DE19908286B4

DE19908286B4 - Variable Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19908286B4
Application number: DE1999108286
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schwarzenthal; Joachim Gruenberger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2019-02-27
Also published as: DE19908286A1

Abstract

Variable Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen der Hubkolbenbauart mit zur Gaswechselsteuerung dienenden Ventilen (4, 5), die mittels einer Nockenwelle (6) betätigt werden, welche Nockenwelle (6) eine mit einer Betätigungseinrichtung (9) zusammenwirkende Stellerwelle (7) und auf dieser relativbeweglich gelagerte Nockenvorrichtungen (8) umfasst, wobei jede Nockenvorrichtung (8) axialbeweglich auf der mit der Betätigungseinrichtung (9) verbundenen Stellerwelle (7) der Nockenwelle (6) gelagert ist, wobei zwischen der Nockenvorrichtung (8) und der Stellerwelle (7) eine Federvorrichtung (16) wirksam ist, die die Nockenvorrichtung (8) in eine Grundstellung (Gs) zu bewegen sucht, und dass darüber hinaus die Nockenvorrichtung (8) mit wenigstens einer Auslöseeinrichtung (17, 18) zusammenarbeitet, die mit einem fest auf der Stellerwelle (7) angebrachten einen Steuernocken (20) besitzenden Steuerring (19, 19') und einem radial zur Stellerwelle (7) angeordneten einen Steuervorsprung (23') aufweisenden mit einer Druckfeder (23) in Wirkverbindung stehenden Sperrbolzen (21) versehen ist und dass ferner der Steuernocken (20) in Abhängigkeit einer axialen Stellung und einer radialen Stellung...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine variable Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen nach Patentanspruch 1.
Mit variablen Ventilsteuerungen lassen sich nicht nur HC-Rohemissionen günstig beeinflussen, sondern auch NOx-Emissionen reduzieren. Außerdem können sie den Kraftstoffverbrauch, den stabilen Leerlauf und die Leistung einer Brennkraftmaschine verbessern.

Es ist eine variable Ventilsteuerung bekannt, SAE Paper 740102, Seite 2 1, bei der in einer Bohrung einer Nockenwelle ein axialbewegliches Stellorgan vorgesehen ist, das mit einem Mitnehmer in eine eine Verdrehung der Einlaßnocken bewirkende bogenförmige Steuerführung eingreift. Obgleich mit dieser Ausführung ein vage Konstruktionsrichtung vorgegeben ist, ist für eine realisierbare Lösung noch ein erhebliche Entwicklungsleistung vonnöten.

Aus der DE 195 20 117 A1 ist ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Nocken mit unterschiedlichen Nockenbahnen von einer Nockenwelle verdreht wird. Dabei kann der Nocken zur Realisierung unterschiedlicher Ventilerhebungen axial auf der Nockenwelle verschoben werden: Das für die Verschiebung erforderliche Verstellorgan ist im inneren der Nockenwelle angeordnet. Weiterhin wird die Bewegung des Verstellorgans über ein Federelement, das ebenfalls im inneren der Nockenwelle geführt ist, auf den axial verschieblichen Nocken übertragen.

Weiterhin ist aus der DE 195 19 048 A1 ein variabler Ventiltrieb mit mehreren Nocken bekannt, bei dem zwecks Erzielung unterschiedlicher Ventilhubkurven pro Verstellventil mehrere Nocken vorgesehen sind, die axial verstellt werden können oder deren Nockengegenläufer axial verstellt werden können. Dabei sind Einrichtungen vorgesehen, die die Verstellung während der Ventilhubzeit sperren, so dass die Verstellung in der Ventilstillstandszeit erfolgt.

Außerdem ist aus der DE 42 30 877 A1 eine Ventilsteuerung für ein Hubventil bekannt, welche einen axial verschiebbaren Nockenblock mit zwei Nocken aufweist, wobei von den Nocken je nach Axialstellung des Nockenblocks einer der Nocken auf einen Übertragungshebel einwirkt, der seinerseits das Hubventil betätigt.

Eine leicht umsetzbare variable Ventilsteuerung behandelt die DE 4331 977 A1 , die eine mit einer axialen Durchgangsbohrung versehene Nockenwelle umfaßt. In der Durchgangsbohrung ist ein Stellorgan vorgesehen, mit dem durch Axialbewegungen auf der Nockenwelle relativbeweglich gelagerte Nocken verstellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hochwirksame variable Ventilsteuerung zu schaffen, die auf einfache Weise in eine Brennkraftmaschine integrierbar ist. Dabei sollten aber auch Einflußgrößen berücksichtigt werden, die sich durch eine definierte Gestaltung der Ventilöffnungszeit und des Ventilhubs ergeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere, die Erfindung ausgestaltenden Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß die variable Ventilsteuerung leicht konstruierbare Bauteile aufweist, deren funktionales Zusammenwirken einen sicheren und effizienten Betrieb der Ventilsteuerung gewährleistet. Dabei hält die Federvorrichtung die Nockenvorrichtung in einer Grundstellung, von der aus die Stellerwelle diese Nockenvorrichtung in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine in eine definierte Betriebsstellung bewegt. Eine funktionsgerechte Bewegung der Nockenvorrichtung stellt die Auslöseeinrichtung sicher, die erst dann wirksam wird, wenn sich die Stellerwelle in definierten Stellerstellungen befindet. Aufgrund der Nockenvorrichtung ergibt sich die Möglichkeit ein Ventil mit hohen Freiheitsgraden zu betreiben d.h. bezüglich unterschiedlich gestalteten Nocken. Anders ausgedrückt bewerkstelligen zwei Nocken, in Abhängigkeit ihrer Betriebsstellungen, verschiedene Ventilöffnungszeiten und/oder Ventilhübe. Außerdem bewirkt die hydraulische Verstelleinrichtung eine gute Betätigung der Stellerwelle in die jeweilige Stellerstellung.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das nachstehend näher beschrieben ist.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen schematisch dargestellten variablen Ventilsteuerung mit einer Nockenwelle, die in eine Brennkraftmaschine eingebaut ist;
2 Ventilerhebungskurven von Nocken der Nockenwelle;
3 eine Schnitt nach der Linie III-III 1;
4 eine die 1 ergänzende Ansicht mit einer Betätigungseinrichtung.
Eine nur teilweise dargestellte Brennkraftmaschine 1 der Hubkolbenbauart mit beispielsweise mehreren Zylindern umfaßt einen Zylinderkopf 2 und eine variable Ventilsteuerung 3 die mit Ventilen 4, 5 zusammenwirkt. Die Ventile 4, 5 dienen zur Gas-Wechselsteuerung in einem nicht gezeigten Brennraum und werden mittels einer Nockenwelle 6 betätigt.
Die Nockenwelle 6 umfaßt eine Stellerwelle 7 und zur Betätigung der Ventile 4, 5 – es können Einlaßventile sein – eine Nockenvorrichtung 8. Die Stellerwelle 7 ist an einem freien Ende mit einer Betätigungseinrichtung 9 versehen – 4 –, d.h die Stellerwelle 7 ist axialbeweglich – Richtung B-B – ausgebildet. Die Nockenvorrichtung 8 umgibt die Stellerwelle 7 naben- oder spulenartig, und sie ist an Enden 10, 11 mit Lagerzapfen 12, 13 in Lagerbohrungen 14, 15 des Zylinderkopfs 2 axialbeweglich – Richtung B-B angeordnet; die Lagerzapfen 12, 13 und die Lagerbohrungen 14, 15 bilden Schiebelager. Zwischen der Stellerwelle 7 und der Nockenvorrichtung 8 ist eine Federvorrichtung 16 wirksam, die die Nockenvorrichtung 8 auf der Stellerwelle 7 in eine Grundstellung Gs zu bewegen sucht.
Die Nockenvorrichtung 8 arbeitet mit einer Auslöseeinrichtung 17, 18 zusammen. Jede Auslöseeinrichtung z.B. 17 weist einen Steuerring 19 mit einer Steuernocke 20 und einen radial zur Stellerwelle 7 verlaufenden Sperrbolzen 21 auf. Der Sperrbolzen 21 ist in eine Einbohrung 22 des Zylinderkopfs 2 eingesetzt und wird mittels einer Druckfeder 23 in Richtung Stellerwelle 7 gespannt. Auf der der Nockenvorrichtung 8 abgekehrten Seite ist der Sperrbolzen 21 mit einem Steuervorsprung 23' versehen, der auf die Stellerwelle 7 ausgerichtet ist, wobei der Steuervorsprung 23' unter Bildung eines relativ kleinen Abstandes AsI an den Außendurchmesser AdI der Stellerwelle 7 herangeführt ist. Der Steuerring 19 bildet einen Lagerzapfen 24 für eine Lagerbohrung 25 der Nockenvorrichtung 8 und ihre axial beabstandete Steuernocke 20 weist eine Nockenform – 3 – auf, die von einem Außendurchmesser AdII bzw. einem Grundkreis 26 des Lagerzapfen 24 aus kontinuierlich abnimmt und schließlich nur den Abstand AsII zum Außendurchmesser AdII der Stellerwelle 7 aufweist. Der Abstand AsI ist größer als der Abstand AsII, der auf einer den Grundkreis 26 schneidenden Mittellinie B-B liegt.
Die Nockenvorrichtung 8 ist zur Betätigung für die beiden Ventile 4 und 5 ausgebildet, die pro Zylinder vorgesehen sind, und sie weist unterschiedliche Nocken 27 und 28 auf – 2 –. So ist der Ventilhub VhI des Nocken 4 größer als der Ventilhub VhII des Nocken 5 und die Ventilöffnungszeit VzI ist größer als die Ventilöffnungszeit VzII. Der Nocken 27 ist im oberen und der Nocken 28 im unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 wirksam. Zwischen den Ventilen 4 und 5 und dem jeweiligen Nocken 27 und 28 sind Rollenschlepphebel 29 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel sind an beiden Enden 10, 11 der Nockenvorrichtung 8 die Auslöseeinrichtungen 17, 18 und Steuerringe 19, 19' vorgesehen. Außerdem weist die Nockenvorrichtung 8 einen der Stellerwelle 7 zugekehrten Führungsabschnitt 30 auf der mit einer Innenverzahnung 31 versehen ist. Die Innenverzahnung 31 steht im Eingriff mit einer Außenverzahnung 32; jedoch sind beide Verzahnungen axialbeweglich ausgebildet. Der Führungsabschnitt 30 erstreckt sich lediglich über einen mittleren Bereich Mb d.h. zu beiden Seiten einer Mittellängsebene C-C zwischen den Enden 10,11 der Nockenvorrichtung 8.
Außerhalb des Führungsabschnitts 30, und zwar zwischen Nockenvorrichtung 8 und Stellerwelle 7 sind Ringräume 33, 34 vorgesehen. Besagte Ringräume 33, 34 dienen zur Aufnahme von Druckfedern 35, 36, die die Federvorrichtung 16 bilden. Die Druckfedern 35, 36 umgeben koaxial die Stellerwelle 7 und stützen sich an ersten Anschlägen 37, 38 des Führungsabschnitts 30 und an zweiten Anschlägen 39, 40 der Steuerringe 19, 19' ab.
Die Stellerwelle 7 ist mit einem als Hohlraum 41 ausgebildeten Ölführungskanal 42 versehen, der im Bereich des Führungsabschnitts 39 radiale Durchgangsbohrungen 43, 44 umfaßt. Letztere wirken je nach Lage der Nockenvorrichtung 8 als Endlagendämpfer
In 4 ist die Betätigungseinrichtung 9 dargestellt, die hydraulischer Bauart ist und ein Gehäuse 45 mit einem Hydraulikkolben 46 aufweist, der mit der Stellerwelle 7 fest verbunden ist. Der Hydraulikkolben 7 ist über Druckräume 47, 48 beaufschlagbar die mittels Leitungen 49, 50 an ein 4/2 Wege-Magnetschaltventil 51 angeschlossen sind.
Funktionsbeschreibung
In 1 wirken die Nocken 27 – mit größerem Ventilhub VhI und größerer Ventilöffnungszeit – mit den Ventilen 4, 5 zusammen und der Sperrbolzen 21' liegt auf dem Lagerzapfen 12 der Nockenvorrichtung 8 auf. Auf der anderen Seite stützt sich der Sperrbolzen 21 am Außendurchmesser des Steuerrings 18 ab. Und der Druckraum 49 ist mit Druckmedium beaufschlagt. Wird in Abhängigkeit von Parametern – Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine – der Druckraum 48 geschaltet, so wird die Stellerwelle 7 in Richtung Betätigungseinrichtung 45 verschoben. Gleichzeitig werden beide Druckfedern 35, 36 gespannt und der Steuerring 19 in Richtung Steuervorsprung 23' des Sperrbolzens bewegt. Ist die Winkellage der Nockenwelle 6 entsprechend ausgerichtet greift der Steuernocken 20 unter den Steuervorsprung 23', wobei nach einer 180° Drehung der Stellerwelle 7 der Sperrbolzen 21 derart angehoben wird, daß die Nockenvorrichtung 8 ein Stellung einnimmt, bei der die Nocken 28 die Ventile 4, 5 betätigen.

Claims

Variable Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen der Hubkolbenbauart mit zur Gaswechselsteuerung dienenden Ventilen (4, 5), die mittels einer Nockenwelle (6) betätigt werden, welche Nockenwelle (6) eine mit einer Betätigungseinrichtung (9) zusammenwirkende Stellerwelle (7) und auf dieser relativbeweglich gelagerte Nockenvorrichtungen (8) umfasst, wobei jede Nockenvorrichtung (8) axialbeweglich auf der mit der Betätigungseinrichtung (9) verbundenen Stellerwelle (7) der Nockenwelle (6) gelagert ist, wobei zwischen der Nockenvorrichtung (8) und der Stellerwelle (7) eine Federvorrichtung (16) wirksam ist, die die Nockenvorrichtung (8) in eine Grundstellung (Gs) zu bewegen sucht, und dass darüber hinaus die Nockenvorrichtung (8) mit wenigstens einer Auslöseeinrichtung (17, 18) zusammenarbeitet, die mit einem fest auf der Stellerwelle (7) angebrachten einen Steuernocken (20) besitzenden Steuerring (19, 19') und einem radial zur Stellerwelle (7) angeordneten einen Steuervorsprung (23') aufweisenden mit einer Druckfeder (23) in Wirkverbindung stehenden Sperrbolzen (21) versehen ist und dass ferner der Steuernocken (20) in Abhängigkeit einer axialen Stellung und einer radialen Stellung der Stellerwelle (7) den Steuervorsprung (23') untergreift und nach einer Teildrehung der Stellerwelle (7) den Sperrballone (21) anhebt, wodurch die Nockenvorrichtung (8) eine Axialbewegung in eine definierte Betriebsstellung ausführt.
Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenvorrichtung (8) für ein Ventil (4 oder 5) unterschiedliche Nocken (27, 28) aufweist
Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken (27, 28) bezüglich Ventilöffnungszeit (VzI und VzII) und/oder Ventilhub (VhI und VhII) unterschiedlich sind.
Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4, 5) unter Vermittlung eine Rollenschlepphebels (29) mit den Nocken (27, 28) zusammenarbeitet
Variable Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenvorrichtung (8) zur Betätigung von zwei Ventilen (4, 5) pro Zylinder ausgebildet ist und die Stellerwelle (7) nach Art einer Nabe umgibt.
Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart von beiden Enden (10, 11) der Nockenvorrichtung (8) je eine Auslöseeinrichtung (17, 18) mit zugehörigem Steuerring (19, 19') vorgesehen ist.
Variable Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenvorrichtung (8) einen der Stellerwelle (7) zugekehrten Führungsabschnitt (30) mit einer Innenverzahnung (31) aufweist, die im Eingriff mit einer Außenverzahnung (32) der Stellerwelle (7) steht.
Variable Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Führungsabschnitt (30) der Nockenvorrichtung (8) lediglich über eine mittleren Bereich (Mb) zwischen den Enden (10, 11) erstreckt.
Variable Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Führungsabschnitts (30) zwischen Nockenvorrichtung (8) und Stellerwelle (7) Ringräume (33, 34) vorgesehen sind, wobei die Nockenvorrichtung (8) benachbart ihren Enden (10, 11) die Steuerringe (19, 19') nach Art von Schiebelager umgibt.
Variable Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (16) zwei Druckfedern (35, 36) umfasst, die innerhalb der Ringräume (33, 34) die Stellerwelle (7) koaxial umgeben und sich an ersten Anschlägen (37, 38) des Führungsabschnitts (30) und an zweiten Anschlägen (39, 40) der Steuerringe (19, 19') abstützen.
Variable Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stellerwelle (7) einen als Hohlraum (41) ausgebildeten Ölführungskanal (42) aufweist, der im Bereich des Führungsabschnitts (30) mit radialen Durchgangsbohrungen (43, 44) versehen ist, die in Abhängigkeit der Stellung der Nockenvorrichtung (8) als Endlagendämpfung wirken.
Variable Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Steuernocken (20) wie auch die Steuervorsprünge (23) auf dem Führungsabschnitt (30) abgekehrten Seiten vorgesehen sind.