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Die
Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb für ein nockenbetätigtes Hubventil
einer Brennkraftmaschine, welches durch eine Schließfeder entgegen
der Öffnungsrichtung
belastet ist, mit einer zwischen einem Nocken und dem Hubventil
angeordneten, hydraulisch längenverstellbaren
Kraftaufbringeinrichtung, welche mit einer äußeren zylindrischen Mantelfläche in einem
gehäusefesten
Führungszylinder
verschiebbar ist und einen in einem Zylinder längsverschiebbaren Druckkolben
aufweist, der an einem Druckraum grenzt, in welchen ein von einer Öffnung in
der Mantelfläche
der Kraftaufbringeinrichtung ausgehender Druckkanal einmündet, und wobei
im Bereich der Öffnung
eine gehäusefeste Druckleitung
in den Führungszylinder
einmündet, welche
mit einem eine hydraulische Aktivierung des Hubventils ermöglichenden
hydraulischen Hochdruck beaufschlagbar ist.
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Aus
der
DE 43 17 607 A1 ist
ein variabler Ventiltrieb für
ein Hubventil bekannt, mit welchem während der mechanischen Hubphase
durch den Nocken ein hydraulischer Zusatzhub erzeugt werden kann.
Ein hydraulischer Hub ist bei dem bekannten Ventiltrieb allerdings
nur möglich,
solange sich die gehäusefeste
Druckleitung mit dem Druckkanal in der durch einen Tassenstößel gebildeten
Kraftaufbringeinrichtung überdeckt.
Während
der Grundkreis des Nockens am Tassenstößel angreift, ist die Druckmittelzufuhr
zum Tassenstößel unterbrochen.
Die Möglichkeit
der hydraulischen Aktivierung des Hubventils ist somit auf einen
sehr kleinen Zeitraum begrenzt. Der Ventilhub und die Ventilsteuerzeiten
können
somit nur wenig beeinflusst werden.
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Weiters
sind verschiedene sogenannte "lost motion"-Systeme bekannt,
bei denen eine an die Drehzahl der Nockenwelle gekoppelte Druckerzeugung
im Ventiltrieb erfolgt.
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Die
US 5,127,375 A beschreibt
beispielsweise einen derartigen Ventiltrieb. Nachteilig ist, dass keine
aktive Druckbeaufschlagung im Sinne einer hydraulischen Hebevorrichtung
erfolgt und somit kein zweites Öffnen
des Hubventils auf hydraulischem Wege möglich ist.
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Die
US 5,216,988 A beschreibt
eine Ventilbetätigungseinrichtung,
bei der die Druckerzeugung und die Druckübersetzung im Tassenstößel erfolgt. Mit
einer mit dem Inneren des Tassenstößels verbundenen Spülpumpe und
einem ablaufseitigen Absteuerventil können Luftblasen aus dem System
entfernt werden.
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Die
US 5,005,540 A beschreibt
eine Ventilsteuerungseinrichtung mit einem zwischen Nocken und Hubventil
angeordneten hydraulischen Tassenstößel. Über eine externe Pumpe wird
ein Vordruck im hydraulischen Tassenstößel erzeugt. Die Absteuerung
der Druckkammer des Tassenstößels erfolgt über ein
Magnetventil. Eine aktive hydraulische Ventilerhebung ist auch hier
nicht möglich.
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Die
DE 42 39 040 A1 beschreibt
mechanisch-hydraulische Bewegungsübertragungsmittel zwischen
Nockenwelle und den Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine,
die mit einem hydraulischen Spielausgleich ausgestattet sind. Dabei
wird während
der mechanischen Ventilbetätigung
der Ölrückfluss
aus einem im Tassenstößel angeordneten Ölhochdruckraum
in eine Ölrückführleitung
ermöglicht.
Eine aktive hydraulische Ventilerhebung unabhängig vom mechanischen Ventilhub
ist nicht möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einem
Ventiltrieb der eingangs genannten Art Ventilhub und Ventilöffnung möglichst frei
zu gestalten.
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Erfindungsgemäß erfolgt
dies dadurch, dass die Druckleitung unabhängig von der Stellung der Kraftaufbringeinrichtung
stets mit dem Druckkanal strömungsverbunden
ist. Dadurch ist es möglich,
unabhängig
von der Nockenwellenstellung hydraulisch auf das Hubventil einzuwirken.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Mündung der Druckleitung in den
Führungszylinder
und die Öffnung
in der äußeren Mantelfläche der
Kraftaufbringeinrichtung in jeder Stellung überdeckend ausgebildet sind.
Um eine ständige Überdeckung
zu erreichen, ist es bei einem Ventiltrieb, bei dem die Kraftaufbringeinrichtung
einen dem Nockenhub entsprechenden Hub ausführen kann, vorteilhaft, wenn
zwischen Druckleitung und Druckkanal ein sowohl mit der Druckleitung,
als auch mit dem Druckkanal kommunizierender Hohlraum ausgebildet
ist, dessen in Richtung des Hubes gemessene Höhe mindestens dem maximalen
Hub der Kraftaufbringeinrichtung entspricht. Die Ausnehmung kann
dabei entweder im Führungszylinder
oder an der äußeren Mantelfläche der
Kraftaufbringeinrichtung angeordnet sein.
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Auf
diese Weise kann erreicht werden, dass das Hubventil während der
mechanischen Hubphase durch den Nocken hydraulisch um einen zusätzlichen Hubweg
geöffnet
wird. Durch die Veränderung
der Ventilsteuerzeiten und der Ventilerhebungskurven kann gezielt
die Abgastemperatur erhöht
werden, um den Anforderungen eines Abgasnachbehandlungssystems im
Bezug auf die Erhöhung
der Konvertierungsrate zugenügen.
Zur Realisierung dieser Betriebsstrategie können die für den jeweiligen Emissionstestzyklus
relevanten Betriebspunkte herangezogen werden.
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Der
variable Ventiltrieb eröffnet
auch die Möglichkeit,
dass das Hubventil nach Beendigung der mechanischen Hubphase durch
den Nocken zumindest einmal hydraulisch nachgeöffnet wird. Auf diese Weise
kann ein Verbrennungsverfahren mit homogener Gemischbildung und
Selbstzündung
des Kraftstoffes realisiert werden, bei dem während eines Arbeitsspieles
beispielsweise die Auslassventile mehrmals geöffnet werden, um die Ladungszusammensetzung
und die Ladungstemperatur sowie die Zündbedingungen zu steuern. Durch
das wiederholte Öffnen
des Auslassventils wird eine interne Abgasrückführung bewirkt.
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Um
eine aktive hydraulische Ventilerhebung während der mechanischen Ventilerhebung
zu ermöglichen,
ist vorgesehen, dass die Druckleitung mit einer externen Druckerzeugungseinrichtung
verbunden ist, die zumindest eine Pumpe, zumindest einen Speicher
mit zumindest einem Druckregler und zumindest ein Stellglied zur
Drucksteuerung aufweist. Zur Einstellung eines Zusatzhubes in der
Phase ansteigender Ventilerhebung wird der erforderliche Steuerdruck
aus dem externen Druckspeicher aktiv mittels Stellgliedern zugeschaltet.
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Das
Stellglied zur Drucksteuerung kann dabei als Magnetventil oder als
Piezoventil ausgeführt sein.
Das Stellglied zur Drucksteuerung kann genau einem Hubventil zugeordnet
sein. Um Bauteile einzusparen, ist es allerdings vorteilhafter,
wenn mit einem Stellglied mehrere Hubventile betätigbar sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraftaufbringeinrichtung zwischen
dem Nocken und dem Hubventil, vorzugsweise achsgleich mit dem Hubventil,
angeordnet und besonders vorzugsweise als Tassenstößel ausgebildet
ist. Eine andere Ausführungsvariante
sieht vor, dass die Kraftaufbringeinrichtung zwischen einem Nocken
und einem das Hubventil betätigenden
Ventilhebel angeordnet ist. Alternativ dazu kann aber auch vorgesehen
sein, dass die Kraftaufbringeinrichtung als Teil eines Ventilhebellagerbockes
zur Abstützung
eines das Hubventil betätigenden
Ventilhebels ausgebildet ist. Der Ventilhebel kann als Kipphebel
oder als Schlepphebel ausgebildet sein.
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Das
Arbeitsmedium und/oder das Steuermedium der Druckerzeugungseinrichtung
kann ein eigenes Hydraulikfluid oder ein am Fahrzeug zur Verfügung stehender
Betriebsstoff, wie Wasser, Treibstoff oder Schmieröl sein.
Insbesondere bei Verwendung eines bereits vorhandenen Betriebsstoffes
kann weiters vorgesehen sein, dass die Druckerzeugungseinrichtung
Teil eines ventiltriebfremden weiteren Subsystems des Kraftfahrzeuges
ist. Der Druckspeicher der Druckerzeugungseinrichtung ist in diesem
Fall vorteilhafterweise Teil eines Speichereinspritzsystems, eines
Fahrzeuggetriebes, einer hydraulischen Fahrzeugbremseinrichtung
oder eines Kühlkreislaufes
des Fahrzeuges.
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Das
Stellglied der Druckerzeugungseinrichtung kann in einer bevorzugten
Ausführungsvariante der
Erfindung als 3/2-Wegeventil ausführt sein. Alternativ dazu können an
Stelle des 3/2-Wegeventiles auch zwei 2/2-Wegeventile eingesetzt
werden. Die Druckerzeugungseinrichtung weist ein Hochdruckniveau
und ein Mitteldruckniveau auf, wobei der Druckraum des Kraftsaufbringelementes über das Stellglied
wahlweise mit dem Mitteldruckniveau oder dem Hochdruckniveau strömungsverbindbar
ist. Zur Bereitstellung des Hochdruckniveaus ist vorzugsweise ein
erster Druckspeicher vorgesehen, welcher mit einer Hochdruckpumpe
verbunden ist. Die Erzeugung des Mitteldruckniveaus kann durch eine
Mitteldruckpumpe erfolgen.
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Eine
eigene Mitteldruckpumpe kann entfallen, wenn das Mitteldruckniveau
durch einen Mitteldruckspeicher bereitgestellt wird, welcher über eine Druckverminderungseinrichtung
mit einem das Hochdruckniveau bildenden Hochdruckspeicher verbunden
ist.
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Um
das Auftreten von Kavitationserscheinungen im Kraftaufbringelement
in gewissen Stellungen des Hubventils zu vermeiden, ist im Rahmen
der Erfindung vorgesehen, dass das Kraftaufbringelement über eine
vorzugsweise ein in Richtung des Kraftaufbringelementes öffnendes
Rückschlagventil aufweisende
Ausgleichleitung mit dem Mitteldruckniveau verbunden ist. Auf diese
Weise wird verhindert, dass der Druck innerhalb des Kraftaufbringelementes
unter einem kritischen, Kavitationserscheinungen begünstigenden
Druck absinkt.
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Zur
Realisierung einer Aufsetzdämpfung
für das
Hubventil ist es besonders vorteilhaft, wenn der Druckkolben als
Stufenkolben ausgebildet ist.
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Die
hydraulische Kraftaufbringeinrichtung kann in Verbindung mit Stellgliedern
zur Umschaltung einzelner oder aller Zylinder auf einen kopfgespülten 2-Takt
oder 2-Takt ähnlichen
Betrieb verwendet werden. Aufeinander folgende Gaswechselvorgänge sind
dabei alternierend mechanisch und hydraulisch bestimmt.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 einen
erfindungsgemäßen Ventiltrieb in
einem Schnitt durch das Kraftaufbringelement in einer ersten Stellung,
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2 den
Ventiltrieb in einer zweiten Stellung,
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3 ein
schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Ventiltriebes in einer
ersten Ausführungsvariante,
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4 ein
schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Ventiltriebes in einer
zweiten Ausführungsvariante
und
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5 bis 7 verschiedene über dem
Kurbelwinkel KW aufgetragene Verläufe von Ventilhüben h.
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Der
variable Ventiltrieb 1 weist ein im wesentlichen zylindrisches
Kraftaufbringelement 2 auf, dessen äußere zylindrische Mantelfläche 3 in
einem gehäusefesten
Führungszylinder 4 verschiebbar
angeordnet ist. Im Inneren des Kraftaufbringelementes 2 ist
ein in einem Zylinder 5 längsverschiebbarer Druckkolben 6 gelagert,
welcher an einen mit hydraulischem Druck beaufschlagbaren Druckraum 7 grenzt.
Der Druckraum 7 steht mit zumindest einem von der äußeren Mantelfläche 3 des
Kraftaufbringelementes 2 ausgehenden Druckkanal 8 in
Verbindung. Die Öffnung
des Druckkanals 8 in der Mantelfläche 3 ist mit 9 bezeichnet.
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Im
Gehäuse 10,
welches durch einen Zylinderkopf oder ein separates Ventilbetätigungsgehäuse gebildet
sein kann, ist eine Druckleitung 11 vorgesehen, welche
im Bereich der Öffnung 9 in
den Führungszylinder 4 einmündet. Die
Mündung
ist mit Bezugszeichen 11a angedeutet. Um eine vom Ventilhub h
unabhängige
Betätigung
des Kraftaufbringelementes 2 zu ermöglichen, ist im Bereich der Öffnung 9 zwischen
Druckleitung 11 und Druckkanal 8 ein durch eine
Ausnehmung 12 gebildeter Hohlraum vorgesehen, dessen Höhe L mindestens
dem maximalen, durch den Nocken 14 verursachten mechanischen Ventilhub
hmax des Hubventils 13 entspricht.
Die Öffnung 9 des
Druckkanals 8 ist dabei so positioniert, dass in jeder
Lage des Hubventils 13 eine Strömungsverbindung zwischen Druckleitung 11 und Druckkanal 8 hergestellt
ist. Mit Bezugszeichen 13a ist eine das Hubventil 13 entgegen
der Öffnungsrichtung
belastende Schließfeder
bezeichnet.
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Das
Kraftaufbringelement 2 ist in der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsvariante durch
einen zwischen dem Nocken 14, der Nockenwelle 15 und
dem Hubventil 13 angeordneten Tassenstößel gebildet. Es ist aber auch
möglich,
dass das Kraftaufbringelement 2 zwischen einem Nocken 14 und
einem Kipphebel positioniert ist. Weiters ist es denkbar, das Kraftaufbringelement 2 als
Teil eines Ventilhebellagerbockes zur Abstützung eines das Hubventil 13 betätigenden
Ventilhebels vorzusehen. Das Kraftaufbringelement 2 verändert in
diesem Falle den Auflagerungspunkt des Ventilhebels. Der Ventilhebel
kann ein Kipphebel oder Schlepphebel sein.
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In 1 ist
das Kraftaufbringelement 2 deaktiviert, das heißt, dass
kein hydraulischer Hub Δh
des Hubventils 13 entsteht. Bei deaktiviertem Kraftaufbringelement 2 erfolgt
die Hubbewegung des Hubventils 13 nur auf mechanischem
Wege durch den Nocken 14.
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In 2 dagegen
ist das Kraftaufbringelement 2 aktiviert, das heißt, dass
der Druckraum 7 mit Hochdruck pH beaufschlagt
wird. Dies bewirkt, das der Druck kolben 6 in Öffnungsrichtung
verschoben wird und gegen das Hubventil 13 drückt. Dies
bewirkt einen hydraulisch hervorgerufenen Hub Δh des Hubventils 13.
Der hydraulische Hub Δh
kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt während eines Arbeitsspieles erfolgen,
wie in den 5 bis 7 angedeutet
ist. 5 zeigt beispielsweise eine Aktivierung der Kraftaufbringeinrichtung 2 parallel
zum mechanischen Ventilhub H1. Das Hubventil 13 führt somit
einen um Δh
vergrößerten Hub
h durch. Zur Realisierung einer Aufsetzdämpfung für das Hubventil 13 ist
der Druckkolben 6 als Stufenkolben ausgebildet.
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In 6 wird
zusätzlich
durch das Kraftaufbringelement 2 ein nochmaliger Ventilhub
des H2 des Hubventils 13 bewirkt.
Die Form der Ventilerhebungskurve beim zweiten Ventilhub H2 ist dabei frei wählbar, wie durch die strichlierte
und strichpunktierte Linie angedeutet ist. Auch ein Vorhub H0 ist – beispielsweise
zur Verbesserung der Gemischaufbereitung – möglich.
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Mittels
der Kraftaufbringeinrichtung 2 kann innerhalb gewisser
Grenzen auch eine Verstellung der Steuerzeiten des hauptsächlich mechanisch
hervorgerufenen Ventilhubes H1 des Hubventils 13 erfolgen.
Durch gesteuerte Aktivierung des Kraftaufbringelementes 2 kann
sowohl der Ventilhub h als auch der Schließzeitpunkt oder auch der Öffnungszeitpunkt
des Hubventils 13 beeinflusst werden, wie aus der 7 hervorgeht.
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Zur
Ermöglichung
einer vom Kurbelwinkel unabhängigen
variablen Ventilbetätigung
unter Verwendung eines Kraftaufbringelementes 2 ist eine
externe Druckerzeugungseinrichtung 16 vorgesehen, welche
zumindest eine Hochdruckpumpe 17, einen Hochdruckspeicher 18,
ein Stellglied 19 und einen Druckregler 20 aufweist.
Vorteilhafterweise ist das Stellglied 19 als magnet- oder
piezobetätigtes 3/2-Ventil
ausgeführt,
mit welchem der Druckraum 7 wahlweise mit einem Hochdruckniveau
pH und einem Mitteldruckniveau pM verbindbar ist. Bei der in 3 dargestellten
Ausführungsvariante
wird das Hochdruckniveau pH, beispielsweise
250 bar, durch den Hochdruckspeicher 18 und die Hochdruckpumpe 17 erzeugt.
Das Mitteldruckniveau pM wird durch einen Mitteldruckbehälter 21 bereitgestellt,
welcher über ein
Entlastungsventil 22 mit dem Hochdruckspeicher 18 verbunden
ist. Ein weiteres Entlastungsventil 23 führt zurück zum Vorratsbehälter 25.
Die Entlastungsventile 22 und 23 sind Teil der
Druckregeleinrichtung 20. Mit 24 ist eine Vorpumpe
bezeichnet, welche das Arbeits- bzw. Steuermedium aus dem Vorratsbehälter 25 entnimmt
und der Hochdruckpumpe 17 zuführt.
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Um
Kavitationserscheinungen innerhalb des Kraftaufbringelementes 2 zu
vermeiden, ist der Druckraum 7 des Kraftaufbringelementes 2 über eine strichliert
dargestellte Ausgleichsleitung 26 mit dem Mitteldruckniveau
pM verbunden. In der Ausgleichsleitung 26 befindet
sich ein in Richtung des Druckraumes 7 öffnendes Rückschlagventil 27.
Durch diese Ausgleichsleitung 26 wird verhindert, dass
der Druck im Druckkanal 8 und dem Druckraum 7 bei
bestimmten Betriebsstellungen des Hubventils 13 unterhalb eines
vordefinierten Grenzwertes sinkt.
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Bei
der in der 4 dargestellten Ausführung wird
das Mitteldruckniveau pM durch eine eigene Mitteldruckpumpe 28 erzeugt,
welche stromaufwärts der
Vorpumpe 24 angeordnet ist.
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Die
externe Druckerzeugungseinrichtung 16 kann Teil eines bereits
im Fahrzeug zu anderen Zwecken vorhandenen Subsystems sein, beispielsweise des
Kraftstoffeinspritzsystems (Speichereinspritzsystems), eines hydraulischen
Getriebes, einer hydraulischen Bremseinrichtung, eines Kühlkreislaufes
oder dergleichen. Mit dem beschriebenen variablen Ventiltrieb 1 ist
auf sehr einfache Weise eine von der Kurbelwellenstellung unabhängige Beeinflussung
des Ventilhubes h und der Steuerzeit von Hubventilen 13 realisierbar.