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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur variablen Betätigung
der Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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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.
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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.
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In der
DE 101 00 173 wird ein voll variabler Ventiltrieb
beschrieben mit einem Antriebsmittel, beispielsweise einem Nocken,
einem zwischen dem Antriebsmittel und dem Gaswechselventil angeordneten Zwischenglied,
das indirekt auf das Gaswechselventil einwirkt und der Ventilhub über die
Verstellung eines verstellbaren Führungselementes veränderbar ist.
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Es sind weitere Vorrichtungen der
gattungsgemäßen Art
bekannt geworden, bei welchen der Drehmittelpunkt der vom Nocken
angetriebenen Zwischenglieder auf einer Kreisbahn verstellt werden soll
(OS 195 32 334 A1 ;
EP
0717 174 A1 ; Delta2Patent). Diese Vorveröffentlichungen
enthalten jedoch keine Lehre zur konstruktiven Realisierung einer
derartigen Verstellung.
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Der Vorrichtung nach dem Stand der
Technik haften allerdings noch einige Nachteile an. Allen bekannten
Vorrichtungen ist der Nachteil gemeinsam, dass toleranzbedingt die
Ventilhübe
für die
einzelnen Zylinder relativ immer unterschiedlicher ausfallen, je weiter
diese zum Zwecke einer Laststeuerung herabgesetzt werden. Weiterhin
kann der Ventilhub der Gaswechselventile des gleichen Zylinders
nicht unabhängig
verändert
werden. Ein vollständiges
Abschalten, das heißt
ständiges
Geschlossenhalten von Gaswechselventilen sowie die Möglichkeit
einer Zylinderabschaltung durch vollständiges Abschalten aller Ein- oder/und Auslassventile
einzelner Zylinder, ist weiterhin nicht vorbekannt. Ein weiterer
Nachteil ergibt sich daraus, dass die Verstellung der Ventilhubkurve
während
des Ventilhubes zumindest einzelner Gaswechselventile erfolgt. Hierdurch
ist eine hohe Verstellkraft bzw. ein hohes Verstellmoment mit hoher
Verstellleistung erforderlich.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, welche
die Nachteile nach dem Stand der Technik vermeidet und zusätzliche
Variabilitäten
für mechanisch
voll variable Ventilsteuerungen bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen der Ansprüche
1 oder 2 gelöst.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis
10 beschrieben. Die Ansprüche
11 und 12 beschreiben Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Verlagerung von Getriebegliedern, welche die Veränderung
der Ventilhubkurve bewirken, wird in separaten Einheiten für jedes
Gaswechselventil oder in separaten Einheiten für mehrere jeweils benachbarte
Gaswechselventile durchgeführt,
wobei diese Einheiten zumindest zeitweise unabhängig voneinander verstellt
werden.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die Lage des veränderbaren
Getriebegliedes entlang der Verstellkurve vorzugsweise durch die direkte
oder indirekte Anlage an einer oder mehreren Kurvenscheiben festgelegt,
die drehfest verbunden auf einer oder mehreren Verstellwellen angebracht sind.
In einer weiteren Ausführungsform
sind die Kurvenscheiben an einer axial verschiebbaren Verstellachse
angebracht. Die Verstellwelle bzw. die Verstellachse kann ihrerseits über ein
geeignetes Getriebe bzw. ein Verbindungselement von einem Verstellmotor
verdreht bzw. verschoben werden. Selbstverständlich kann die Verstellung
auch durch Hydraulikelemente erfolgen. Im Falle einer Führung der
Einheiten durch einen linear verstellbaren Schieber kann die Verstellung
vom Verstellmotor aus auch direkt über eine mit Bewegungsgewinde
versehene Spindel erfolgen.
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Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass
die Zwischenglieder bzw. deren Nockenrollen durch besondere Federn
mit den Nocken in Kontakt gehalten werden müssen. Dies wird anhand der
Situation bei Nullhub, die bei Zylinderabschaltung vorliegt, unmittelbar
einsichtig.
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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 eine Führung
der Einheiten 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
in einer gemeinsamen Einheit gelagert sein können.
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Es ist weiter möglich, die Verlagerung von Getriebegliedern,
welche die Veränderung
der Ventilhubkurve bewirkt, größeren Zahl
parallel liegender Ventile gemeinsam durch einen Verstellmotor bzw. Mechanismus
zu verstellen, insbesondere dann, wenn diese in einer gemeinsamen
Einheit gelagert sind.
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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.
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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.
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In einer Variante der erfindungsgemäßen Ausführung wird
die Verlagerung von Getriebegliedern, welche die Veränderung
der Ventilhubkurve bewirkt, mittels einer gemeinsamen, drehbaren
Verstellwelle mit Kurvenscheiben ausgeführt. Dies bietet bei einer
weitgehend unabhängigen
Verstellung aller oder zumindest mehrerer Ein-, bzw. Auslassventile die
Möglichkeit,
mittels dieser durchgehenden Verstellwelle ausgewählte Ventile
abzuschalten, also nicht mehr zu öffnen oder zumindest einen
kleineren Ventilhub einzustellen. Hierzu werden Abschnitte der beschriebenen
Kurvenscheiben der Verstellwelle bei den nicht abzuschaltenden Ventilen
als Rast ausgebildet. Der Rastbereich ist eine Kontur, welche aus
einem zur Drehmitte der Verstellwelle konzentrischen Kreisbogen gebildet
wird. Bei Verdrehung der Verstellwelle wird der Ventilhub der von
den Kurvenscheiben mit Rast gesteuerten Verlagerungseinheiten innerhalb
des Wirkungsbereiches der Rast nicht verändert, während der Ventilhub der von
den Kurvenscheiben ohne Rast gesteuerten Verlagerungseinheiten verändert wird.
Diese Veränderung
kann bis zum vollständigen
Geschlossenhalten des Ventils oder der Ventile ausgeführt werden.
Werden alle Einlassventile oder/und Auslassventile des gleichen
Zylinders auf diese Weise angesteuert, wird der Ladungswechsel für ausgewählte Zylinder
ausgesetzt. Selbstverständlich
wird durch Verwendung eines gerade geführten Ziehkeils mit entsprechender
Nockenkontur die gleiche Funktion erreicht. Der Rastbereich ist
dann eine Kontur, welche aus einem zur Schieberichtung des Ziehkeils
Parallelen gebildet wird.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen einiger
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt
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1 die
in den Kraftfluss von der Nockenwelle zum Ventil eingeschalteten,
beweglichen Teile der gattungsbildenden Vorrichtung
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2 einen
Querschnitt unter Verwendung der in 1 dargestellten
Teile mit Pendelstütze
und Verstellwelle
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3 einen
Querschnitt durch die Vorrichtung mit Schieber, Verstellwelle und
Verstellmotor
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4 eine
perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Schieber und
Verstellwellen bei einem 4-Zylinder-Reihenmotor
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5 schematisch
das Zusammenwirken von Motormanagement, Gaspedal, Drehwinkelgeber, Verstellmotoren
und Batterie
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6 eine
schematische Darstellung einer durchgehenden Verstellwelle sowie
jeweils einen Schnitt durch eine von zwei Kurvenscheiben für die Positionierung
der Verlagerungseinheit eines Zylinders.
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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.
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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 Pfeil 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.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Benutzung eines
Schiebers 34, der separat für jedes Ventil oder jedes Ventilpaar
eingesetzt werden kann. Auf Grund der separaten Anwendung für einzelne
Ventile ergeben sich die längstmöglichen
Ruhephasen bzw. gemeinsamen Ruhephasen, sodass eine Verstellung nur
während
der Ruhephasen leicht möglich
ist. Für die
erfindungsgemäße Regelung
der einzelnen Zylinder ist die separate Anordnung sogar notwendig.
Der Bolzen 6 wird bei dieser Ausführungsform durch den Schieber 34 formschlüssig im
Gehäuse
geführt,
sodass seine Achse 7 entlang der Verstellkurve 35,
einer Geraden, geführt
wird. Diese Gerade nähert
sich als Tangente einem Kreisbogen um die Achse 9 der Rolle 10 des
ruhenden Abtriebsgliedes 11 nur mehr oder weniger gut an.
In der Fig. ist die Abweichung übertrieben
dargestellt. Dreht sich nun die vom Verstellmotor 23 angetriebene
Gewindespindel 36 und verschiebt die Zahnstange 37 um
den durch den Pfeil 38a dargestellten Betrag, so dreht
sich die Verstellwelle 17 und die Kurvenscheibe 18 entsprechend dem
Pfeil 38b und Schieber 34 samt Bolzen 6 verschieben
sich um den Betrag 38c. Auf Grund der Abweichung der geraden
Verstellkurve 35 von der Kreisbogenform muss das Spielausgleichselement 31 um
einen bestimmten Betrag einsinken, der durch den Pfeil 38d dargestellt
ist.
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4 zeigt
eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unter Benutzung eines Schiebers 34, der separat für jedes
Ventilpaar eines Zylinders eingesetzt wird. Der Bolzen 6 wird
bei dieser Ausführungsform
durch den Schieber 34 formschlüssig in dem nicht dargestellten
Ventiltriebgehäuse
geführt,
sodass seine Achse 7 entlang der Verstellkurve 35,
einer Geraden, geführt
wird. Diese Gerade nähert
sich einem Kreisbogen um die Achse 9 der Rolle 10 des
ruhenden Abtriebsgliedes 11 nur mehr oder weniger gut an.
Auf Grund der Abweichung der geraden Verstellkurve 35 von
der Kreisbogenform muss das Spielausgleichselement 31 einen
bestimmten Betrag ausgleichen. Eine Verstellung der Achse 7 auf
der Verstellkurve 35 erfolgt durch eine Verdrehung der
Kurvenscheibe 18 bzw. der Verstellwelle 17. In
der Figur ist gezeigt, dass bei jedem Zylinder ein Ventilpaar mittels
eines Nockens 2 und eines Zwischengliedes 4, welches
in einem Schieber 34 auf einem Bolzen 6 gelagert
ist, dessen Lage im Ventiltriebsgehäuse entlang einer Verstell kurve 35 formschlüssig geführt und
mittels einer Verstellwelle 17 über Kurvenscheiben 18 positioniert
ist, betätigt
wird. Dreht sich nun die Verstellwelle 17 eines Zylinders,
so ändert
sich die Position des Schiebers 34 dieses Zylinders und
damit die Ventilhubkurve beider Ventile dieses Zylinders. Die Verhältnisse bei
den anderen Zylindern ändern
sich nicht. Auch hier könnte,
wie später
in 6 gezeigt, eine gemeinsame
Verstellwelle die Verlagerungseinheiten einer Zylindergruppe oder
eines Zylinderkopfes positionieren.
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5 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.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung einer durchgehenden Verstellwelle 45 eines
6-Zylinder-Reihenmotors, sowie jeweils einen Schnitt durch eine
von zwei Kurvenscheiben für
die Positionierung der Verlagerungseinheit eines Zylinders. Die
Verstellwelle trägt
Kurvenscheiben 46, 47 zur Positionierung der Verlagerungseinheiten
für die
sechs Zylinder. Die Kurvenscheiben 46 für die Zylinder #1, #4 und #5,
sowie die Kurvenscheiben 47 für die Zylinder #2, #3 und #6 sind
jeweils gleich. AA zeigt einen Querschnitt durch die Kurvenscheiben 46,BB
zeigt einen Querschnitt durch die Kurvenscheiben 47. Der
Sektor R der Kurvenscheibe 47 ist durch einen
zur Drehmitte 48 der Verstellwelle 45 konzentrischen
Kreisbogen 49 ausgebildet, während in dem entsprechenden Sektor
der Kurvenscheibe 46 die Verstellnockenkurve kontinuierlich
zu kleinerem Abstand zur Drehmitte 48 führt. Durch eine derartige Gestaltung
der Kurvenscheiben 46 und 47 wird erreicht, dass
bei Verdrehung der Verstellwelle 45 um deren Drehmitte 48 die Verlagerungseinheiten
für die
Ventile der Zylinder #1, #4 und #5 im
Wirkbereich des Sektors R weiter verlagert werden, während die
Verlagerungseinheiten für die
Ventile der Zylinder #2, #3 und #6 in
Ruhe bleiben. Durch eine entsprechende Auslegung des Ventilgetriebes
kann auf diese Weise beispielsweise erreicht werden, dass die Ventile
der Zylinder #1, #4 und #5 im anschließenden Wirkbereich
des Sektors N ständig
geschlossen bleiben, während
die Ventile der Zylinder #2, #3 und #6 noch
einen Hub ausführen.
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Bezugszeichenliste
- 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
- 31
- Spielausgleichselement
- 34
- Schieber
- 35
- Verstellkurve
- 36
- Gewindespindel
- 37
- Zahnstange
- 38a
- Pfeil
- 38b
- Pfeil
- 38c
- Betrag
- 38d
- Pfeil
- 40
- Fahrpedal
- 42
- Drehwinkelsensor
- 43
- Drehwinkelsensor
- 44
- Motormanagement
- 45
- Verstellwelle
- 46
- Kurvenscheibe
- 47
- Kurvenscheibe
- 48
- Drehmitte
- #
1
- Zylinder
- #
2
- Zylinder
- #
3
- Zylinder
- #
4
- Zylinder
- #
5
- Zylinder
- #
6
- Zylinder
- R
- Sektor
- N
- Sektor