DE10312961C5 - Vorrichtung zur variablen Betätigung der Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Vorrichtung zur variablen Betätigung der Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur variablen Betätigung von Gaswechselventilen für Verbrennungsmotoren,
a) bei welcher sich ein oder mehrere Nocken (2) einer in einem Gehäuse gelagerten Nockenwelle (1), abhängig von der Motordrehzahl drehen,
b) der Nocken (2) zunächst ein Zwischenglied (4) mit einteiligem Grundkörper antreibt,
c) wobei das Zwischenglied (4) durch den Berührkontakt mit dem Nocken (2) eine oszillierende, reine Drehbewegung um eine Drehachse (7) ausführt,
d) wobei die Drehachse (7) des Zwischengliedes (4) im Gehäuse parallel zu sich selbst entlang einer kreisbogenförmigen Verstellkurve (8) verschiebbar ist,
e) wobei das Zwischenglied (4) eine Steuerkurve (5) mit einem Rastbereich (5a) und einem Hubbereich (5b) aufweist,
f) und wobei das Zwischenglied (4) über diese Steuerkurve (5) ein Abtriebsglied (11) betätigt, das seinerseits mindestens ein Gaswechselventil betätigt,
dadurch gekennzeichnet, dass
g) das Zwischenglied (4) auf einem Bolzen (6) drehbar gelagert ist,
h) der eine Achse aufweist, die der...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Variablen Betätigung der Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige Vorrichtungen dienen dazu, die Steuerung von Gaswechselventilen so zu gestalten, dass es möglich wird, Hubkolbenmotoren ohne die sonst üblichen Gemischaufbereitungsmittel, wie Vergaser oder Einspritzeinrichtungen, zu betreiben.
  • Stand der Technik
  • Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 23 186 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung treibt ein umlaufender Nocken zunächst ein Zwischenglied an, welches eine oszillierende, reine Drehbewegung ausführt und eine Steuerkurve trägt, die aus einem Rastbereich und einem Hubbereich zusammengesetzt ist. Die Steuerkurve überträgt die zur Betätigung des Ventils notwendige Hubkurve auf die Rolle eines schlepphebelartigen Abtriebsgliedes, welches seinerseits das Ventil betätigt. Die gewünschten, unterschiedlichen Ventilhubkurven werden dadurch erzeugt, dass das Drehzentrum des Zwischengliedes auf einer kreisbogenförmigen Bahn verschoben wird, die zur Rolle des Abtriebsgliedes in deren Lage bei geschlossenem Ventil konzentrisch ist. Das Drehzentrum wird durch eine am Zwischenglied vorgesehene Rolle gebildet, die sich auf eine kreisbogenförmige Laufbahn im Gehäuse kraftschlüssig abstützt, die ebenfalls zur Rolle des Abtriebsgliedes konzentrisch liegt, also eine Äquidistante zur Bahn des Drehzentrums bildet und die als Kulisse bezeichnet wird. Zusätzlich stützt sich die am Zwischenglied angebrachte Rolle an einer Kurvenscheibe ab, deren Winkelstellung die Lage des Drehzentrums auf seiner kreisbogenförmigen Bahn festlegt.
  • Es sind weitere Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art bekannt geworden, bei welchen der Drehmittelpunkt der vom Nocken angetriebenen Zwischenglieder auf einer Kreisbahn verstellt werden soll ( DE 195 32 334 A1 ; EP 0717 174 A1 ). Die Vorveröffentlichungen enthalten jedoch keine Lehre zur konstruktiven Realisierung einer derartigen Verstellung.
  • Allen bekannten Vorrichtungen ist der Nachteil gemeinsam, dass für die Verstellung des Drehmittelpunktes der vom Nocken angetriebenen Zwischenglieder eine separate Verstellvorrichtung erforderlich ist. Diese Verstellvorrichtung wird nach dem Stand der Technik beispielsweise durch eine Verstellnockenwelle, welche im Gehäuse gelagert ist, ausgeführt.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, welche unter Einsparung einer separaten Verstellvorrichtung einfach und mit wenigen Bautei len aufgebaut ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 20 beschrieben. Vorzugsweise wird der Bolzen, auf dem die Zwischenglieder gelagert sind, gleichzeitig als Verstellwelle ausgebildet. Zu diesem Zweck wird er mit Kurvenscheiben versehen und frei drehbar oder in Pendelstützen, in einem Gelenkviereck oder in einem Schieber gelagert. Die Kurvenscheiben sind drehfest auf dem Bolzen befestigt. Die Kurvenscheiben stützen sich direkt oder indirekt im Gehäuse ab. Bei direkter Abstützung können im Gehäuse Gleitstücke für die Kurvenscheiben aus einem Material erhöhter Festigkeit vorgesehen werden. Durch Verdrehung der Verstellwelle mit einem geeigneten Verstellmittel, beispielsweise einem Verstellmotor, wird die gewünschte Ventilhubkurve eingestellt. Da das Verstellmittel, beispielsweise ein Verstellmotor, in der Regel gehäusefest angeordnet sein wird, der Bolzen, bzw. die Steuerwelle sich aber bei der Verstellbewegung parallel zu sich selbst verlagert, muss zwischen beiden ein Verbindungselement angeordnet werden, welches diese Verlagerung zulässt. Dieses kann je nach Bauraumbedingungen eine Gelenkwelle, eine Schmidt-Kupplung, eine Oldham-Kupplung oder auch ein Zahnrad- oder Kettengetriebe sein. Bei hydraulischer Betätigung bietet sich auch ein Hebelmechanismus an.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einschließlich eines Verstellmotors bzw. einer Verstellvorrichtung für alle Ein- oder Auslassventile eines Zylinderkopfes vorgesehen werden. Werden die Ein- und Auslassventile eines Zylinderkopfes von einer gemeinsamen Nockenwelle betätigt, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einschließlich eines Verstellmotors bzw. einer Verstellvorrichtung für alle Ein- und Auslassventile eines Zylinderkopfes vorgesehen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einschließlich eines Verstellmotors bzw. einer Verstellvorrichtung für jedes Ventil eines Motors separat vorgesehen werden, sodass beliebige Kombinationen von Ventilhüben bzw. Öffnungswinkeln der einzelnen Ventile eines Motors möglich sind, einschließlich der Abschaltung einzelner Zylinder. In der Regel wird man aber eine gemeinsame Verstellung mehrerer Ventile vorsehen. Dies gilt insbesondere bei mehrventiligen Motoren für die Ein- und Auslassventile eines Zylinders. Beispielsweise können zwei Einlassventile von einem Nocken über ein Zwischenglied betätigt werden, welches für jedes Ventil eine Steuerkurve aufweist. Da nur ein Zwischenglied und nur ein Bolzen vorhanden ist, werden beide Ventile gemeinsam und gleichartig verstellt. Erfindungsgemäß können an dem gemeinsamen Zwischenglied aber auch zwei unterschiedliche Steuerkurven vorgesehen werden mit dem Ergebnis unterschiedlicher Hubkurven an beiden Ventilen trotz gemeinsamer Verstellung. Diese Variante eröffnet insbesondere im untersten Lastbereich die Möglichkeit der Öffnung nur noch eines der beiden Ventile. Der besondere Vorteil dieser Möglichkeit liegt darin, dass im untersten Lastbereich sehr kleine Querschnitte freigegeben werden müssen und sich diese genauer einhalten lassen, wenn sie nur durch ein Ventil freigegeben werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, durch die Öffnung nur eines der Einlassventile einen Drall der Zylinderladung zu erzeugen. Die Möglichkeiten der Erzeugung unterschiedlicher Ventilhubkurven für zwei Ein- oder auch Auslassventile eines Zylinders werden erfindungsgemäß dadurch erweitert, dass zwei unterschiedliche Nocken und zwei Zwischenglieder mit unterschiedlichen Steuerkurven verwendet werden. Dennoch können beide Ventile gemeinsam verstellt werden, da die beiden Zwischenglieder auf einem gemeinsamen Bolzen gelagert sein können.
  • Es ist weiter möglich, die Zwischenglieder einer größeren Zahl parallel liegender Ventile gemeinsam durch einen Verstellmotor bzw. Mechanismus zu verstellen, insbesondere dann, wenn diese auf einen gemeinsamen Bolzen gelagert sind.
  • Da es für die Akzeptanz einer variablen Ventilsteuerung, also auch der erfindungsgemäßen Vorrichtung von großer Bedeutung ist, die Verstellleistung gering zu halten und weil diese im belasteten Zustand der Vorrichtung bzw. deren Gleitfugen und Gelenke höher ist als im kraftfreien Zustand, der bei geschlossenem Ventil weitgehend vorliegt, ist erfindungsgemäß eine Verstellung im Wesentlichen während der gemeinsamen Ruhephasen aller gemeinsam zu verstellender Ventile vorgesehen. Diese werden vom Signal der Kurbelwelle und der Nockenwelle abgeleitet und werden immer kürzer, je mehr Ventile gemeinsam verstellt werden. Deren Zahl ist also begrenzt.
  • Die gemeinsame Verstellung der Ein- bzw. Auslassventile jeweils nur eines Zylinders ergeben lange, verstellfreundliche Ruhephasen. Sie ermöglicht aber auch eine individuelle Laststeuerung der einzelnen Zylinder mit einer erfindungsgemäßen Verstellstrategie derart, dass für jeden Lastzustand des Gesamtmotors die Drehmomente der einzelnen Zylinder geregelt werden. Dies ist insbesondere im unteren Lastbereich für einen ruhigen Motorlauf wesentlich, da toleranzbedingt die Ventilhübe normalerweise nicht genügend übereinstimmen. Die für diese Verstellstrategie erforderlichen Signale werden ebenfalls vom Drehwinkelgeber der Kurbelwelle geliefert und vom Drehwinkelgeber der Nockenwelle den einzelnen Zylindern zugeordnet.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Vorteil erzielt, mit einfachen Bauelementen eine sichere Verstelleinrichtung für Gaswechselventile zu schaffen. Darüber hinaus vorteilhaft wird eine feinfühlige Verstellung erreicht.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigt
  • 1 die in den Kraftfluss von der Nockenwelle zum Ventil eingeschalteten, beweglichen Teile der gattungsbildenden Vorrichtung
  • 2 einen Querschnitt unter Verwendung der in 1 dargestellten Teile mit Pendelstütze und Verstellwelle
  • 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Pendelstütze und dem Bolzen als Verstellwelle
  • 4 schematisch das Zusammenwirken von Motormanagement, Gaspedal, Drehwinkelgeber, Verstellmotoren und Batterie.
  • 1 zeigt eine Nockenwelle 1, die einen Nocken 2 trägt. Dieser bewegt die Rolle 3 im Endbereich des Zwischengliedes 4. Das Zwischenglied 4 weist eine Steuerkurve 5 auf, die aus einem Rastbereich 5a und einem Hubbereich 5b zusammengesetzt ist. Das Zwischenglied 4 ist auf einem Bolzen 6 gelagert, dessen Achse 7 auf einer kreisbogenförmigen Verstellkurve 8 geführt ist. Der Mittelpunkt der kreisbogenförmigen Verstellkurve 8 liegt auf der Achse 9 der Rolle 10 des Abtriebsgliedes 11, welches sich über ein Gelenk 12 im nicht dargestellten Gehäuse abstützt und das Ventil 13 betätigt. Es ist klar ersichtlich, dass eine Verstellung der Achse 7 auf der Verstellkurve 8 in Richtung des Pfeils 14 eine Verringerung von Öffnungswinkel und Hub des Ventils 13 zur Folge hat.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Bolzen 6 bzw. dessen Achse 7 durch eine Pendelstütze 15 formschlüssig auf der kreisbogenförmigen Verstellkurve 8 geführt ist. Das zylinderkopfseitige Gelenk 16 der Pendelstütze 15 bzw. dessen Achse fällt mit der Achse 9 der Rolle 10 des Abtriebsgliedes 11 zusammen. Die Verstellwelle 17 trägt Kurvenscheiben 18, die über Stößel 18a die Lage des Bolzens 6 bzw. seiner Achse 7 auf der Verstellkurve 8 festlegen. Eine Verstellung der Achse 7 auf der Verstellkurve 8, wie durch den Richtungspfeil 14 dargestellt, wird durch eine Verdrehung der Kurvenscheibe 18 bzw. der Verstellwelle 17 entsprechend dem Richtungspfeil 14a hervorgerufen. Die beschriebene Verstellbewegung hat eine Verringerung von Hub und Öffnungswinkel des Ventils 13 zur Folge.
  • 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Pendelstütze 15 für Einlassventil 19 und Auslassventil 20 eines Zylinders, herausgegriffen aus einer Reihe von Zylindern bzw. Ventilen. Gut zu erkennen ist das zylinderkopfseitige Gelenk 16 der Pendelstütze 15, dessen Achse mit der Achse 9 der Rollen 10 der Abtriebsglieder 11 zusammenfällt, sodass der Bolzen 6 auf einer kreisbogenförmigen Verstellkurve zwangsgeführt ist. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 2 übernimmt hier der Bolzen 6 erfindungsgemäß gleichzeitig die Funktion der Verstellwelle. Er trägt die Kurvenscheiben 18, die sich auf im Gehäuse angebrachte, gehärtete Gleitstücke 21 abstützen und ist in der Pendelstütze drehbar. Über ein geeignetes Verbindungselement ist der Bolzen 6 mit dem gehäusefesten Verstellmotor 23 verbunden. Im vorliegenden Beispiel dient eine Gelenkwelle 22 als Verbindungselement. Diese Ausführungsform bietet erhebliche Vorteile bezüglich Teilevielfalt, aber auch Bauraum im Bereich der eigentlichen Ventilsteuerung. Da außer Gelenkwellen auch andere Verbindungselemente, wie Schmitt-Kupplungen, Oldham-Kupplungen, Zahn- und Kettgetriebe, in Frage kommen, ist eine gewisse Flexibilität für die Unterbringung des Verstellmotors 23 gegeben.
  • 4 zeigt schematisch das Zusammenwirken von Fahrpedal 40, Verstellmotoren 23, Drehwinkelsensor 42 am Schwungrad und Drehwinkelsensor 43 an der Nockenwelle mit dem Motormanagement 44. Ein vom Fahrpedal 40 bzw. einem Sensor für dessen Stellung ausgehendes Signal wird vom Motormanagement 44 in ein Signal an die Verstellmotoren 23 zur Erhöhung oder Erniedrigung der Ventilhübe gewandelt. Nach Erreichen des gewünschten Lastzustandes für den Gesamtmotor wertet das Motormanagement 44 die Signale des hochauflösenden Drehwinkelsensors 42 am Schwungrad aus. Diese werden mit Hilfe des niedrig auflösenden Drehwinkelsensors 43 an der Nockenwelle oder an einer anderen, mit halber Kurbelwellendrehzahl laufenden Welle, den einzelnen Zylindern zugeordnet. Mit diesen Informationen gehen Signale an die einzelnen Verstellmotoren 23 zur Nivellierung der Drehmomentspitzen oder der Kurbelwellendrehzahl, in dem die Ventilhübe der Zylinder mit kleineren Drehmomenten nach oben korrigiert werden und diejenigen der Zylinder mit größeren Drehmomenten nach unten. Erfindungsgemäß findet eine Verstellung, ob mit oder ohne Ausgleich, während der gemeinsamen Ruhephasen der von einem Verstellmotor bedienten Ventile statt. Deren Phasenlage entnimmt das Motormanagement 44 dem Sensor 43 an der Nockenwelle nebenbei.
    • 1
    Nockenwelle
    2
    Nocken
    3
    Rolle
    4
    Zwischenglied
    5
    Steuerkurve
    5a
    Rastbereich
    5b
    Hubbereich
    6
    Bolzen
    7
    Achse
    8
    Verstellkurve
    9
    Achse
    10
    Rolle
    11
    Abtriebsglied
    12
    Gelenk
    13
    Ventil
    14
    Pfeil
    14a
    Richtungspfeil
    15
    Pendelstütze
    16
    Gelenk
    17
    Verstellwelle
    18
    Kurvenscheibe
    18a
    Stößel
    19
    Einlassventil
    20
    Auslassventil
    21
    Gleitstück
    22
    Gelenkwelle
    23
    Verstellmotor
    40
    Fahrpedal
    42
    Drehwinkelsensor
    43
    Drehwinkelsensor
    44
    Motormanagement

Claims (20)

  1. Vorrichtung zur variablen Betätigung von Gaswechselventilen für Verbrennungsmotoren, a) bei welcher sich ein oder mehrere Nocken (2) einer in einem Gehäuse gelagerten Nockenwelle (1), abhängig von der Motordrehzahl drehen, b) der Nocken (2) zunächst ein Zwischenglied (4) mit einteiligem Grundkörper antreibt, c) wobei das Zwischenglied (4) durch den Berührkontakt mit dem Nocken (2) eine oszillierende, reine Drehbewegung um eine Drehachse (7) ausführt, d) wobei die Drehachse (7) des Zwischengliedes (4) im Gehäuse parallel zu sich selbst entlang einer kreisbogenförmigen Verstellkurve (8) verschiebbar ist, e) wobei das Zwischenglied (4) eine Steuerkurve (5) mit einem Rastbereich (5a) und einem Hubbereich (5b) aufweist, f) und wobei das Zwischenglied (4) über diese Steuerkurve (5) ein Abtriebsglied (11) betätigt, das seinerseits mindestens ein Gaswechselventil betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass g) das Zwischenglied (4) auf einem Bolzen (6) drehbar gelagert ist, h) der eine Achse aufweist, die der Drehachse (7) entspricht, i) der Bolzen (6) auf der Verstellkurve (8) durch eine Pendelstütze (15) zwangsgeführt und parallel verschiebbar angebracht ist, j) wobei die Parallelverschiebung mittels im Gehäuse drehbar gelagerten Kurvenscheiben (18) und Stößeln (18a) k) oder mittels auf dem Bolzen (6) angeordneten Kurvenscheiben und gehäusefesten Gleitstücken erfolgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenscheiben (18) auf einer Verstellwelle (17) drehbar im Gehäuse gelagert sind und die durch die Kurvenscheiben (18) erzeugte Verstellbewegung über einen Stößel (18a) auf den Bolzen (6) übertragen wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (6) in seinen Führungen drehbeweglich gelagert ist und eine oder mehrere Kurvenscheiben (18) trägt, die sich mit ihren Kurven direkt oder indirekt am Gehäuse abstützen und der Bolzen über ein geeignetes Verbindungselement von einem Verstellmittel verdreht werden kann.
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenscheiben (18) den Bolzen (6) in bezüglich der Verstellkurve (8) im Wesentlichen in tangentialer Richtung abstützen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse Gleitstücke (21) aus einem Material erhöhter Härte angeordnet sind, gegen die sich die Kurvenscheiben (18) abstützen.
  6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulisches Spielausgleichselement am Abtriebsglied vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung separat für jedes Motorventil angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung separat für alle Ein- oder Auslassventile eines Zylinderkopfes angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung separat für alle Ventile eines Zylinderkopfes angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung separat jeweils für zwei benachbarte, parallele Ventile eines Zylinders angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Ein- oder/und Auslassventile eines Zylinders gemeinsam betätigt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Zwischenglied zwei gleiche Steuerkurven für die beiden Ventile aufweist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Zwischenglied zwei verschiedene Steuerkurven für die beiden Ventile aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei verschiedene Nocken (2) und zwei Zwischenglieder (4) mit unterschiedlichen Steuerkurven für die beiden Ventile vorgesehen sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei verschiedene Nocken (2) und zwei Zwischenglieder (4) mit gleichen Steuerkurven für die beiden Ventile vorgesehen sind.
  16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellung des Ventilhubs bis zum ständigen Geschlossenhalten mindestens eines Ventils möglich ist.
  17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hydraulikeinheit dem Bolzen (6) direkt oder indirekt die jeweils verlangte Winkellage vorgibt.
  18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Verstellmotor (23), welcher über ein Getriebe dem Bolzen (6) direkt oder indirekt die jeweils verlangte Winkellage vorgibt, vorgesehen ist.
  19. Vorrichtung nach verschiedenen der Ansprüche 1 bis 7 sowie 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellstrategie derart vorgesehen ist, dass, abgeleitet von einem Signal des Drehwinkelgebers (42) der Kurbelwelle bzw. dessen Auswertung, die Ventilhübe der einzelnen Zylinder laufend nachreguliert werden.
  20. Vorrichtung nach verschiedenen der Ansprüche 1 bis 7 sowie 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellstrategie derart vorgesehen ist, dass die Verstellbewegungen im Wesentlichen während der gemeinsamen Ruhephasen aller von einem Verstellmotor (23) gemeinsam bedienter Ventile stattfinden.
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