechend der Stellung des Gaswechselventils die kinetische Energie entweder in der Ventilfeder oder in der zusätzlichen Feder gespeichert ist. Durch diese Maßnahme wird der Strombedarf beim Betrieb der Drehaktor-Vorrichtung reduziert. Der Steuernocken ist elektromotorisch alternierend gesteuert und weist eine einzige, zwischen einer Nockenkuppe und einem Grundkreis zum Öffnen und Schließen dienende, mit einer Rampe ausgebildete Nockenflanke auf, zu der der Steuernocken in einem diametralen Bereich einen in Umfangsrichtung verlängerten Grundkreisabschnitt aufweist, an den eine im Wesentlichen radial zum Nocken-Kuppenbereich gerichtete Anschlagfläche für einen motor- oder zylinderkopfseitig angeordneten ersten Drehanschlag anschließt.

Nachteilig bei der beschriebenen Drehaktor-Vorrichtung ist der hohe Strombedarf bei niedrigen Drehzahlen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine gattungsgemäße Drehaktor-Vorrichtung den Stromverbrauch bei niedrigen Drehzahlen zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass ein zweites Betätigungselement mit einer zweiten Steuerbahn an das erste Betätigungselement angeordnet ist. Diese Erfindung erweitert die bestehende Schwenkaktor-Vorrichtung durch ein zweites Betätigungselement in gegenläufiger Drehrichtung mit einem geringeren Hub gegenüber der Hauptnocke. Dieses zweite Betätigungselement öffnet das Ventil nicht komplett und wird nur für kleine Hübe im Bereich niedriger Motordrehzahlen verwendet. Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird die Schwenkaktor-Vorrichtung derart bestromt, dass die Welle nur in Richtung des zweiten Betätigungselementes schwenkt, während bei hohen Drehzahlen ausschließlich in Richtung des ersten Betätigungselementes geschwenkt wird. Durch den geringen Hub verbraucht die Schwenkaktor-Vorrichtung bei niedrigen Drehzahlen in vorteilhafter Weise weniger Strom.

Durch die Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 2 und 3 bilden die zwei Betätigungselemente einen Doppelnocken, der stoßfrei in zwei Richtungen betätigbar ist. Darüber hinaus ist die Fertigung einer derart gestalteten doppelten Steuerbahn, deren Nullhubbereiche aneinandergeordnet sind, einfach und kostengünstig.

Mit einer Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 4 bis 7 ist die Stromaufnahme bei niedrigen Drehzahlen gering. Ferner werden durch Aufschlagen des Gaswechselventils auf dem Ventilsitz generierte Ventilgeräusche durch die erfindungsgemä ße Ausgestaltung reduziert. Das zweite Betätigungselement gleicht die Momente des Federelementes, einer Aktorfeder, gegen die Momente der Ventilfeder aus. Damit ist das resultierende Moment an der Nockenwelle nahezu Null, abhängig von Toleranzen, und somit kann die Nockenwelle in jeder Winkelstellung des zweiten Betätigungselementes nahezu stromlos gehalten werden. Ein derartiges System hat eine geringe Dynamik, da diese allein von dem Momentaufbau des Schwenkmotors (durch Bestromung) aufgebaut wird. Als weiterer Vorteil ist die Verbesserung der Gasdynamik beim Ladungswechsel zu nennen, da aufgrund des kleinen Ventilhubs Überschallgeschwindigkeiten im Ventilspalt erzeugbar sind, die wesentlich zu einer guten Gemischaufbereitung positiv beitragen. Insbesondere bei einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 wirken sich Systemüberschwinger nicht aus, da der Ventilhub in diesen Bereichen nicht verändert wird.

Um die geringe Dynamik des zweiten Betätigungselementes zu verbessern, ist die zweite Steuerbahn gemäß der Patentansprüche 8 bis 10 ausgestaltet. Hierzu ist die Steuerbahn in zwei Bereiche aufgeteilt. Im ersten Hubbereich, ab Nullhub oder einem definierten Wert (z. B. ab 0,6 mm bis 1,5 mm Hubhöhe), wird das Kinematikmoment des Federelementes nur zu einem geringen Teil kompensiert, damit der Schwenkaktor-Vorrichtung eine federbedingte Beschleunigung aufgeprägt wird. Im zweiten Hubbereich (z. B. ab 1,5 mm bis ca. 3,5 mm) wird das Kinematikmoment des Federelementes überkompensiert, damit der Schwenkaktor-Vorrichtung eine federbedingte Abbremsung über diesen Hubbereich aufgeprägt wird. Durch diese Ausgestaltung ist es in einfacher Weise möglich, die Dynamik der Schwenkaktor-Vorrichtung, insbesondere für kleine Ventilhübe positiv zu beeinflussen.

Gemäß Patentanspruch 11 ist es möglich, die zwei Betätigungselemente entweder radial am Außenumfang der Welle anzuordnen, wodurch von einer Schwenkaktor-Vorrichtung mehrere Gaswechselventile betrieben werden können bzw. an der stirnseitigen Fläche der Welle eine Kulissenbahn anzubringen, mit der ein einzelnes Gaswechselventil steuerbar ist.

Bei Anordnung eines Kraftübertragungselementes zwischen Betätigungselement und Gaswechselventilgemäß Patentanspruch 12 und 13 wird die innere Reibung des Systems verringert.

In vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Schwenkaktor-Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 sowohl einlassseitig als auch auslassseitig im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet werden. Dieses Gleichteileprinzip ermöglicht eine kostengünstige Fertigung.

Im Folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schwenkaktor-Vorrichtung 1 in Einbaulage in einem Zylinderkopf 3. Die Schwenkaktor-Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Schwenkmotor 4 mit einem nicht dargestellten Stator und einem nicht dargestellten Rotor. Der Rotor ist mit einer Welle 5 mit einer gemeinsamen Drehachse 5a ortsfest verbunden. Die Welle 5 weist radial an ihrem Umfang ein Betätigungselement 6 mit einer Steuerbahn 7, eine halbe Nocke, auf. Die Steuerbahn 7 teilt sich in drei Einzelbereiche, einen Nullhubbereich 7a, einen Hubbereich 7b und einen Vollhubbereich 7c auf. An den Nullhubbereich 7a schließt sich in entgegengesetzter Drehrichtung ein zweites Betätigungselement 8 mit einer zweiten Steuerbahn 9 an. Die zweite Steuerbahn 9 ist ebenfalls in drei Bereiche, einen zweiten Nullhubbereich 9a, einen zweiten Hubbereich 9b und einen Teilhubbereich 9c unterteilt. Der zweite Hubbereich 9b ist wiederum unterteilt in einen Beschleunigungshubbereich 9b', der sich an den zweiten Nullhubbereich 9a anschließt, daran schließt sich ein Verzögerungshubbereich 9b" an. Der erste Nullhubereich 7a und der daran angrenzende zweite Nullhubbereich 9a weisen den selben konstanten Radius „R1" bezogen auf die Drehachse 5a auf. Der Abstand der Steuerbahn 7 im Hubbereich 7b nimmt entsprechend einer Nockenkontur über einen Verdrehwinkel in Richtung Vollhubbereich 7c zu. Der an den Hubbereich 7b anschließende Vollhubbereich 7c weist wiederum einen konstanten Radius „R2" auf. Die Radiusdifferenz zwischen R2 und R1 entspricht einer Höhe „h,", entsprechend einem maximalen Gaswechsel-Ventilhub. Der an den zweiten Nullhubbereich 9a anschließende zweite Hubbereich 9b weist ebenfalls eine Nockenkontur auf, das heißt, der Abstand der Steuerbahn 9 von der Drehachse 5a vergrößert sich im Hubbereich 9b über einen Verdrehwinkel in Richtung Teilhubbereich 9c. Der Beschleunigungshubbereich 9b' weist eine degressive, der Verzögerungshubbereich 9b" eine progressive Radiuszunahme auf. Der an den Verzögerungshubbereich 9b" anschließende Teilhubbereich 9c weist einen konstanten Radius „R3" in Bezug auf die Drehachse 5a auf. Die Radiusdifferenz zwischen R3 und R1 entspricht einer Höhe „h₂", einem mittleren Gaswechsel-Ventilhub. Der Beschleunigungshubbereich 9b' beginnt im vorliegenden Beispiel ab einem Hub von 0,6 mm und erstreckt sich bis zu einer Hubhöhe von 1,5 mm. Der Verzögerungshubbereich 9b" beginnt ab einer Hubhöhe von 1,5 mm und reicht bis zu einer Hubhöhe von 3,5 mm. Während der Beschleunigungshubbereich 9b' das Kinematikmoment des Federelementes nur zu einem geringen Teil kompensiert, und somit dem System eine federbedingte Beschleunigung aufprägt, wird im Verzögerungshubbereich 9b" das Kinematikmoment des Federelementes 12 überkompensiert und damit dem System eine federbedingte Abbremsung über diesen Hubbereich aufgeprägt. Der Beschleunigungshubbereich 9b' und der Verzögerungshubbereich 9b" können abhängig von der Brennkraftmaschine unterschiedliche Winkelabschnitte der Steuerbahn 9 einnehmen oder ganz entfallen zugunsten einer normalen Nockenkontur.
In der Darstellung ist der zweite Nullhubbereich 9a mit einem Rollenelement 10a eines Kraftübertragungselementes 10, einem Rollenschlepphebel, in Wirkverbindung. Das Kraftübertragungselement 10 stützt sich einerseits auf einem Spielausgleichselement 14, einem hydraulischem Ventilspielausgleichselement, ab, das ortsfest im Zylinderkopf 3 angeordnet ist und andererseits an einem Ventilschaftende eines Gaswechselventils 2, das von einer Ventilfeder 11 in Schließstellung gehalten wird. Weiter ist an der Welle 5 ein ortsfestes Abstützelement 13, an dem ein Federelement 12, eine Schenkelfeder, einerseits abgestützt ist, während es andererseits am Zylinderkopf 3 lagefixiert ist.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine schwenkt der Schwenkmotor 4 bei hoher angeforderter Last, bzw. Drehzahl in Richtung Vollhubbereich 7c und bei niedriger angeforderter Last, bzw. Drehzahl in Richtung Teilhubbereiche 9c. Bei der periodischen Schwenkbewegung in die eine oder andere Richtung wird entsprechend der Steuerbahnen 7 bzw. 9 das Gaswechselventil 2 geöffnet. Die Schwenkbewegung des Schwenkmotors 4 wird hierbei beim Öffnen vom Federelement 12 unterstützt und die im Federelement 12 gespeicherte Energie wird bei dem Öffnungsvorgang an die Ventilfeder 11 abgegeben. Beim Schließvorgang, beim Schwenken in Rich tung Nullhubbereich 7a, 9a, gibt die Ventilfeder 11 die in ihr gespeicherte Energie weitestgehend an das Federelement 12 ab. Durch dieses Feder-Masse-Feder-Schwingsystem ist der Energiebedarf des Schwenkmotors 4, insbesondere bei kleinem Ventilhub, sehr gering.
Der im Anschluss angeordnete Teilhubbereich 9c ist ein momentneutraler Nockenbereich, in dem ein stromloses Halten des Gaswechselventils 2 in der Offenstellung, bei maximalem Teilhub, besonders bei niedrigen Motordrehzahlen und hohen Lasten ermöglicht wird. Die Höhe h₂ des Teilhubbereiches 9c wird entsprechend brennkraftmaschinenabhängiger Parameter ausgelegt. Für die Einlassseite einer Brennkraftmaschine kann der Beschleunigungshubbereich 9b' des zweiten Betätigungselementes 8 vom Betrag her kleiner ausgeführt werden, als der Bereich des Verzögerungshubbereiches 9b". Auf diese Weise kann eine Variabilität der zweiten Steuerbahn 9 und damit eine bessere Gemischsteuerung der Brennkraftmaschine erreicht werden. Für die Auslassseite einer Brennkraftmaschine können der Beschleunigungshubbereich 9b' und der Verzögerungshubbereich 9b" den gleichen Arbeitsbetrag haben, um eine möglichst hohe Dynamik der Teilhubbewegung zu erreichen, und damit den Betriebsbereich des Teilhubbetriebes vom Leerlauf bis zu möglichst hohen Drehzahlen zu erweitern.
Durch die kleinen, variablen Hübe ist die Laststeuerung der Brennkraftmaschine einfacher und ermöglicht verbrauchsgünstigere Betriebspunkte im unteren Lastbereich. Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schwenkaktor-Vorrichtung 1 ist der geringere Strombedarf bei niedrigen Drehzahlen bei kleinen Ventilhüben gegenüber vollen Ventilhüben zu erwähnen. Durch den kleinen Luftspalt bei geringem Ventilhub des Einlassventils lassen sich Überschalleinlassströmungsgeschwindigkeiten erreichen, welche die Gemischaufbereitung verbessern und somit die Emissionen der Brennkraftmaschine reduzieren. Eine weitere Verbesserung ergibt sich beim zweimaligen Öffnen des Einlassventils, ein erstes Mal zum Ansaugen der Verbrennungsluft und ein zweites Mal zum Verwirbeln der Verbrennungsluft mit Kraftstoff. Dies führt zu einer wesentlich verbesserten Vermischung von Luft und Treibstoff und somit zu einer gleichmäßigeren Verbrennung. Auf der Auslassseite der Brennkraftmaschine kann die Öffnungsgeschwindigkeit der Ventilbewegung auf Wunsch reduziert werden und damit der Vorlassausstoß in der Abgasanlage ver mindert werden. Somit kann die akustische Anregung der Abgasanlage reduziert und der Gesamtgeräuschpegel der Brennkraftmaschine ebenfalls reduziert werden.

1: Schwenkaktor-Vorrichtung
2: Gaswechselventil
3: Zylinderkopf
4: Schwenkmotor
5: Welle
5a: Drehachse
6: Betätigungselement
7: Steuerbahn
7a: Nullhubbereich
7b: Hubbereich
7c: Vollhubbereich
8: Zweites Betätigungselement
9a: Zweiter Nullhubbereich
9b: Zweiter Hubbereich
9b': Beschleunigungshubbereich
9b": Verzögerungshubbereich
9c: Teilhubbereich
10: Kraftübertragungselement
10a: Rollenelement
11: Ventilfeder
12: Federelement
13: Abstützelement
14: Spielausgleichselement

Claims

Schwenkaktor-Vorrichtung (1) zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils (2) in einem Zylinderkopf (3) einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Schwenkmotor (4) mit einer Welle (5), an die ein Betätigungselement (6) mit einer Steuerbahn (7) zum Öffnen des Gaswechselventils (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an das erste Betätigungselement (6) ein zweites Betätigungselement (8) mit einer zweiten Steuerbahn (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei die Steuerbahn (7) in einen Nullhubbereich (7a) und einen Hubbereich (7b) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuerbahn (9) in zumindest einen zweiten Nullhubbereich (9a) und einen zweiten Hubbereich (9b) unterteilt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Nullhubbereich (9a) an den Nullhubbereich (7a) der Steuerbahn (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbahn (7) einen Vollhubbereich (7c) und/oder die zweite Steuerbahn (9) einen Teilhubbereich (9c) aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollhubbereich (7c) an den ersten Hubbereich (7b) und der Teilhubbereich (9c) an den zweiten Hubbereich (9b) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hubhöhe (h₂) des Teilhubbereichs (9c) kleiner als eine Hubhöhe (h₁) des Vollhubbereichs (7c) ist.
Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubhöhe (h₁) des Vollhubbereichs (7c) die maximale Hubhöhe des Gaswechselventils (2) ist.
Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hubbereich (9b) ausgehend von dem zweiten Nullhubbereich (9a) in einen Beschleunigungshubbereich (9b') und daran anschließend in einen Verzögerungshubbereich (9b") unterteilt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 8, wobei die Welle (5) um eine Drehachse (5a) schwenkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der Steuerbahn (9) im Beschleunigungshubbereich (9b') zur Drehachse (5a) über einen Verdrehwinkel in Richtung Teilhubbereich (9c) degressiv zunimmt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der Steuerbahn (9) im Verzögerungshubbereich (9b") zur Drehachse (5a) über einen Verdrehwinkel in Richtung Teilhubbereich (9c) progressiv zunimmt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (6) und das zweite Betätigungselement (8) radial oder axial an der Welle (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Betätigungselement (6, 8) und dem Gaswechselventil (2) ein Kraftübertragungselement (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (10) ein Schlepphebel oder ein Rollenschlepphebel oder ein Kipphebel ist.
Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei die Brennkraftmaschine Einlass-Gaswechselventile und Auslass-Gaswechselventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkaktor-Vorrichtung (1) an Einlass-Gaswechselventilen und/oder Auslass-Gaswechselventilen anordenbar ist.