DE19804942A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Bekannte Viertakt-Brennkraftmaschinen weisen einen Ventiltrieb zur Steuerung des Gaswechsels, bestehend aus Ein- und Auslaßventilen, aus diese schließende Ventilfedern, aus Nockentrieb und Übertragungsglie­ dern, auf. Eine oder mehrere, üblicherweise über Kette oder Riemen von der Kurbelwelle angetriebene, Nockenwellen weisen bei herkömmlichen Viertakt-Brenn­ kraftmaschinen konstante Einlaß- und Auslaßventiler­ hebungskurven zur Steuerung des Gaswechsels auf. Der Ventilöffnungs- und -schließzeitpunkt, die Ventilöff­ nungsdauer und der Ventilhub sind bei jedem Arbeits­ takt des jeweiligen Zylinders periodisch konstant. Diese Ventilsteuerungsparameter sind durch die kon­ struktiv festgelegte Nockenkontur und -höhe vorgege­ ben und stellen einen Kompromiß dar zwischen optima­ lem Gasdurchsatz bei vollem Leistungsbedarf und mög­ lichst geringen Verlusten, das heißt einem guten Mo­ torwirkungsgrad, im Teillastbetrieb der Brennkraftma­ schine sowie einer möglichst geringen Schadstoffemis­ sion. Eine solche Kompromißauslegung kann jedoch nachteilig sein, will man gleichermaßen eine gute Höchstleistung und einen guten Wirkungsgrad im Teil­ lastbereich erzielen. Eine hohe Motorleistung bei hö­ heren Drehzahlen erfordert sowohl eine lange Ventil­ öffnungszeit als auch einen großen Ventilhub, um bei jedem Ansaugtakt eine möglichst große Menge an Frischgas in den Brennraum strömen zu lassen. Als nachteilig bei einer solchen Auslegung der Ventil­ steuerung haben sich die Drosselverluste bei niederen Motordrehzahlen und im Teillastbereich herausge­ stellt, da für einen derartigen Betrieb der Brenn­ kraftmaschine die Öffnungszeiten und der Ventilhub, besonders des Einlaßventils, zu lang beziehungsweise zu groß für die benötigte Ansaugluftmenge sind. Um dennoch eine korrekte Füllung des Brennraumes ein­ stellen zu können, wird der Saugrohrquerschnitt mit einer Drosselklappe reduziert, wodurch allerdings Drosselverluste beim Gaswechsel entstehen. Auch sind dann die Ventilüberschneidungen, das heißt ein Öffnen des Auslaßventils, bevor das Einlaßventil vollständig geschlossen ist, länger, wodurch Spülverluste entste­ hen und in manchen Betriebspunkten ein zu hoher Rest­ gasanteil im Zylinder verbleibt.

Es sind verschiedene Systeme bekannt, welche die Ven­ tilerhebungskurven verändern können oder die eine Phasenverschiebung von der Einlaß- zur Auslaßerhe­ bungskurve ermöglichen. Damit soll das Drehmoment der Brennkraftmaschine an der Vollastkurve sowie der Restgasgehalt positiv beeinflußt werden. Als Variati­ onsparameter der Beeinflussung der Ventilerhebungs­ kurven bieten sich grundsätzlich der Ventilhub, der Ventilöffnungszeitpunkt und die Ventilöffnungsdauer an. Bekannt, insbesondere zur Verringerung der Dros­ selverluste, sind die Beeinflussung des Schließzeit­ punktes des Einlaßventils.

Bekannt ist beispielsweise ein variabler Hub des Ein­ laßventils, kombiniert mit einer stufenlosen Phasen­ verschiebung der Einlaßöffnungsdauer. Hierzu kann ei­ ne zusätzliche Exzenterwelle vorgesehen sein, die beispielsweise mittels eines Elektromotors verstellt wird.

Bekannt ist weiterhin ein System zur Variation des Ventilhubes, fest gekoppelt mit der Öffnungszeit. Hier findet eine zusätzliche zweite Einlaßnockenwelle Verwendung, die mit der gleichen Drehzahl läuft wie die bereits vorhandene erste Nockenwelle. Ein spezi­ elles Getriebe ermöglicht über einen Elektromotor ei­ ne Verdrehung der beiden Nockenwellen zueinander. Be­ kannt ist auch ein System zur Variation des Ventilhu­ bes und der Ventilsteuerzeiten, welches über eine in Axialrichtung der Nockenwelle veränderliche Nocken­ kontur realisiert wird. Jeder einzelne, ein einzelnes Ein- oder Auslaßventil steuernder Nocken weist hier­ bei in Axialrichtung der Nockenwelle eine veränderli­ che Nockenkontur auf. Durch eine axiale Verstellung der Nockenwelle im Betrieb der Brennkraftmaschine können somit Ventilhub- und -steuerzeiten variiert werden. Nachteilig bei derartig konstruktiv relativ aufwendigen Lösungen sind die kostenintensiven Modi­ fikationen am Zylinderkopf, die durch die zusätzli­ chen Bauteile entstehen.

Daneben sind Systeme bekannt, die mittels eines zu­ sätzlichen Ventils unmittelbar vor dem Einlaßventil die Drosselverluste reduzieren sollen. Es ist bei­ spielsweise ein in das Saugrohr integrierter Dreh­ schieber vorgeschlagen. Die Luft durchströmt dabei eine hohle Walze und gelangt durch Schlitze in den Einlaßkanal. Die Walze wird über einen Riemen von der Einlaßnockenwelle angetrieben und kann somit durch zusätzliche verstellbare Spannelemente in der Phasen­ zuordnung verändert werden. Als Ergebnis erhält man ebenfalls eine Reduzierung der Drosselverluste. Vor­ teilhaft ist, daß die Zylinderkopfkonstruktion nicht geändert werden muß, und das kleine Volumen des An­ saugkanals noch etwas Unterdruck aufweist, der für eine gute Gemischaufbereitung der eingespritzten Kraftstoffmenge sorgt. Nachteilig ist jedoch die nun eingeschränkte Variabilität dieses Systems.

Bekannt ist weiterhin eine elektromotorische Ansteue­ rung der Ein- und Auslaßventile einer Brennkraftma­ schine. Hierbei werden die Ventile nicht über eine oder mehrere mechanisch von der Kurbelwelle angetrie­ bene Nockenwellen, sondern über jeweils jedem Ventil zugeordnete eigene Elektromotoren betätigt. Jeder dieser Elektromotoren besitzt auf seiner Motorwelle jeweils eine eigene Nockenwelle, die die Ventile in bekannter Weise steuert. In dieser einfacheren Aus­ führung ist somit der Ventilhub nicht variabel. Je­ doch können die Ventilsteuerzeiten je nach Bedarf in weiten Bereichen variiert werden, indem der Elektro­ motor so gesteuert wird, daß sowohl die Motordrehzahl wie auch verschiedene Betriebsparameter der Brenn­ kraftmaschine berücksichtigt werden. Nachteilig bei diesem System ist jedoch der erhebliche zusätzliche Bauaufwand durch mehrere im Zylinderkopf zu integrie­ rende Elektromotoren, die aufgrund der hohen entste­ henden Kräfte nicht zu schwach dimensioniert sein dürfen. Weiterhin ist eine relativ aufwendige Senso­ rik notwendig, die gegen Störungen unempfindlich sein muß, da eine fehlerhafte Ansteuerung eines Ventils zu Berührungen des Ventiltellers mit dem Kolbenboden und damit zu schweren Motorschäden führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenn­ kraftmaschine zu schaffen, bei der eine Reduzierung von Drosselverlusten durch entsprechend angepaßte Ventilsteuerzeiten möglichst einfach in vorhandene Konstruktionen integrierbar sein soll.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vor­ teil, daß auf einfache Weise sowohl die Ventilöff­ nungs- und Schließzeitpunkte und damit auch die Ven­ tilöffnungsdauern als auch die Geschwindigkeit der Öffnung und Schließung jedes einzelnen Ein- und Auslaßventils der Brennkraftmaschine unabhängig vonein­ ander beeinflußt und gesteuert werden kann. Durch ei­ ne Wirkverbindung der wenigstens einen über ein Zug­ mittel, beispielsweise einen Zahnriemen, von der Kur­ belwelle angetriebenen Nockenwelle zur Ventilsteue­ rung mit einer im generatorischen wie auch im elek­ tromotorischen Modus betreibbaren elektrischen Ma­ schine läßt sich die relative Verdrehung der bei Viertakt-Brennkraftmaschinen normalerweise mit halber Kurbelwellendrehzahl umlaufenden Nockenwelle zur Kur­ belwelle variieren und damit die Ventilöffnungspara­ meter effektiv beeinflussen. Es können auf diese Weise beliebig viele Ventilöffnungskurven für Ein- und Auslaßventile realisiert werden. Von Vorteil ist weiterhin, wenn bei einer mit mehreren Nockenwellen ausgerüsteten Brennkraftmaschine diese jeweils mit einer eigenen elektrischen Maschine in Wirkverbindung stehen, um die unabhängige Beeinflussung der Drehbe­ wegung der einzelnen Nockenwellen sicherzustellen. Ebenso möglich ist jedoch bei einem Antrieb von bei­ spielsweise zwei Nockenwellen über ein gemeinsames Zugmittel, nur eine elektrische Maschine vorzusehen, die über das gemeinsame Zugmittel beide Nockenwellen gleichermaßen beeinflussen kann.

Von Vorteil ist weiterhin, wenn die Steuerung der elektrischen Maschine in eine bereits vorhandene, kennfeldabhängige elektronische Motorsteuerung (Motronic) erfolgt. Hierzu ist es zweckmäßig, einen Drehzahlsensor direkt an der elektrischen Maschine oder an der mit dieser in Wirkverbindung stehenden Nockenwelle vorzusehen, der eine Echtzeit-Signalver­ arbeitung in der Motorsteuerungselektronik ermög­ licht. Die Steuerung der elektrischen Maschine kann vorteilhaft auch in Digitaltechnik, beispielsweise mit einer PID-Charakteristik, realisiert sein, da auf diese Weise ein im Steuergerät der Brennkraftmaschine vorhandener Microcontroller die gesamte Steuerungs­ funktion übernehmen kann. So erfordert die Ventilöff­ nungssteuerung für die Regelung keine zusätzlichen Bauteile des Steuergerätes der Brennkraftmaschine.

Von Vorteil ist weiterhin, wenn zusätzlich zur erfin­ dungsgemäßen dynamischen Steuerung der Ventilöff­ nungszeiten eine Steuerung des Ventilhubes mittels einer geeigneten Ventilhubsteuerung erfolgt. Hier­ durch werden die Möglichkeiten der Beeinflussung ei­ nes Verbrennungsablaufes der Brennkraftmaschine be­ trächtlich erweitert. Die Ventilhubsteuerung kann zu­ dem eine vollständige Schließung der Einlaßventile umfassen, wodurch die bisher erforderliche Drossel­ klappe zur Steuerung der Ansaugluftmenge völlig ent­ fallen kann, da diese Funktion durch die Einlaßven­ tile übernommen wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten, Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie­ len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines An­ triebes einer Nockenwelle über die Kur­ belwelle einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den stirnseitigen An­ trieb der Nockenwelle über ein Zugmittel von der Kurbelwelle;

Fig. 3a den Ventilhub über der Öffnungszeit eines Ein- oder Auslaßventils;

Fig. 3b eine verschobene Kurve mit vorverlagerter Ventilöffnungsdauer;

Fig. 3c eine verschobene Kurve mit verzögerter Ventilöffnungsdauer und

Fig. 3d Kurvenscharen der gesamten Möglich­ keiten der Ventilöffnungszeitverstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht den Antrieb einer Nockenwelle 8 über eine Kurbel­ welle 2 einer hier nicht dargestellten Brennkraftma­ schine. Die Kurbelwelle 2 weist ein stirnseitiges An­ triebsrad 4 auf, das über ein Zugmittel 6 ein mit der Nockenwelle 8 drehfest verbundenes Antriebsrad 10 an­ treibt. Diese sogenannte obenliegende, das heißt im Zylinderkopf in Höhe der Ventile angeordnete, Nocken­ welle 8 ist in der dargestellten Ausführungsform über mehrere Lager 30, vorzugsweise Gleitlager, im Zylin­ derkopf der Brennkraftmaschine gelagert. Die Nocken­ welle 8 weist mehrere Nocken 31, 32, 33 und 34 auf, die direkt oder über geeignete, an sich bekannte und hier nicht dargestellte, Anlenk- und/oder Hebelein­ richtungen Ein- und Auslaßventile 35, 36, 37 und 38 der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit eines Arbeits­ zyklus der Brennkraftmaschine steuern. Hier sind bei­ spielhaft nur vier Ventile dargestellt. Viertakt- Brennkraftmaschinen besitzen jedoch für jeden Zylin­ der wenigstens ein Einlaß- und ein Auslaßventil. Die Nocken 31, 32, 33 und 34 weisen jeweils eine unrunde, vorzugsweise halbelliptische, Kontur auf und sind hinsichtlich des Ventilhubs und der Ventilsteuerzei­ ten konstruktiv fest vorgegeben. Das Zugmittel 6 zur phasenrichtigen Wirkverbindung der Kurbelwelle 2 mit der Nockenwelle 8 kann eine Glieder- oder Bolzen­ kette, ein Keilriemen oder auch ein Zahnriemen sein. In der Fig. 1 ist weiterhin eine von zwei sich ge­ genüberliegenden Spannrollen 14 erkennbar, die sich über eine hier nicht dargestellte Feder am Motorge­ häuse 22 abstützt. Diese federunterstützte Spannrolle 14 sorgt für eine permanente Spannung des Zugmittels 6. Erkennbar ist weiterhin ein mit dem stirnseitigem Ende der Nockenwelle 8 drehfest verbun­ dene elektrische Maschine 12, deren Gehäuse 13 fest mit dem Motorgehäuse 22 verbunden ist. Diese elektri­ sche Maschine 12 kann entweder im Leerlauf, das heißt ohne weitere Beeinflussung der Drehbewegung der Nockenwelle 8 mitlaufen, läßt sich jedoch auch sowohl in einem elektromotorischen als auch in einem generato­ rischen Modus betreiben und erlaubt bei entsprechen­ der Ansteuerung ein Beschleunigen oder Abbremsen der Nockenwelle 8 bei jeder ihrer Umdrehungen, je nachdem ob die Ventilöffnungszeiten der Ein- oder Auslaßven­ tile verlängert, verkürzt oder verschoben werden sol­ len. In der dargestellten Ausführungsform ist nur eine Nockenwelle 8 der Brennkraftmaschine darge­ stellt. Ebenso möglich ist jedoch, an sich bekannte Mehrzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschinen, die für jede Zylinderreihe mehrere Nockenwellen aufweisen, an jeder Nockenwelle mit wenigstens einer derartigen elektrischen Maschine 12 zu versehen. So ist es bei­ spielsweise möglich, bei Brennkraftmaschinen mit in Reihe, in sogenannter V-Form oder in Boxer-Form ange­ ordneten Zylindern, die zur Ansteuerung der Einlaß- und der Auslaßventile jeder Zylinderreihe jeweils eine eigene Nockenwelle aufweisen, durch entspre­ chende Beeinflussung der Nockenwellenumdrehungen mit­ tels jeweils einer elektrischen Maschine 12, sehr weitgehende Variationen der Ventilöffnungszeiten so­ wohl der Einlaß- wie der Auslaßventile zu realisie­ ren.

Fig. 2 verdeutlicht in einer schematischen Drauf­ sicht auf den stirnseitigen Antrieb der Nockenwelle 8 von der Kurbelwelle 2 die Anordnung des Zugmittels 6. Gleiche Teile wie in der Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal erläu­ tert. Erkennbar ist das stirnseitig drehfest mit der hier nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraft­ maschine verbundene Antriebsrad 4, das drehfest mit der Stirnseite der hier ebenfalls nicht dargestellten Nockenwelle verbundene Antriebsrad 10 sowie das zur Übertragung der Drehbewegung erforderliche Zugmit­ tel 6, das eine Kette oder ein Riemen sein kann. Der wirksame Durchmesser des Antriebsrades 10 ist doppelt so groß bemessen wie der wirksame Durchmesser des An­ triebsrades 4, da bei einem Viertaktmotor die Ventile nur bei jedem zweiten Umlauf der Kurbelwelle betätigt werden und die wenigstens eine Nockenwelle dement­ sprechend mit halber Kurbelwellendrehzahl umlaufen muß. Erkennbar sind weiterhin zwei frei drehbare Spannrollen 14 und 16, die federnd über zwei Schrau­ benfedern 18 und 20 gegen das Motorgehäuse 22 abge­ stützt sind und das Zugmittel 6 so auf Spannung halten, daß das Nockenwellenrad 10 gegenüber dem Kur­ belwellenrad 4 geringfügig verdrehbar wird. Anstatt Schraubenfedern zur Abstützung der Spannrollen 14 und 16 sind ebenso auch andere Maßnahmen möglich, bei­ spielsweise Blattfedern, Gummielemente oder ähnliche Einrichtungen. Die Drehrichtung von Kurbel- und Nockenwelle ist durch den Pfeil 24 angedeutet. Zur exakten Einhaltung der korrekten Steuerzeiten der Ein- und Auslaßventile der Brennkraftmaschine ist die ausreichende Bemessung der Federkräfte der beiden Fe­ dern 18 und 20 wichtig. Da bei höheren Drehzahlen die Reibung und damit die Verlustleistung des gesamten Ventiltriebes zunimmt, würde eine zu weiche Auslegung der beiden Federn 18 und 20 eine zunehmende Eindrückung der die Spannrolle 14 gegen das Zugtrum 7 des Zugmittels 6 drückenden Feder 18 sowie eine nach­ lassende Eindrückung der die Spannrolle 16 gegen das Leertrum 9 des Zugmittels 6 drückenden Feder 20 eine Verschiebung der Ventilsteuerzeiten zur Folge haben. Die Federn 18 und 20 zur richtigen Spannung des Zug­ mittels 6 müssen somit mindestens eine solche Feder­ kraft aufweisen, daß bei leerlaufender elektrischen Maschine 12 das Zug- 7 wie das Leertrum 9 des Zugmit­ tels 6 gleich stark gespannt beziehungsweise einge­ drückt ist. Bei elektromotorischen Betrieb der elek­ trischen Maschine 12 kann die Nockenwelle 8 innerhalb einer Umdrehung kurzzeitig beschleunigt und damit in Umdrehungsrichtung, angedeutet durch den Pfeil 24, verdreht werden, wobei das Zugtrum 7 gegen die Spannrolle 14 und die Federkraft der Feder 18 ge­ spannt wird. Das Leertrum 9 wird gleichzeitig durch die Spannrolle 16 und die Federkraft der Feder 20 stärker eingedrückt. Bei generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine 12 und Aufbringen einer varia­ blen elektrischen Last kann die Nockenwelle 8 defi­ niert verzögert und damit gegen ihren Umlaufsinn verdreht werden, wobei das Leertrum 9 stärker ge­ spannt und das Zugtrum 7 weiter eingedrückt wird. Diese Vorgänge des Beschleunigens und Verzögerns wiederholen sich während einer Nockenwellenumdrehung mehrere Male, da bei einer Vierzylinder-Brennkraftma­ schine mit nur zwei Ventilen je Zylinder und einer obenliegenden Nockenwelle bereits acht Ein- und Aus­ laßventile auf die beschriebene Weise anzusteuern sind. Bei mehr Ventilen je Zylinder sind entsprechend mehr Steuerzyklen je Umdrehung der Nockenwelle notwendig.

Als elektrische Maschine 12 kann beispielsweise ein Gleichstrommotor mit mechanischer oder elektronischer Kommutierung verwendet werden. Da neben einer Be­ schleunigung der Nockenwelle 8 auch eine Verzögerung deren Drehbewegung möglich sein muß, zudem bei den hohen Drehzahlen bekannter Brennkraftmaschinen eine hohe Dynamik der Steuerung der elektrischen Ma­ schine 12 notwendig ist, wird diese vorzugsweise über einen sogenannten Vier-Quadranten-Steller, das heißt eine Endstufen-H-Brücke mit zugeordneter Ansteuer­ elektronik, angesteuert. Die Kennlinien der Venti­ löffnungskurven können beispielsweise einem in einer zentralen Motorsteuerung abgelegten Sollwertkennfeld entnommen werden, das aus verschiedenen Betriebspara­ metern, wie der Kurbelwellendrehzahl, der Last, der Temperatur, etc., der Brennkraftmaschine gewonnen werden kann. Für jede Brennkraftmaschine lassen sich derartige individuelle Sollwertkennfelder bestimmen und optimieren. Ein aktueller Wert der Umdrehungsge­ schwindigkeit der Nockenwelle 8 läßt sich durch ein geeignetes Winkelinkrementsystem, beispielsweise in Verbindung mit einem Induktiv- oder Hallgebersystem permanent in Echtzeit abgreifen.

Neben einer direkten Verbindung der Nockenwelle 8 mit der Welle der elektrischen Maschine 12 kann diese auch über eine Umlenkung und/oder ein Zwischengetrie­ be mit der Nockenwelle 8 wirkverbunden sein. Dadurch kann bei eingeschränkten Platzverhältnissen im Zylin­ derkopf der Brennkraftmaschine konstruktive Freiheit zur Positionierung der elektrischen Maschine gewonnen werden. Bei zwei Nockenwellen je Zylinderreihe, vor­ zugsweise zur Steuerung der Einlaß- und der Auslaß­ ventile mit jeweils einer eigenen Nockenwelle, können diese über ein gemeinsames Zugmittel von der Kurbel­ welle der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Hierbei ist es wahlweise möglich, die Variation der Ventilsteuerzeiten mit zwei gleichphasig angesteuer­ ten oder auch mit nur einer elektrischen Maschine vorzusehen, da über die Zugmittelverbindung beide Nockenwellen immer gleichphasig umlaufen. Bei einem Antrieb jeder Nockenwelle mit einem eigenen korre­ spondierenden Zugmittel ist dementsprechend jeder Nockenwelle eine eigene elektrische Maschine zuzuord­ nen, die in diesem Falle die Steuerzeiten aller Ein­ laßventile und aller Auslaßventile unabhängig vonein­ ander variieren kann. Um die gesamte Steuereinrich­ tung noch einfacher zu gestalten, kann es jedoch sinnvoll sein, nur die Steuerzeiten der Einlaßventile zu beeinflussen und die Auslaßsteuerzeiten unverän­ dert zu lassen, da eine Beeinflussung der Einlaßsteu­ erzeiten einen vergleichsweise größeren Effekt in Richtung besserem Teillastwirkungsgrad bei gleichzei­ tiger gutem Vollastverhalten zeigt.

Die folgenden Fig. 3a bis 3d zeigen jeweils Ven­ tilerhebungskurven eines einzelnen Einlaß- oder Aus­ laßventil in qualitativer Form und verdeutlichen da­ mit die verschiedenen möglichen Steuerstrategien ei­ ner variablen Ventilsteuerung. Auf der horizontalen Achse der Figuren ist jeweils die Zeit t aufgetragen, auf der vertikalen Achse 57 jeweils ein in seinem Ma­ ximalwert unveränderte Ventilhub H_v. Zusätzlich ist eine, über die Fig. 3a bis 3d durchgehende, senk­ rechte gestrichelte Linie 56 eingetragen, um einen Zeitpunkt t₄ des maximalen Ventilhubes H_v einer Nor­ malkurve 40 sowie die Verschiebungen von demgegenüber modifizierten Kurven 42, 44, 46 und 48 gegenüber der Normalkurve 40 zu verdeutlichen. Die vertikalen Ach­ sen 57 der Fig. 3a bis 3d stellen gleichzeitig ei­ nen Grenzwert des frühesten erzielbaren Ventilöff­ nungszeit t₀ dar. Weiterhin ist eine über die Fig. 3a bis 3d durchgehende senkrechte gestrichelte Linie 58 eingetragen, die einen spätesten Ventilschließ­ zeitpunkt t₇ charakterisiert.

Fig. 3a zeigt den Ventilhub H_v über der Öffnungszeit eines Ventils, vorzugsweise eines Einlaßventils. Eine Normalkurve 40 bei leerlaufender elektrischen Maschi­ ne 12, das heißt ohne regelnden Eingriff, entspricht einer herkömmlichen Auslegung der Ventilsteuerzeiten. Das Ventil öffnet zu einem Zeitpunkt t₁, erreicht zu einem Zeitpunkt t₄ seinen maximalen Ventilhub H_v und schließt zu einem Zeitpunkt t₆. In der gleichen Figur ist eine verkürzte Kurve 42, die vorzugsweise für ei­ nen Teillastbereich der Brennkraftmaschine zur Anwen­ dung kommen kann, eingetragen. Diese Kurve 42 kommt dadurch zustande, daß das Nockenwellenrad 10 bei der Öffnungsbewegung des Ventils durch die elektrische Maschine 12 geringfügig verzögert wird. Ab dem Zeit­ punkt t₄, dem Zeitpunkt des maximalen Ventilhubes H_v, wird die Nockenwelle derart beschleunigt, daß das Ventil schneller schließt, so daß insgesamt eine kür­ zere Ventilöffnungszeit zustande kommt.

Die Fig. 3b zeigt eine nach links verschobene Kurve 44, bei der das Ventil gegenüber der Normal­ kurve 40 insgesamt früher öffnet (t₀), seinen maxima­ len Hub früher erreicht und wieder früher schließt (t₅). Diese Kurve 44 kommt dadurch zustande, daß die elektrische Maschine 12 während der gesamten Ventil­ öffnungsdauer, das heißt vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₅, das Nockenwellenrad 10 gegenüber dem Kurbelwellenrad 4 beschleunigt.

Fig. 3c zeigt weiterhin eine nach rechts verschobene Kurve 46, bei der das Ventil gegenüber der Normal­ kurve 40 insgesamt später öffnet (t₃), seinen maxima­ len Hub später erreicht und auch später schließt (t₇). Diese Kurve 46 kommt dadurch zustande, daß die elektrische Maschine 12 während der gesamten Ventil­ öffnungsdauer, das heißt vom Zeitpunkt t₃ bis zum Zeitpunkt t₇, das Nockenwellenrad 10 gegenüber dem Kurbelwellenrad 4 verzögert.

Fig. 3d zeigt schließlich mehrere Kurvenscharen 50, 52 und 54, welche die Möglichkeiten der Verstellung der Ventilöffnungszeiten verdeutlichen. Eingezeichnet ist weiterhin eine maximal gespreizte Kurve 48, die den Grenzwert der Ventilöffnungsdauer bei unter Vollast laufender Brennkraftmaschine verdeutlicht. Bei dieser Kurve 48 öffnet das Ventil bereits zum Zeitpunkt t₀, erreicht bei t₄ seinen maximalen Hub und schließt erst wieder zum Zeitpunkt t₇. Die Kur­ venschar 50 zeigt verschiedene Ventilöffnungsstrate­ gien mit einem gemeinsamen Öffnungszeitpunkt t₀, ge­ genüber der Normalkurve 40 nach links verschobenen Maximalwerten des Ventilhubes H_v und verschiedenen Schließzeitpunkten. Die Kurvenschar 52 dagegen ver­ deutlicht verschiedene Ventilöffnungsstrategien mit einem gemeinsamen Schließzeitpunkt t₇, gegenüber der Normalkurve 40 nach rechts verschobenen Maximalwerten des Ventilhubes H_v und verschiedenen Öffnungszeit­ punkten. Die Kurvenschar 54 zeigt schließlich ge­ spreizte oder gestauchte Kurven mit einem gemeinsamen Scheitelpunkt bei t₄, jedoch unterschiedlichen Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkten.

Claims (13)

1. Brennkraftmaschine, insbesondere Viertakt-Brenn­ kraftmaschine, mit wenigstens einem Zylinder, mit mindestens einem in den Zylinder führenden Ansaugka­ nal mit einem steuerbaren Einlaßquerschnitt, und mit mindestens einem aus dem Zylinder führenden Auslaßka­ nal mit einem steuerbaren Auslaßquerschnitt, wobei in dem Ansaugkanal mindestens ein den Einlaßquerschnitt steuerndes Einlaßventil vorgesehen ist, und wobei in dem Auslaßkanal mindestens ein den Auslaßquerschnitt steuerndes Auslaßventil vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Einlaßventil und das mindestens eine Auslaßventil von wenigstens einer von einer Kurbel­ welle der Brennkraftmaschine angetriebenen Nocken­ welle in Abhängigkeit eines Arbeitszyklus der Brenn­ kraftmaschine gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Nockenwelle (8) mit einer elektrischen Maschine (12) wirkverbunden ist, die derart steuerbar ist, daß das Drehzahlenverhältnis zwischen Nockenwelle (8) und Kurbelwelle (2) variier­ bar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wenigstens eine Nockenwelle (8) mit einer elektrischen Maschine (12) wirkverbunden ist, welche die rotierende Nockenwelle (8) in Abhän­ gigkeit eines Arbeitszyklus und verschiedener Be­ triebsparameter der Brennkraftmaschine periodisch ab­ bremsen oder beschleunigen kann.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb der wenigstens einen Nockenwelle (6) von der Kurbelwelle (2) der Brenn­ kraftmaschine über ein Zugmittel (6), mit wenigstens jeweils einer Spannvorrichtung in einem Zugtrum (7) und in einem Leertrum (9) des Zugmittels (6), er­ folgt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zugmittel (6) zum Antrieb der wenigstens einen Nockenwelle (8) im Zugtrum (7) und im Leertrum (9) jeweils mindestens eine federbelaste­ te, frei drehbare gelagerte, Spannrolle (14, 16) auf­ weist, wobei die Federkräfte so groß sind, daß bei jeder Drehzahl der Kurbelwelle (2) und bei leerlau­ fender Elektromaschine (12) das Zugmittel (6) sowohl im Zugtrum (7) als auch im Leertrum (9) vollständig gespannt ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils dem mindestens einen Auslaßventil und dem mindestens ei­ nem Einlaßventil des wenigstens einen Zylinders eine eigene Einlaß- und Auslaßnockenwelle zugeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einlaß- und die Auslaßnocken­ welle jeweils mit einer deren Drehzahlenverhältnis zur Kurbelwelle (2) beeinflussenden elektrischen Ma­ schine (12) wirkverbunden sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine elektrische Maschine (12) mit ihrer Welle dreh­ fest mit der ihm zugeordneten Nockenwelle (8) verbun­ den ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine elektrische Maschine (12) über ein Getriebe mit der ihm zugeordneten Nockenwelle (8) wirkverbunden ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine (12) in Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter der Brennkraftmaschine über eine elektronische Motor­ steuerung erfolgt.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine (12) über einen digitalen PID-Regler erfolgt.

11. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine (12) zur Beeinflussung der Ventilöffnungszeiten mit einer Steuerung des Ventilhubes (H_v) der Einlaßventile und/oder der Auslaßventile der Brennkraftmaschine kombiniert ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ventilhub (H_v) der Einlaßven­ tile periodisch und/oder permanent unabhängig vom Ar­ beitszyklus der Brennkraftmaschine bis auf Null redu­ zierbar ist.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einlaßventile die Funktion ei­ ner Drosselklappe zur Bemessung einer angesaugten Luftmenge der Brennkraftmaschine übernehmen.