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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf veränderliche
Ventilbetätigungsvorrichtungen
zur Verwendung mit Brennkraftmaschinen. Insbesondere betrifft diese
Erfindung eine neuartige Architektur für eine Hubplattenanordnung,
die in der veränderlichen
Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine mit einer oben gelagerten
Nockenwelle verwendet wird.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Herkömmlicherweise
umfassen Ventilzüge von
Brennkraftmaschinen Tellerventile, die in Richtung auf eine Schließstellung
federbelastet sind. Die Tellerfedern werden von einer Hubplatte
oder einem Hubstößel, der
jedem Tellerventil zugeordnet ist, und einem oben angeordneten Nockenwellenmechanismus
oder einem Nockenwellen- und Stößelmechanismus
in Öffnungsrichtung
vorgespannt. In jedem Fall ist die Nockenwelle mit der Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine verbunden und dreht sich synchron mit dieser,
um jedes Ventil in vorgegebenen Intervallen zu öffnen und zu schließen, wie
sie durch die Position der Nocken an der Nockenwelle definiert sind.
Die Sequenz und die Hubstrecke jedes Ventils ist daher durch die
vorgegebene Beziehung zwischen der Hubplatte und den Nocken an der
Nockenwelle festgelegt.
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Derartige
Direktantriebe legen die Ventilbetätigung fest und engen daher
das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine ein, da die ideale
Ventilsteuerung über
dem gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine veränderlich – und nicht
festliegend – ist.
Es wäre
daher wünschenswert,
eine veränderliche
Antriebsanordnung vorzusehen, bei der die Ventilbetätigung nicht
festliegt, sondern unabhängig
bezüglich
jedes Ventils veränderlich
ist. Mit anderen Worten könnte
dann die Ventilhubstrecke und die Zeitsteuerung unabhängig für jedes
Ventil geändert werden.
Diese Faktoren können
geändert
werden, um das „Atmen" der Brennkraftmaschine
zu verbessern und dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen, den Kraftstoffverbrauch
zu senken oder Schadstoffemissionen zu verringern.
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GB-A-2327711
offenbart eine bekannte veränderliche
Ventilbetätigungsanlage
zum Betätigen eines
Ventils in Zusammenwirkung mit einem Nocken einer Nockenwelle, mit
einem Becherstößel.
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Was
somit erforderlich ist, ist ein veränderliches Ventilbetätigungssystem,
das innerhalb einer Brennkraftmaschine kompakt baut und eine unabhängige Änderung
der Zeitsteuerung jedes Ventils ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen eine veränderliche Ventilbetätigungseinrichtung
(VVA = Variable Valve Actuation) zum Betätigen eines Ventils in Zusammenwirkung
mit einem Nocken einer Nockenwelle, welche variable Ventilbetätigungseinrichtung
aufweist: einen Becherstößel mit einer
Hubplatte, die die Form einer im wesentlichen ebenen Platte hat,
welche mit dem Ventil gelenkig verbunden ist, wobei die Hubplatte
einen mit dem Nocken auf einer Nockenwellenseite der Hubplatte in Eingriff
stehenden mittleren Abschnitt hat, der mittlere Abschnitt mit dem
Ventil auf einer Ventilseite der Hubplatte um einen Schwenkpunkt
schwenkbar verbunden ist, die Hubplatte mindestens einen zu dem Schwenkpunkt
beabstandeten Endabschnitt hat; und Schwenkmittel, die mit mindestens
einem der Endabschnitte an dem Ventil der Hubplatte in Eingriff stehen,
um die Hubplatte in eine Richtung für einen voreilenden Eingriff
mit dem Nocken und in eine entgegengesetzte Richtung für einen
nacheilenden Eingriff mit dem Nocken zu verschwenken. Das VVA-System
kann in Verbindung mit einer oben gelagerten Nockenwelle, die mit
einer Reihe von Nocken versehen ist, und einem Ventil verwendet
werden, das in einem Schaftende endet und zwischen einer Öffnungs-
und Schließstellung
längs seiner
eigenen Längsachse
bewegbar ist, wobei das Ventil in Richtung der Schließstellung
vorgespannt ist und die Hubplatte an dem Schaftende des Ventils
auf einer Ventilseite der Hubplatte eingreift. Die Hubplatte ist durch
Drehen des Nockens der Nockenwelle translationsförmig bewegbar, um das Ventil
auf seiner Längsachse
in Richtung der Öffnungsstellung
zu bewegen. Die Schwenkmittel schwenken die Hubplatte in Richtung
auf den Nocken zwecks voreilenden Eingriff mit diesem und schwenkt
die Hubplatte weg vom Nocken für
einen nacheilenden Eingriff mit diesem. Der voreilende Eingriff
bewirkt, dass das Ventil vorzeitig öffnet, und der nacheilende
Eingriff bewirkt, dass das Ventil verzögert öffnet.
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Das
VVA-System ist in der Lage, sowohl die Zeitsteuerung des Ventilöffnens und
-schließens
wie auch die Öffnungsdauer
des Ventils zu ändern.
Außerdem
baut das VVA-System kompakt, wenn nicht symmetrisch, um einen Ventilschaft
eines Ventils.
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Dies
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile dieser Erfindung werden
noch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den
anschließenden
Ansprüchen
und den beigefügten Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische
Teilexplosionsdarstellung eines Becherstößels und eines Ventils eines
veränderlichen
Ventilbetätigungssystems für eine Brennkraftmaschine
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist eine Teilschnittansicht
eines veränderlichen
Ventilbetätigungssystems
der 1;
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3 ist eine Teilschnittansicht
eines anderen veränderlichen
Ventilbetätigungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 ist eine Draufsicht auf
das veränderliche
Ventilbetätigungssystem
der 3, ohne dessen Nockenwelle
zu zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Allgemein
gesprochen, ist ein veränderliches Ventilbetätigungssystem
vorgesehen, um die Zeitsteuerung und den Hub der Einlass- und Auslassventile
einer Brennkraftmaschine zu ändern.
Veränderliche
Ventilbetätigungsstrategien
und zugehörige Hardware
wie hydraulische Aktoren und Elektromagnete sind hochentwickelt
und im Stand der Technik bekannt und werden daher hier nicht diskutiert
bzw. wiedergegeben. Die vorliegende Erfindung schafft indessen eine
neue Architektur zwecks Einbau zwischen einer oben gelagerten Nockenwelle
und einem Ventil und bildet den Fokus dieser Beschreibung. Außerdem kann
der Ausdruck „Ventilhubglied" als Synonym mit „Schwenkarm" oder „Stößel" angesehen werden.
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Es
wird nun speziell auf die Figuren Bezug genommen. In 1 ist ein Abschnitt eines
veränderlichen
Ventilbetätigungssystems 10 (VVA-System)
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung dargestellt; es umfasst ein Ventil 30,
das in einen Becherstößel 40 eingesetzt ist.
Der Becherstößel 40 umfasst
eine Hubplatte 41, die an einem Becher 45 durch
Schwenkstifte 42 auf gegenüberliegenden Seiten des Bechers 45 angelenkt
ist. Zwei gegenüberliegende
hydraulische Aktoren 70 sind innerhalb des Bechers 45 bewegbar
angeordnet, um die Hubplatte 41 um die Schwenkstifte 47 zu
verschwenken. Schließlich
erstreckt sich ein Ventil 30 nach oben durch den Becher 45 und
endet in einem Schaftende 34, das gegen die Unterseite der
Hubplatte 41 von einer Feder (nicht gezeigt) vorgespannt
wird.
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Es
wird nun auf 2 Bezug
genommen. Das VVA-System 10 umfasst eine Nockenwelle 20 mit
einem oder mehreren Nocken 22 zum Steuern des Ventils 30 über den
dazwischengeschalteten Becherstößel 40.
Der Becherstößel 40 ist
innerhalb einer Stößelbohrung 60 eines
Zylinderkopfes 12 beweglich angeordnet. Die Hubplatte 41 ist
auf den Schwenkstiften 42 schwenkbar, welche parallel zur Drehachse
der Nockenwelle 20 verlaufen. Ein Teller 32 des
Ventils 30 liegt an einem Ventilsitz 40 eines Zylinderkopfes 12 an
und dient dazu, eine Öffnung
im Zylinderkopf 12 zu öffnen
und zu schließen,
um zu ermöglichen,
dass Kraftstoff und Luft durch den Zylinderkopf 12 strömt, bzw.
um zu ermöglichen,
dass verbrauchte Verbrennungsprodukte aus dem Zylinderkopf 12 ausströmen. Das
Ventil 30 wird in Richtung auf seine Schließstellung
in konstanten Kontakt mit dem Nocken 22 durch eine Ventilfeder 38 und
eine Stößelfeder 60 elastisch
vorgespannt.
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Die
Hubplatte 41 hat einen mittleren Abschnitt 44,
der an dem Nocken 22 der Nockenwelle 20 auf der
Nockenwellenseite 46 der Hubplatte 41 angreift.
Der mittlere Abschnitt 44 ist ferner mit einem Schaftende 34 eines
Ventilschaftes 36 des Ventils 30 durch den Schwenkstift 42 schwenkbar
verbunden, und zwar auf der Ventilseite 48 der Hubplatte 41.
Die Hubplatte 41 umfasst ferner einen Endabschnitt 50 zu
beiden Seiten des mittleren Abschnittes 44, um an hydraulischen
Aktoren 70 auf der Ventilseite 48 der Hubplatte 41 anzugreifen.
Jeder hydraulische Aktor 70 umfasst eine Feder 72 zum
Vorspannen der Hubplatte 41 zu einer Basisli nienposition.
Es wird vorausgesetzt, dass jede andere vernünftige Anordnung zwecks Eingriffs
der hydraulischen Aktoren 70 mit den Endabschnitten 50 der
Hubplatte 41 stattdessen verwendet werden könnte. Ein
Elektromagnet 80 steuert den Strom von Hydraulikflüssigkeit,
und zwar Motorschmieröl,
zu jedem hydraulischen Aktor 70 durch Ölkanäle 82 im Zylinderkopf 12,
wie im Stand der Technik bekannt ist. Die Elektromagnete 80 ihrerseits
werden von einem elektronischen Betriebssteuergerät (nicht
gezeigt) der Brennkraftmaschine gesteuert, um den zeitlichen Verlauf
und die Menge des den hydraulischen Aktoren 70 zugeführten Öls zu steuern.
Stattdessen könnten
andere Hubplatten verwendet werden, welche vorgegebene Konturen
auf der Nockenwellenseite 46 der Hubplatte 41 für eine veränderliche
Ventilsteuerung und -betätigung
haben.
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Im
Betrieb ist das VVA-System 10 in der Lage, die Ventilseiten
bzw. Öffnungsdauer
nach früh oder
nach spät
zu verstellen. Das Ventil 30 wird auf seiner Längsachse
längs seines
Schaftes 36 durch die Drehbewegung der Nockenwelle 20 hin-
und herbewegt, welcher durch einen Ketten- oder Riementrieb von
der Nockenwelle der Brennkraftmaschine in bekannter Weise (durch
nicht gezeigte Elemente) gedreht wird. Der Nocken 22 der
Nockenwelle 20 rotiert somit und wirkt auf die Hubplatte 41 in
Abwärtsrichtung.
Wenn die Hubplatte 41 ihre Basislinienposition einnimmt, öffnet und
schließt
das Ventil 30 „zeitgerecht". Die Basislinienposition
des VVA-Systems ist die Position, in der die Hubplatte 41 horizontal
und senkrecht zur Achse des Ventilschaftes 36 angeordnet
ist. Wie gezeigt, wird die Hubplatte 41 von dem hydraulischen
Aktor 70 in eine voreilende Position angehoben, so dass
das Ventil 30 „früh" öffnet und schließt. Demgemäss ist der
Nocken 22 mit fest ausgezogenen Linien dargestellt, wobei
er entgegen dem Urzeigersinn rotiert und anfangs an der Hubplatte 41 in
der Voreilposition angreift. Zusätzlich
ist der Nocken 22 in strichpunktierten Linien dargestellt,
wobei er in der Ventilöffnungsposition
wäre, und
der Teller 32 des Ventils 30 ist ebenfalls strichpunktiert
in der Ventilöffnungsstellung
gezeigt. Alternativ hierzu kann die Hubplatte 41 in eine
Nacheilposition von dem anderen hydraulischen Aktor 70 geschwenkt
werden, so dass das Ventil 30 „spät" öffnet
und schließt.
Es wird davon ausgegangen, dass die hydraulischen Aktoren 70 die
Hubplatte 41 um mindestens +/–10° schwenken kön nen. Auf diese Weise kann
der Öffnungsvorgang
des Ventils 30 geregelt und seine Öffnungsdauer geändert werden,
wie dies erforderlich bzw. wünschenswert
ist, um die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Die 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel
eines veränderlichen
Ventilbetätigungssystems 210,
bei dem ein Becherstößel 240 zwischen
der Nockenwelle 20 und dem Ventil 230 angeordnet
ist. Wie den 3 und 4 zu entnehmen ist, umfasst
der Becherstößel 240 eine
Hubplatte 241 mit einem Gelenk-Endabschnitt 252, der an einem
Becher 245 durch einen Schwenkstift 242 auf einer
Seite des Bechers 245 angelenkt ist. Der Nocken 22 der
Nockenwelle 20 greift ständig an der Nockenwellenseite 246 der
Hubplatte 241 an. Ein mittlerer Abschnitt 244 der Hubplatte 241 greift
ständig
an einem Schaftende 234 des Ventils 230 auf der
Ventilseite 248 der Hubplatte 241 an.
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Ein
hydraulischer Aktor 270 ist in den Becher 245 auf
dessen rechter Seite integriert. Der hydraulische Aktor 270 wirkt
auf einen Aktor-Endabschnitt 250 der Hubplatte 241 auf
der Ventilseite 248 der Hubplatte 241. Wie zuvor,
steuert ein Elektromagnet 80 den Betrieb des hydraulischen
Aktors 270 in Abhängigkeit
von Befehlssignalen eines elektronischen Betriebssteuergerätes (nicht
gezeigt) der Brennkraftmaschine. Schließlich spannt eine Becherfeder 260 wie
bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
den Becherstößel 240 in
konstanten Kontakt mit der Nockenwelle 20. In der gleichen
Weise spannt eine Ventilfeder 238 das Ventil 230 in
konstanten Kontakt mit dem Becherstößel 240 vor.
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Die
Funktionsweise des Becherstößels 240 entspricht
somit derjenigen der 1.
Wenn die Hubplatte 241 ihre Basislinienposition einnimmt, öffnet und
schließt
das Ventil 230 „zeitgerecht". Die Basislinienposition
des VVA-Systems ist die Position, in der die Hubplatte 241 horizontal
und senkrecht zur Längsachse
eines Ventilschaftes 236 verläuft. Wie dargestellt, wird
die Hubplatte 241 von dem hydraulischen Aktor 270 in
eine Voreilposition angehoben, so dass das Ventil 230 „früh" öffnet und schließt. Demgemäss ist der
Nocken 22 mit fest ausgezogenen Linien dargestellt, wobei
er im Uhrzeigersinn rotiert und anfangs an der Hubplatte 241 in
der Voreilposition angreift. Außerdem
ist der Nocken 22 mit strichpunktierten Linien dargestellt,
wobei er in der Ventilöffnungsposition
wäre, und
in der glei chen Weise ist der Teller 232 des Ventils 230 strichpunktiert
in der Ventilöffnungsposition
dargestellt. Alternativ hierzu kann die Hubplatte 241 in
eine Nacheilposition durch Deaktivieren des hydraulischen Aktors 270 geschwenkt
werden, so dass der Aktor-Endabschnitt 250 der Hubplatte 241 unter
Niveau abfällt.
Somit würde
der Nocken 22 nicht an dem Aktor-Endabschnitt 250 der
Hubplatte 241 angreifen; vielmehr würde er an der Hubplatte 241 irgendwo
am mittleren Abschnitt 244 desselben angreifen, um das
Ventil 230 „spät" zu öffnen und
zu schließen.
Es wird davon ausgegangen, dass der hydraulische Aktor 270 in
der Lage ist, die Hubplatte 241 um mindestens +/–10° zu verschwenken.
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Aus
dem oben Stehenden ist ersichtlich, dass ein bedeutender Vorteil
der vorliegenden Erfindung darin besteht, dass das veränderliche
Ventilbetätigungssystem
um ein Ventil kompakt baut und in der Lage ist, jedes Ventil innerhalb
einer Brennkraftmaschine unabhängig
zu betätigen,
um für
eine Früh- bzw.
Spätverstellung
und veränderte
Ventilöffnungdauer
zu sorgen.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, versteht es sich, dass auch andere Ausführungsformen
vom Fachmann in Betracht gezogen werden. Beispielsweise könnte die
vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, das Ventil von der
Nockenwelle während
zumindest eines Teils des Motorzyklus zu lösen, indem die Hubplatte außer Eingriff
mit dem Nocken abgesenkt wird. Außerdem könnte ein Elektromagnet dazu
verwendet werden, mehrere oder alle Hubplatten einer einzigen Brennkraftmaschine
zu steuern. Demgemäss
wird der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung lediglich durch
die folgenden Ansprüche
begrenzt.