EP1443184A1 - Variabler nockenwellentrieb - Google Patents

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EP1443184A1
EP1443184A1 EP03100179A EP03100179A EP1443184A1 EP 1443184 A1 EP1443184 A1 EP 1443184A1 EP 03100179 A EP03100179 A EP 03100179A EP 03100179 A EP03100179 A EP 03100179A EP 1443184 A1 EP1443184 A1 EP 1443184A1
Authority
EP
European Patent Office
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camshaft
crankshaft
coupled
drive
internal combustion
Prior art date
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EP03100179A
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English (en)
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EP1443184B1 (de
Inventor
Torsten Kluge
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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Priority to EP03100179A priority patent/EP1443184B1/de
Priority to JP2004019625A priority patent/JP2004340125A/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/34409—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear by torque-responsive means

Definitions

  • the invention relates to a variable camshaft drive for an internal combustion engine, which is coupled to the crankshaft of the internal combustion engine Drive element and at least one camshaft coupled to the drive element for controlling the valves of the internal combustion engine. Furthermore concerns the invention a method for variable control of the valve opening times an internal combustion engine, the valves being actuated by a camshaft, which is driven in rotation by the crankshaft of the internal combustion engine.
  • Camshaft drives are used to control the intake and exhaust valves of an internal combustion engine to open and close according to the rotation of the crankshaft, to suck in combustion air and exhaust gases Taxes.
  • variable camshaft drives In which the opening and closing times of the valves - as well as the valve lift if necessary - have it changed relative to a basic setting. Typically this is achieved by mechanisms that have a limited phase shift allow between the rotations of the crankshaft and the camshaft.
  • the Such a variable camshaft is usually adjusted proportionally elaborate actuators that are active, d. H. with external energy, be operated.
  • variable camshaft drive for an internal combustion engine contains a drive element coupled to the crankshaft of the internal combustion engine and at least one camshaft coupled to this drive element to control the valves of the internal combustion engine.
  • the drive element can For example, a gearwheel sitting on the crankshaft, which over a V-belt or toothed belt, a link chain, or with other gears the camshaft is coupled.
  • the camshaft drive is characterized by that the drive element and the camshaft (among other things) via a passive mechanical coupling member are interconnected such that the Camshaft can oscillate rotationally relative to the crankshaft.
  • camshaft drives see the most inflexible coupling between the crankshaft and the camshaft driven thereby, in which the Camshaft only within the inevitable tolerance limits of the mechanisms and materials can change their position relative to the crankshaft, whereby this position variability is generally well below ⁇ 1 ° of the camshaft angle lies.
  • the camshaft drive according to the invention targeted a "soft" coupling link in the power transmission chain between the crankshaft or drive element and camshaft inserted, which is a significant rotary relative rotation (typically by ⁇ 1 ° to ⁇ 50 °) between Camshaft and crankshaft allowed.
  • variable camshaft controls Different from known variable camshaft controls is the relative adjustment between the camshaft and crankshaft not specified from outside and caused by active mechanisms, so that it remains unchanged without operating these mechanisms, but the relative rotation between the camshaft and crankshaft occurs solely on the basis of the passive mechanical properties of the intermediate Coupling member.
  • the input / output behavior of the coupling element can therefore take place virtually automatically Variation of the opening behavior of the camshaft take place, which leads to an improved Operation of the internal combustion engine leads.
  • one of the Speed of the crankshaft dependent relative oscillation between the camshaft and crankshaft which is a beneficial change (early adjustment and / or late adjustment) of the opening and closing times of the valves.
  • a variable camshaft drive can be very simple and therefore can be realized inexpensively and robustly.
  • At least the camshaft another passive mechanical coupling element coupled. hereby can have an additional influence on the movement of the camshaft in order to achieve desired behavior in this way.
  • the further Coupling member can in particular at the non-driven end of the camshaft be arranged to introduce a more even force into the camshaft cause.
  • a coupling member have at least one elasticity between its entrance and its output for the movements or forces to be coupled acts.
  • Such elasticity causes that when the output is held (or Input) of the coupling member against movement of the input (output) an increasing elastic restoring force is possible.
  • the Elasticity kinetic energy temporarily stored and thus at the entrance evenly supplied energy at the output released non-uniformly again become.
  • the coupling members can have at least one inert mass between them have their input and their output, which on the transmitted Movement takes part and influences this through its inertia.
  • the coupling elements can have at least one between their input and their output have acting viscosity, through which a transferred Movement under energy consumption is damped.
  • Components acting between the input and the output of a coupling element Components can also have linear or non-linear behavior. Such characteristics can be, for example, those described above Components (elasticity, inert mass, damping) can be achieved.
  • the mechanical parameters of the coupling member can be changed externally.
  • the characteristic of the coupling member, for example, by the engine control can be set so that a desired valve control is effected.
  • an actuator the position of the camshaft is actively influenced from outside
  • there is only a change in parameters from the outside while the System otherwise remains autonomous.
  • the camshaft drive preferably has (at least) two camshafts, which each have their own passive mechanical coupling links with the drive element the crankshaft are coupled.
  • the coupling members are advantageously interpreted differently, so that this is a different Show input / output behavior.
  • One of the camshafts can, for. B. with the input valves and the other camshaft with the output valves of the Internal combustion engine to be connected.
  • the opening behavior of these valves leaves then corresponding to the coupling members on the respective camshafts vary separately. For example, an early adjustment of the inlet valves take place with simultaneous late adjustment of the exhaust valves.
  • the invention further relates to a method for variable control of the valve opening times an internal combustion engine, the valves being driven by a camshaft are actuated, which in turn rotating by the crankshaft of the internal combustion engine is driven.
  • the method is characterized in that the crankshaft and the camshaft are passively coupled such that the camshaft oscillates rotationally relative to the crankshaft.
  • the rotary Oscillation of the camshaft relative to the crankshaft takes place depending on the speed. D. that is, the oscillation is dependent on its amplitude and / or phase position of the respective speed of the crankshaft. In this way - in particular at low engine speeds - a different opening behavior of the valves than can be achieved at higher engine speeds.
  • the camshaft drive includes a driven by the crankshaft 1 of the internal combustion engine (not shown) Drive element 2, which is z. B. a mounted on the crankshaft Gear can act.
  • the drive element 2 is via a toothed belt 3 coupled with a gear 4.
  • the gear 4 is in turn via a coupling member A coupled to the camshaft 5, the camshaft 5 being known Way eccentric cams 6 for moving the valves (not shown) the internal combustion engine.
  • a second camshaft 5 ' coupled to the gear 4 by cams 6 'via a further coupling member A'.
  • the first camshaft 5 can, for. B. the intake valves and the second camshaft 5 'control the exhaust valves.
  • the coupling member is A, A 'designed so that it is an "inflexible” or rigid or functional clear coupling between the gear 4 and the camshaft 5, 5 'causes.
  • the coupling member in the prior art can be simply as continuous solid shaft be formed. If necessary, in known Systems with variable camshaft control also from the outside controllable active actuators change the phase position between the Input and output of the coupling element are effected. Without active External intervention, however, this phase shift remains constant, so that at conventional camshaft drives a fixed functional relationship between the angle of the crankshaft and the resulting angle of Camshaft exists.
  • FIG. 2 schematically shows the relationship between the time profile of the crankshaft angle ⁇ K and the associated time profile of the camshaft angle ⁇ N.
  • the crankshaft angle ⁇ k is linear over time t. In the case of conventional camshaft drives, this would also result in a linear course of the camshaft angle ⁇ N , ie rotation of the camshaft at a constant speed.
  • the curves of the crankshaft angle ⁇ K and the camshaft angle ⁇ N would differ only in the slope (by a factor of 2) and in an offset due to a predetermined transmission ratio of the camshaft drive.
  • the ripple looks different at low speeds n I and high speeds n h .
  • the phase and amplitude of the rotational oscillation of the camshaft can be freely selected in a wide range by appropriately setting the parameters of the coupling element. In this way it can be achieved that the valves open at low speeds only for a short time and with a small overlap in order to bring about a low engine torque. At high speeds, however, longer opening times and / or a larger overlap of opening times of intake and exhaust valves can be created to provide the desired engine output.
  • Coupling members B, B 'pointed out which also to the camshaft 5, 5 '(but not in the power transmission path between crankshaft 1 and camshaft 5, 5 ') and due to its passive mechanical properties Influence on the movement behavior of the camshaft 5, 5 '.
  • the coupling links A and A '(also B and B') on the various camshafts 5, 5 ' can be designed differently in order to have a different speed-dependent Behavior associated valves to generate.
  • FIGS. 3 to 5 show different implementation options for the coupling elements shown, which can be combined with each other as desired.
  • an inertial mass M 1 is coupled to the gear 4.
  • the inertial mass M 1 is further coupled to the camshaft 5, 5 'via an elasticity C 1 (e.g. a torsion spring or a torsion bar).
  • the realization of the further coupling member B, B 'according to FIG. 5 consists of an elasticity C 3 (e.g. a torsion spring or a torsion bar) which connects the camshafts 5, 5' and an otherwise freely oscillating inertial mass M 3 .
  • C 3 e.g. a torsion spring or a torsion bar
  • the parameters of the coupling elements A, A ', B, B', ie in the examples of FIGS. 3 to 5 by specifying the masses M 1 , M 2 and M 3 and the elasticity constants of C 1 , C 2 , C 2 'and C 3 , the natural frequencies and the eigenvalue behavior of the rotatingly oscillating camshaft 5, 5' can be determined in a desired manner by the designer.
  • the coupling elements than shown in FIGS. 3 to 5 can also be provided, in particular the inclusion of dampers is possible.
  • the arrangement of the coupling elements A, A ', B, B' shown in FIG. 1 is only one of several possibilities.
  • camshaft drive can start from a basic length the valve opening changes when the engine is idling cause a maximum length at a nominal speed.
  • the coupling elements A, A ', B, B' can be both linear and non-linear Components (elasticities, dampers, etc.) included. Furthermore, these components be “active” or “passive”, with “passive” components by definition, do not change their parameters while the parameters are "more active” Components can be activated and / or changed from outside or inside. Examples of passive components are steel springs, air springs or rubber elements. Examples of active components are dampers with an electroactive Change in damping coefficient, air springs with variable pressure and Eddy current brakes.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellentrieb, bei dem die Kopplung zwischen einer Kurbelwelle (1) und mindestens einer Nockenwelle (5, 5') über ein passives mechanisches Kopplungsglied (A, A') erfolgt, welches eine rotatorische Oszillation der Nockenwelle (5, 5') relativ zur Kurbelwelle (1) erlaubt. Darüber hinaus können weitere Kopplungsglieder (B, B') mit der Nockenwelle (5, 5') verbunden sein. Bei entsprechender Auslegung der Parameter wie Elastizitäten, trägen Massen, Viskositäten der Kopplungsglieder (A, A', B, B') kann eine drehzahlabhängige Oszillation der Nockenwelle erzielt werden, die ohne externen Eingriff eine variable Ventilsteuerung zur Verbesserung des Motorverhaltens bewirkt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen variablen Nockenwellentrieb für eine Brennkraftmaschine, welcher ein mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppeltes Antriebselement und mindestens eine mit dem Antriebselement gekoppelte Nokkenwelle zur Steuerung der Ventile der Brennkraftmaschine aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur variablen Steuerung der Ventilöffnungszeiten einer Brennkraftmaschine, wobei die Ventile von einer Nockenwelle betätigt werden, die von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierend angetrieben wird.
Nockenwellentriebe dienen dazu, die Einlaß- und Auslaßventile einer Brennkraftmaschine entsprechend der Drehung der Kurbelwelle zu öffnen und zu schließen, um das Ansaugen von Verbrennungsluft sowie den Ausstoß von Abgasen zu steuern. Zur Optimierung der Motorleistung gemäß den jeweiligen Anforderungen ist der Einsatz sogenannter variabler Nockenwellentriebe bekannt, bei denen sich die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile - sowie gegebenenfalls auch der Ventilhub - relativ zu einer Basiseinstellung verändern lassen. Typischerweise wird dies durch Mechanismen erreicht, welche eine begrenzte Phasenverschiebung zwischen den Drehungen der Kurbelwelle und der Nockenwelle erlauben. Die Verstellung einer solchen variablen Nockenwelle erfolgt in der Regel über verhältnismäßig aufwändige Aktuatoren, die aktiv, d. h. unter Zufuhr externer Energie, betätigt werden.
Aus der DE 198 15 270 A1 ist ein Nockenwellentrieb bekannt, bei welchem an die Nockenwelle eine zusätzliche träge Masse sowie über ein viskoelastisches Element eine Schwungmasse angekoppelt sind. Diese passiven mechanischen Kopplungsglieder sollen Drehschwingungen der Nockenwelle zwecks Verlängerung der Lebensdauer dämpfen. Auf die Ventilöffnungszeiten nehmen die Kopplungsglieder keinen Einfluß.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen variablen Nockenwellentrieb bereitzustellen, welcher einen vereinfachten Aufbau und eine vereinfachte Steuerung besitzt.
Diese Aufgabe wird durch einen Nockenwellentrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur variablen Steuerung der Ventilöffnungszeiten einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Der erfindungsgemäße variable Nockenwellentrieb für eine Brennkraftmaschine enthält ein mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppeltes Antriebselement sowie mindestens eine mit diesem Antriebselement gekoppelte Nockenwelle zur Steuerung der Ventile der Brennkraftmaschine. Das Antriebselement kann dabei zum Beispiel ein auf der Kurbelwelle sitzendes Zahnrad sein, welches über einen Keil- oder Zahnriemen, eine Gliederkette, oder über weitere Zahnräder mit der Nockenwelle gekoppelt ist. Der Nockenwellentrieb ist dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement und die Nockenwelle (unter anderem) über ein passives mechanisches Kopplungsglied derart miteinander verbunden sind, daß die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle rotatorisch oszillieren kann.
Bekannte Nockenwellentriebe sehen eine möglichst inflexible Kopplung zwischen der Kurbelwelle und der hiervon angetriebenen Nockenwelle vor, bei welcher die Nockenwelle lediglich innerhalb unvermeidbarer Toleranzgrenzen der Mechanismen und Materialien ihre Position relativ zur Kurbelwelle verändern kann, wobei diese Positionsveränderlichkeit in der Regel deutlich unter ±1° des Nockenwellenwinkels liegt. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Nockenwellentrieb gezielt ein "weiches" Kopplungsglied in die Kraftübertragungskette zwischen Kurbelwelle bzw. Antriebselement und Nockenwelle eingeschoben, welches eine signifikante rotatorische Relativdrehung (typischerweise um ± 1 ° bis ± 50°) zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle erlaubt. Anders als bei bekannten variablen Nokkenwellensteuerungen wird dabei die Relativverstellung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle nicht von außen vorgegeben und durch aktive Mechanismen bewirkt, so daß diese ohne Betätigung dieser Mechanismen unverändert bleibt, sondern die Relativdrehung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle erfolgt allein aufgrund der passiven mechanischen Eigenschaften des zwischengeschalteten Kopplungsgliedes. Bei entsprechender Auslegung des Eingangs-/Ausgangsverhaltens des Kopplungsgliedes kann daher eine quasi von selbst stattfindende Variation des Öffnungsverhaltens der Nockenwelle erfolgen, die zu einem verbesserten Betrieb der Brennkraftmaschine führt. Insbesondere kann eine von der Drehzahl der Kurbelwelle abhängige relative Oszillation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle erfolgen, die eine vorteilhafte Veränderung (Frühverstellung und/oder Spätverstellung) der Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile bewirkt. Da hierfür keinerlei externe Steuerung und keine aktive Zufuhr von Energie erforderlich ist, kann ein derartiger variabler Nockenwellentrieb sehr einfach und damit kostengünstig sowie robust realisiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Nockenwellentriebs ist an die Nockenwelle mindestens ein weiteres passives mechanisches Kopplungsglied angekoppelt. Hierdurch kann zusätzlicher Einfluß auf die Bewegung der Nockenwelle genommen werden, um auf diese Weise ein gewünschtes Verhalten zu erzielen. Das weitere Kopplungsglied kann insbesondere am nicht angetriebenen Ende der Nockenwelle angeordnet werden, um eine gleichmäßigere Krafteinleitung in die Nockenwelle zu bewirken.
Für die konkrete Realisierung der oben erwähnten Kopplungsglieder zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle beziehungsweise zusätzlich an der Nockenwelle stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Insbesondere kann ein Kopplungsglied mindestens eine Elastizität aufweisen, die zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang für die zu koppelnden Bewegungen beziehungsweise Kräfte wirkt. Eine derartige Elastizität bewirkt, daß bei festgehaltenem Ausgang (oder Eingang) des Kopplungsgliedes eine Bewegung des Eingangs (Ausgangs) gegen eine zunehmende elastische Rückstellkraft möglich ist. Ferner kann durch die Elastizität Bewegungsenergie zwischengespeichert und somit am Eingang gleichmäßig zugeführte Energie am Ausgang ungleichförmig wieder abgegeben werden.
Des Weiteren können die Kopplungsglieder mindestens eine träge Masse zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang aufweisen, welche an der übertragenen Bewegung teilnimmt und auf diese durch ihre Massenträgheit Einfluß nimmt.
Ferner können die Kopplungsglieder mindestens eine zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang wirkende Viskosität aufweisen, durch welche eine übertragene Bewegung unter Energieverbrauch gedämpft wird.
Die zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines Kopplungsgliedes wirkenden Komponenten können ferner ein lineares oder ein nicht lineares Verhalten aufweisen. Derartige Charakteristiken können zum Beispiel mit den vorstehend erläuterten Komponenten (Elastizität, träge Masse, Dämpfung) erzielt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Nockenwellentriebs sind die mechanischen Parameter des Kopplungsgliedes extern veränderbar. Auf diese Weise kann die Charakteristik des Kopplungsgliedes zum Beispiel durch die Motorsteuerung derart eingestellt werden, daß eine gewünschte Ventilsteuerung bewirkt wird. Im Gegensatz zu bekannten variablen Nockenwellensteuerungen, bei denen über einen Aktuator von außen aktiv auf die Position der Nockenwelle Einfluß genommen wird, erfolgt vorliegend von außen nur eine Veränderung von Parametern, während das System ansonsten autonom bleibt.
Vorzugsweise weist der Nockenwellentrieb (mindestens) zwei Nockenwellen auf, welche jeweils über eigene passive mechanische Kopplungsglieder mit dem Antriebselement der Kurbelwelle gekoppelt sind. Vorteilhafterweise sind die Kopplungsglieder dabei unterschiedlich ausgelegt, so daß diese ein unterschiedliches Eingangs-/Ausgangsverhalten zeigen. Eine der Nockenwellen kann dabei z. B. mit den Eingangsventilen und die andere Nockenwelle mit den Ausgangsventilen der Brennkraftmaschine verbunden sein. Das Öffnungsverhalten dieser Ventile läßt sich dann entsprechend den Kopplungsgliedern an den jeweiligen Nockenwellen separat variieren. Beispielsweise kann eine Frühverstellung der Eingangsventile bei gleichzeitiger Spätverstellung der Auslaßventile stattfinden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur variablen Steuerung der Ventilöffnungszeiten einer Brennkraftmaschine, wobei die Ventile von einer Nockenwelle betätigt werden, die ihrerseits von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierend angetrieben wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle und die Nockenwelle derart passiv gekoppelt werden, daß die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle rotatorisch oszilliert.
Wie oben im Zusammenhang mit dem Nockenwellentrieb erläutert wurde, kann bei entsprechender Auslegung der passiven Kopplung erreicht werden, daß sich das von der Nockenwelle bewirkte Öffnungsverhalten der Ventile in einer für den Motorbetrieb vorteilhaften Weise verändert. Das Verfahren ist dabei besonders einfach und robust, da keine externe Steuerung erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens findet die rotatorische Oszillation der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle drehzahlabhängig statt. D. h., daß die Oszillation hinsichtlich ihrer Amplitude und/oder Phasenlage abhängig von der jeweiligen Drehzahl der Kurbelwelle ist. Auf diese Weise kann - insbesondere bei geringen Motordrehzahlen - ein anderes Öffnungsverhalten der Ventile als bei höheren Motordrehzahlen erzielt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
schematisch die Komponenten eines erfindungsgemäßen variablen Nockenwellentriebs;
Fig. 2
schematisch den Verlauf des Kurbelwellenwinkels αK und des zugehörigen Nockenwellenwinkels αN über der Zeit t bei verschiedenen Drehzahlen;
Fig. 3
die Ausgestaltung eines Kopplungsgliedes zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle mit einer Serienschaltung einer trägen Masse und einer Elastizität;
Fig. 4
die Ausgestaltung eines Kopplungsgliedes zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle mit der Serienschaltung einer Elastizität, einer trägen Masse und einer weiteren Elastizität, und
Fig. 5
die Ausgestaltung eines zusätzlich an der Nockenwelle angreifenden Kopplungsgliedes mit der Serienschaltung einer Elastizität und einer Masse.
In Figur 1 sind die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Komponenten eines variablen Nockenwellentriebs schematisch dargestellt. Der Nockenwellentrieb umfaßt ein von der Kurbelwelle 1 der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) angetriebenes Antriebselement 2, bei dem es sich z. B. um ein auf der Kurbelwelle befestigtes Zahnrad handeln kann. Das Antriebselement 2 ist über einen Zahnriemen 3 mit einem Zahnrad 4 gekoppelt. Das Zahnrad 4 ist seinerseits über ein Kopplungsglied A mit der Nockenwelle 5 gekoppelt, wobei die Nockenwelle 5 in bekannter Weise exzentrische Nocken 6 zur Bewegung der Ventile (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine aufweist. In gleicher Weise ist eine zweite Nockenwelle 5' mit Nocken 6' über ein weiteres Kopplungsglied A' an das Zahnrad 4 gekoppelt. Die erste Nockenwelle 5 kann z. B. die Einlaßventile und die zweite Nockenwelle 5' die Auslaßventile steuern.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellentrieben ist das Kopplungsglied A, A' so ausgebildet, daß es eine "inflexible" oder starre bzw. funktional eindeutige Kopplung zwischen dem Zahnrad 4 und der Nockenwelle 5, 5' bewirkt. Beispielsweise kann das Kopplungsglied beim Stand der Technik einfach als durchgehende feste Welle ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann bei bekannten Systemen mit einer variablen Nockenwellensteuerung auch durch von außen steuerbare aktive Aktuatoren eine Veränderung der Phasenlage zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Kopplungsgliedes bewirkt werden. Ohne aktiven Eingriff von außen bleibt diese Phasenverschiebung jedoch konstant, so daß bei herkömmlichen Nockenwellentrieben ein fester funktionaler Zusammenhang zwischen dem Winkel der Kurbelwelle und dem hieraus resultierenden Winkel der Nockenwelle besteht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine derartige inflexible Kopplung zwischen Kurbelwelle 1 und Nockenwelle 5, 5' aufgehoben, indem das jeweilige Kopplungsglied A, A' als passives mechanisches Bauteil ausgelegt wird, das eine signifikante relative Positionsveränderung zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang erlaubt und Bewegungsenergie zwischenspeichern kann. Dies hat zur Folge, daß sich die Nockenwelle 5, 5' in Grenzen unabhängig von der Kurbelwelle 1 drehen kann. Beim Betrieb des Nockenwellentriebs kann daher insbesondere eine rotatorische Oszillation der Nockenwelle 5, 5' relativ zur Drehung der Kurbelwelle 1 stattfinden.
Figur 2 zeigt diesbezüglich schematisch den Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Verlauf des Kurbelwellenwinkels αK und dem zugehörigen zeitlichen Verlauf des Nockenwellenwinkels αN. Bei einer konstanten niedrigen Motordrehzahl nl beziehungsweise einer konstanten hohen Motordrehzahl nh ergibt sich ein linearer Verlauf des Kurbelwellenwinkels αk über der Zeit t. Bei herkömmlichen Nockenwellentrieben würde sich hieraus ein ebenfalls linearer Verlauf des Nockenwellenwinkels αN einstellen, d.h. eine Rotation der Nockenwelle mit konstanter Drehzahl. Die Verläufe des Kurbelwellenwinkels αK und des Nockenwellenwinkels αN würden sich lediglich aufgrund eines vorgegebenen Übersetzungsverhältnisses des Nockenwellentriebs in der Steigung (um den Faktor 2) sowie in einem Offset unterscheiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Nockenwellentrieb ist dies jedoch anders. Aufgrund der passiven mechanischen Eigenschaften des Kopplungsgliedes A, A' ist wie vorstehend erläutert eine rotatorische Oszillation der Nockenwelle 5, 5' relativ zur Bewegung der Kurbelwelle 1 möglich. Diese ist der von der Kurbelwelle übertragenen konstanten Drehung überlagert, so daß sich die in Figur 2 gezeigten welligen Verläufe des Nockenwellenwinkels αN ergeben. Diese lassen sich z. B. näherungsweise durch die Formel α N (t)=α K (t)+sin(ω(n)·t+ϕ(n)) beschreiben, wobei ω(n) und ϕ(n) eine von der Drehzahl n abhängige Frequenz bzw. Phasenverschiebung ist. Aufgrund der Drehzahlabhängigkeit sieht die Welligkeit bei kleinen Drehzahlen nI und hohen Drehzahlen nh verschieden aus. Durch entsprechende Einstellung der Parameter des Kopplungsgliedes können Phase und Amplitude der Rotations-Oszillation der Nockenwelle in einem weiten Bereich frei gewählt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß sich die Ventile bei niedrigen Drehzahlen nur für kurze Zeit und mit einem geringen Überlapp öffnen, um ein geringes Motordrehmoment zu bewirken. Bei hohen Drehzahlen können dagegen längere Öffnungszeiten und/oder ein größerer Überlapp der Öffnungszeiten von Einlaß- und Auslaßventilen erzeugt werden, um die gewünschte Leistung des Motors bereitzustellen.
Dabei ist bei diesem Verhalten besonders erwünscht, daß in der Start- bzw. Anlaßphase des Motors, d.h. bei geringen Drehzahlen, sich automatisch vorgegebene Öffnungszeiten einstellen, die einen problemlosen Motorstart ermöglichen. Bei herkömmlichen variablen Nockenwellentrieben sind hierzu aufwendige Verriegelungseinrichtungen erforderlich, um einen zuverlässigen Start des Motors mit einem definiertem Nockenwellenwinkel zu gewährleisten.
Zurückkommend auf Figur 1 sei noch auf die dort erkennbaren optionalen weiteren Kopplungsglieder B, B' hingewiesen, welche ebenfalls an die Nockenwelle 5, 5' (jedoch nicht in den Kraftübertragungsweg zwischen Kurbelwelle 1 und Nokkenwelle 5, 5') gekoppelt ist und aufgrund seiner passiven mechanischen Eigenschaften Einfluß auf das Bewegungsverhalten der Nockenwelle 5, 5' nimmt.
Die Kopplungsglieder A und A' (ebenso B und B') an den verschiedenen Nockenwellen 5, 5' können verschieden ausgelegt sein, um ein unterschiedliches drehzahlabhängiges Verhalten zugehörigen Ventile zu erzeugen.
In den Figuren 3 bis 5 sind verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für die Kopplungsglieder dargestellt, die beliebig miteinander kombiniert werden können.
Bei der Ausführungsform des Kopplungsgliedes A, A' gemäß Figur 3 ist eine träge Masse M1 mit dem Zahnrad 4 gekoppelt. Die träge Masse M1 ist ferner über eine Elastizität C1 (z. B. eine Torsionsfeder oder ein Torsionsstab) mit der Nockenwelle 5, 5' gekoppelt.
Bei der Ausführungsform des Kopplungsgliedes A, A' gemäß Figur 4 ist im Unterschied zu Figur 2 eine weitere Elastizität C2 zwischen der trägen Masse M2 und dem Zahnrad 4 vorhanden.
Die Realisierung des weiteren Kopplungsgliedes B, B' gemäß Figur 5 besteht aus einer Elastizität C3 (z. B. eine Torsionsfeder oder ein Torsionsstab), welche die Nockenwelle 5, 5' und eine ansonsten frei schwingende träge Masse M3 verbindet.
Durch die Festlegung der Parameter der Kopplungsglieder A, A', B, B', d.h. bei den Beispielen der Figuren 3 bis 5 durch Festlegung der Massen M1, M2 und M3 sowie der Elastizitätskonstanten von C1, C2, C2' und C3, können die Eigenfrequenzen und das Eigenwertverhalten der rotierend oszillierenden Nockenwelle 5, 5' durch den Konstrukteur in gewünschter Weise festgelegt werden. Selbstverständlich können auch andere als in den Figuren 3 bis 5 gezeigte Realisierungen der Kopplungsglieder vorgesehen werden, wobei insbesondere der Einschluß von Dämpfern möglich ist. Des Weiteren ist die in Figur 1 gezeigte Anordnung der Kopplungsglieder A, A', B, B' nur eine von mehreren Möglichkeiten.
Durch das drehzahlabhängige Oszillationsverhalten der Nockenwelle 5, 5' relativ zur Kurbelwelle 1 wird eine veränderliche Öffnungsdauer und Phasenlage der Ventilsteuerung erreicht, wobei der Ventilhub konstant bleibt. Der erfindungsgemäße Nockenwellentrieb kann auf diese Weise ausgehend von einer Basislänge der Ventilöffnung bei Leerlauf des Motors eine Änderung der Öffnungszeit hin zu einer maximalen Länge bei einer nominellen Drehzahl bewirken.
Die Kopplungsglieder A, A', B, B' können sowohl lineare als auch nicht lineare Komponenten (Elastizitäten, Dämpfer etc.) enthalten. Ferner können diese Komponenten "aktiv" oder "passiv" ausgebildet sein, wobei "passive" Komponenten definitionsgemäß ihre Parameter nicht verändern, während die Parameter "aktiver" Komponenten von außen oder innen aktiviert und/oder geändert werden können. Beispiele für passive Komponenten sind Stahlfedern, Luftfedern oder Gummielemente. Beispiele für aktive Komponenten sind Dämpfer mit einer elektroaktiven Änderung des Dämpfungskoeffizienten, Luftfedern mit veränderbarem Druck und Wirbelstrombremsen.

Claims (10)

  1. Variabler Nockenwellentrieb für eine Brennkraftmaschine, enthaltend
    a) ein mit der Kurbelwelle (1) der Brennkraftmaschine gekoppeltes Antriebselement (2);
    b) mindestens eine mit dem Antriebselement (2) gekoppelte Nockenwelle (5, 5') zur Steuerung der Ventile der Brennkraft-
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das Antriebselement (2) und die Nockenwelle (5, 5') über ein passives mechanisches Kopplungsglied (A, A') derart miteinander verbunden sind, daß die Nockenwelle (5, 5') relativ zur Kurbelwelle rotatorisch oszillieren kann.
  2. Nockenwellentrieb nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       an die Nockenwelle (5, 5') ein zweites passives mechanisches Kopplungsglied (B, B') angekoppelt ist.
  3. Nockenwellentrieb nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das Kopplungsglied (A, A', B, B') mindestens eine zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang wirkende Elastizität (C1, C2, C2', C3) aufweist.
  4. Nockenwellentrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das Kopplungsglied (A, A', B, B') mindestens eine zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang wirkende träge Masse (M1, M2, M3) aufweist.
  5. Nockenwellentrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das Kopplungsglied (A, A', B, B') mindestens eine zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang wirkende Viskosität aufweist.
  6. Nockenwellentrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Kopplungsgliedes (A, A', B, B') wirkenden Komponenten (C1, C2, C2', C3, M1, M2, M3) linear und/oder nicht linear sind.
  7. Nockenwellentrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die mechanischen Parameter des Kopplungsgliedes (A, A', B, B') extern veränderbar sind.
  8. Nockenwellentrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       dieser zwei Nockenwellen (5, 5') enthält, welche jeweils über passive mechanische Kopplungsglieder (A, A') von vorzugsweise unterschiedlicher Auslegung mit dem Antriebselement (2) gekoppelt sind.
  9. Verfahren zur variablen Steuerung der Ventilöffnungszeiten einer Brennkraftmaschine, wobei die Ventile von einer Nockenwelle (5, 5') betätigt werden, die von der Kurbelwelle (1) der Brennkraftmaschine rotierend angetrieben wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Kurbelwelle (1) und die Nockenwelle (5, 5') derart passiv gekoppelt werden, daß die Nockenwelle (5, 5') relativ zur Kurbelwelle (1) rotatorisch oszilliert.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Nockenwelle (5, 5') drehzahlabhängig rotatorisch oszilliert.
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