EP1520962A1 - Variabel steuerbares Ventilsystem und Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Variabel steuerbares Ventilsystem und Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1520962A1
EP1520962A1 EP03103656A EP03103656A EP1520962A1 EP 1520962 A1 EP1520962 A1 EP 1520962A1 EP 03103656 A EP03103656 A EP 03103656A EP 03103656 A EP03103656 A EP 03103656A EP 1520962 A1 EP1520962 A1 EP 1520962A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
variable
cam
controllable
rocker arm
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03103656A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Georg Figura
Torsten Kluge
Clemens Maria Verpoort
Maik Broda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Priority to EP03103656A priority Critical patent/EP1520962A1/de
Publication of EP1520962A1 publication Critical patent/EP1520962A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/08—Valves guides; Sealing of valve stem, e.g. sealing by lubricant
    • 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
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • 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
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
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    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/24—Piezo-electric actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L1/053—Camshafts overhead type
    • F01L1/0532—Camshafts overhead type the cams being directly in contact with the driven valve
    • 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
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14—Tappets; Push rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • F01L2013/0089—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque with means for delaying valve closing
    • F01L2013/0094—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque with means for delaying valve closing with switchable clamp for keeping valve open

Definitions

  • the invention relates to a variably controllable valve system for a Internal combustion engine with a valve that is between a valve closing position and a valve open position is movable to an inlet or outlet opening of a Release combustion chamber of the internal combustion engine or to block, with Valve spring means to bias the valve towards the valve closing position, and a valve drive means for displacing the valve against the biasing force of Open valve spring means.
  • the invention relates to a method for the variable control of a Valve of an internal combustion engine with a valve between a Valve closed position and a valve open position is movable to an inlet or To release exhaust port of a combustion chamber of the internal combustion engine or To lock, with valve springs, to the valve in the direction of valve closing position vorzuspannen, and a valve drive means to the valve against the To open the preload force of the valve spring means.
  • the problem is the fuel consumption and thus the efficiency in particular in gasoline engines.
  • the reason for this lies in the principle working method of the Otto engine.
  • the Otto engine works with a homogeneous fuel-air mixture, that - if there is no direct injection - by external mixture formation is prepared by introduced into the intake air in the intake tract fuel becomes.
  • the desired power is set by changing the Filling the combustion chamber, so that the working method of the gasoline engine - unlike diesel engine - a quantity regulation is based.
  • This load control is usually carried out by means provided in the intake Throttle.
  • the pressure of the sucked Air behind the throttle will be reduced more or less severely.
  • the further the Throttle is closed d. H. the more it blocks the intake tract the more higher is the pressure loss of the intake air across the throttle and the lower the pressure of the intake air behind the throttle and before the inlet to the combustion chamber.
  • the air mass i. the quantity be set. This also explains why this type of quantity regulation especially in the partial load range proves to be disadvantageous because low loads require one high throttling and pressure reduction in the intake tract.
  • a solution for the dethrottling of the Otto engine work process exists in the use of a variable valve train. Unlike conventional Valve trains where both the stroke of the valves and the timing, i. the opening and closing times of the intake and exhaust valves, due to the non-flexible, as not adjustable mechanism of the valve train as invariable Sizes are given, they can the combustion process and thus the Fuel consumption influencing parameters by means of variable valve trains more or less varied.
  • the ideal solution would be a fully variable one Valve control specific for any operating point of the gasoline engine matched values for the stroke and the timing allows.
  • valve train is for example the VALVETRONIC Valve Train from BMW, as described in the Motortechnische Science, Vintage 2001, No. 6, page 18 is described.
  • the closing timing of the intake valve and the intake valve lift can be varied.
  • a throttle-free and thus lossless load control is possible.
  • the mixture mass flowing into the combustion chamber during the intake process is not controlled as in conventional gasoline engines by means of a throttle valve arranged in the intake tract, but is dimensioned via the intake valve stroke and the opening duration of the intake valve.
  • a valve system of the generic type also describes the EP 312 216 A2.
  • the disclosed valve system is equipped with a valve drive device, the one Rocker arm shaft on which a first rocker arm is rotatably mounted, in Sliding contact with the intake cam is, and further, a second rocker arm is rotatably disposed which abuts the upper end of the intake valve.
  • the first Rocker arm and the second rocker arm are pivoted against each other and over a torsion spring coupled in such a way that regardless of an operation of the Valve drive means, the intake valve held in its closed position is and the applied valve opening force in the torsion spring can be cached.
  • an electromagnetic actuator is used to the intake valve also at Force applied by the second rocker arm in its closed position to hold.
  • This actuator comprises an electromagnet, the activation of which is an attraction on the Inlet valve arranged magnetic element and thus closing the Inlet valve causes.
  • the attraction of the Electromagnet and the spring force of the valve spring means are larger than the Restoring forces of the torsion spring.
  • variable valve train is not just in terms of already described Entdrosselung the internal combustion engine and an associated Consumption optimization of the internal combustion engine advantageous, but also in terms on the problem, resulting from a rigid tax time on the one hand and a variable speed on the other hand results, since always found a compromise must be that takes into account the entire speed range.
  • the timing to which the intake valve closes affects the filling of the Combustion chamber and thus the torque characteristics of the internal combustion engine.
  • it is advantageous to close the inlet valve early which
  • at high speeds, especially at the rated speed too unwanted Filling losses leads. Therefore, at high speeds, it is preferred To close the intake valve late, in this speed range, a good filling of the To ensure combustion chamber.
  • a late closing of the intake valve but performs partial ejection of the freshly aspirated cylinder charge to filling losses at low speeds.
  • a fixed control time is therefore always a compromise between the two colliding scenarios described above. Ideal is when the control time to which the intake valve closes is variably controllable, which can be realized by means of a variable valve train. At low speeds could then the intake valve early, be closed late at high speeds.
  • variable valve timing Another application for variable valve timing is the variation of so-called valve overlap d.
  • H the crank angle range in which the Exhaust valve is not closed when the intake valve is open. In the area This valve overlap may lead to flushing losses, with part of the sucked mixture through the combustion chamber flows without combustion participate. On the one hand, this leads to worse efficiencies, but on the other hand to a larger cylinder filling and thus to a higher performance. At low speeds becomes a smaller and at higher speeds a greater valve overlap sought.
  • a variable valve control allows a variation of the valve overlap as a function of the speed.
  • the object of the present invention is a variable to provide controllable valve system of the generic type, with which the Control times are influenced in the most advantageous manner and with the after overcome the known prior art disadvantages, and the In particular, a control of the closing operation allows.
  • Another object of the present invention is to provide a method for to provide variable control of a valve of an internal combustion engine.
  • the first partial task is solved by a variably controllable valve system for an internal combustion engine with a valve that is between a valve closing position and a valve open position is movable to an inlet or outlet opening of a Release combustion chamber of the internal combustion engine or to block, with Valve spring means to bias the valve towards the valve closing position, and a valve drive means for displacing the valve against the biasing force of Open valve spring means, and which is characterized in that a controllable Clamping device is provided with clamping element, with which the movement of the Valve at least partially independent or contrary to that of the Valve spring means on the forces exerted on the valve influenced and thus is controllable.
  • the valve is a lift valve.
  • valve system can influence directly on the Closing of the valve are taken.
  • the Clamping device By activating the Clamping device, it is possible, for example, the valve at maximum valve lift and this against the valve springs on the valve exerted forces that want to push the valve towards the valve closing position.
  • a cam and a plunger as valve drive means goes while losing the adhesion between cam and plunger.
  • the loss of Frictional connection between the cam and plunger in the inventive Valve system essential and an integral part of the variable Control, which is deliberately brought about by use of a clamping device.
  • valve inlet valve.
  • the Valve system according to the invention makes it possible, the closing movement of To delay intake valve by means of the clamping device and thus the Control closing process. Unintentional filling losses can be avoided by making the intake valve early at low speeds and late at high speeds is closed.
  • the used valve drive device is an early Closed the intake valve designed.
  • the shift of the closing time of the Inlet valve then takes place via the delay of the closing process by means of clamping device to late.
  • a load control done which is too contributes to a Entdrosselung the internal combustion engine.
  • Embodiments of the variably controllable valve system are also advantageous where the valve is an exhaust valve.
  • This allows for a variation of Valve overlap d.
  • H. the crank angle range in which the exhaust valve at open inlet valve is not yet closed.
  • Valve spring means are guided without the clamping device is activated.
  • To higher speeds can then with the Activation of the clamping device delaying the closing of the Outlet valve and thus a larger valve overlap can be realized.
  • the claimed valve system thus allows a variation of the Valve overlap as a function of the speed.
  • Embodiments of the variably controllable valve system are also advantageous which the clamping device with a piezoelectric element as Clamping element is equipped. Benefits of using a piezoelectric element, since this is inexpensive and already in many Applications has proven, so that sufficient experience with such Elements are present.
  • embodiments of the variably controllable valve system are advantageous, in which the clamping element is arranged around the shaft of the lift valve and exerts the clamping forces on the valve via the shaft. An activation of the piezoelectric element then brings this annular around the valve stem arranged element for engagement with the shaft. Between clamping element and Valve stem frictional forces are built up, which act as clamping forces.
  • a purely mechanical clamping device which has a Adjustment device brings a clamping element with the valve into engagement, so that a Delay is caused.
  • a arranged around the valve coil could as contactless clamping element exert a clamping force on the valve.
  • Embodiments of the variably controllable valve system are also advantageous where the valve drive means a pneumatic or electromagnetic Valve drive device is.
  • valve drive devices is in contrast to a purely mechanical, not flexible Valve drive means the additional possibility by means of the clamping device the movement of the valve also opposite to that of the valve drive device to influence and control the valve applied forces. This can also be done the opening process of the valve affects d. H. be delayed.
  • valve drive means a cam and a Tappet includes, wherein the contour of the cam in the area that is open the valve is responsible, is designed in the manner that above a predetermined Speed of adhesion between plunger and cam during the opening process get lost.
  • This advantageous embodiment of a valve system with pure mechanical valve drive device - a cam and a plunger - allows as in the above-described pneumatic or electromagnetic valve drive means the additional possibility that Movement of the valve by means of the clamping device also during the To influence opening process and thus to control and in the Time periods in which there is no adhesion between plunger and cam.
  • the valve drive means a cam and a Tappet includes, wherein the contour of the cam in the area that is open the valve is responsible, is designed in the manner that above a predetermined Speed of adhesion between plunger and cam during the opening process get lost.
  • this embodiment allows for the valve to some extent thrown into the combustion chamber, a very rapid opening of the valve inlet or outlet and thus the desired fast release large Flow areas.
  • valve drive means between a cam and plunger arranged rocker arm comprises, which is modular and a first and a second rocker arm, wherein the first and the second rocker arm means a spring element in the type are biased against each other, that the first Tilting lever is pivoted to the cam and the other rocker arm to the plunger.
  • This embodiment of a valve drive device opens the additional Possibility, the movement of the valve by means of the clamping device against the to influence forces exerted by the valve drive means on the valve d. H. to be delayed, the applied by the valve drive means Opening forces of the spring element, which the first and the second Toggle lever is biased against each other, is cached.
  • the second sub-task on which the invention is based is by a method solved the generic type, which is characterized in that a controllable clamping device is used with clamping element, with which the Movement of the valve at least partially independent or contrary to that of the Valve spring means on the valve applied forces is influenced and controlled.
  • Embodiments of the method in which a clamping element is advantageous are advantageous piezoelectric element is used.
  • the use of this clamping element allows a clamping device with only a few components beyond that inexpensive and less prone to failure.
  • Further requirements for the Clamping valve, as resulting from use in an internal combustion engine, fulfills the piezoelectric element as well. In particular, it has only a small one Space requirement and has only a low temperature sensitivity.
  • Embodiments of the method in which the clamping device is advantageous are advantageous is activated during the closing of the valve, so that the closing process is slowed down.
  • the effects, which over a variation of the closing process and appropriate control strategies have been adopted already stated.
  • embodiments of the method in which the Clamping device activated shortly before the closing of the valve is to allow a slow closing.
  • This embodiment of the Method allows a gentle closing of the valve d. H. a slow, gentle insertion of the valve disk in the valve seat to avoid Damage.
  • Valve drive means a pneumatic or electromagnetic Valve drive device is used. This embodiment of the method allows the delay of the opening process of the valve.
  • a Valve drive device which comprises a cam and a plunger, wherein preferably the contour of the cam in the area which is suitable for opening the Valve is responsible, is designed in the way that above a predetermined Speed of adhesion between the plunger and cam is lost.
  • These Process variant also allows the delay of the opening process of the valve at least in some areas.
  • the one between cam and plunger arranged rocker arm comprises, which is modular and a first and a second rocker arm, wherein the first and the second rocker arm means a spring element in the type are biased against each other, that the first Tilting lever is pivoted to the cam and the other rocker arm to the plunger.
  • embodiments of the method are advantageous in which the Clamping device both during closing and during the Opening operation of the valve can be activated, so that the opening process is controllable next to the closing process.
  • the variable wins Valve control additional degrees of freedom, resulting in additional flexibility the valve control strategy leads.
  • the inventive method can also with other methods for variable control of a valve combined and supplemented. Is advantageous in particular the combination of the claimed method with a electromagnetic valve drive, in which just the closing process by too hard Placement of the valve disk is stamped in the valve seat. That can with the the process according to the invention can be remedied.
  • the valve system 1 comprises a lift valve 2, which is between a valve closing position and a valve open position is movable to an inlet 6 of the combustion chamber 14th release or block the internal combustion engine.
  • the illustrated in Figure 1 Snapshot shows the valve 2 in the closed position in which the valve disc. 3 of the valve 2 is arranged in the valve seat 4 and the combustion chamber 14 with respect to the Inlet 6 seals.
  • valve system 1 is equipped with valve spring means 7 to the valve 2 in To bias towards valve closed position.
  • a holder 13th provided, which is attached to the end of the valve stem 5 and at which the Support valve spring means 7.
  • a mechanical valve drive device 8 which has a cam 11 and includes a plunger 12.
  • the plunger 12 Upon rotation of the cam 11, the plunger 12 is opposite the biasing force of the valve spring means 7 moves down, wherein it the shaft. 5 of the valve 2 in the direction of the combustion chamber 14 shifts, so that the inlet 6 is released becomes.
  • the maximum valve stroke follows the closing process.
  • deactivated clamping device 9 lead to the holder 13 and the shaft fifth acting spring forces of the valve spring means 7, the valve 2 in the direction Valve closing position, at the same time the plunger 12 in its starting position is brought.
  • the spring forces of the valve spring means 7 also provide for a sufficient adhesion between cam 11 and plunger 12 and prevent Take off.
  • the valve system 1 with a controllable clamping device 9, which is a piezoelectric Element 10 as a clamping element 10 comprises.
  • this clamping device 9 can the movement of the valve 2 opposite to the valve spring means 7 on the valve 2 forces applied, i. be delayed.
  • the closing process by varying the Clamping forces are controlled completely freely.
  • the adhesion between Cam 11 and plunger 12 repealed.
  • the clamping forces exceed the Momentary spring forces, the valve 2 comes to a standstill.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein variabel steuerbares Ventilsystem (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventil (2), das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlaß- oder Auslaßöffnung einer Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln (7), um das Ventil (2) in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und einer Ventilantriebseinrichtung (8), um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel (7) zu öffnen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur variablen Steuerung eines derartigen Ventilsystems (1). Es soll ein variabel steuerbares Ventilsystem (1) bereitgestellt werden, mit dem die Steuerzeiten in möglichst vorteilhafter Weise beeinflußbar sind und mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, und das insbesondere eine Steuerung des Schließvorganges ermöglicht. Ein entsprechendes Verfahren soll ebenfalls aufgezeigt werden. Erreicht wird dies dadurch, daß ein Ventilsystem (1) der gattungsbildenden Art mit einer steuerbaren Klemmvorrichtung (9) mit Klemmelement (10) ausgestattet wird, mit welcher die Bewegung des Ventils (2) zumindest teilweise unabhängig bzw. entgegen den von den Ventilfedermitteln (7) auf das Ventil (2) ausgeübten Kräften beeinflußbar und damit steuerbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein variabel steuerbares Ventilsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventil, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlaß- oder Auslaßöffnung einer Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und einer Ventilantriebseinrichtung, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel zu öffnen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine mit einem Ventil, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlaßoder Auslaßöffnung einer Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und einer Ventilantriebseinrichtung, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel zu öffnen.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei eine verbesserte d. h. effektivere Verbrennung im Vordergrund der Bemühungen steht.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Der Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch, daß - sofern keine Direkteinspritzung vorliegt - durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, so daß dem Arbeitsverfahren des Ottomotors - anders als beim Dieselmotor - eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.
Diese Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist d. h. je mehr sie den Ansaugtrakt versperrt desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe und vor dem Einlaß in den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d.h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich diese Art der Quantitätsregelung gerade im Teillastbereich als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugtrakt.
Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat thermodynamische Nachteile. Aufgrund der Druckabsenkung der angesaugten Luft wird der vier Takte umfassende Kreisprozeß thermodynamisch nachteilig beeinflußt, da durch die Drosselung der innere Mitteldruck pmi infolge des reduzierten Drucks der angesaugten Luft und den damit verbundenen größeren Ladungswechselverlusten absinkt. Zusammen mit dem Hubvolumen Vh ergibt der innere Mitteldruck pmi die gewonnene Arbeit pro Arbeitspiel WA. Es gilt: pmi*Vh-∫p dV-WA
Um die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Laststeuerung entwickelt, die sich im Stand der Technik wiederfinden.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten, d.h. die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlaß- und Auslaßventile, bedingt durch die nicht flexible, da nicht verstellbare Mechanik des Ventiltriebes als unveränderliche Größen vorgegeben sind, können diese den Verbrennungsprozeß und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Die ideale Lösung wäre eine voll variable Ventilsteuerung, die für jeden beliebigen Betriebspunkt des Ottomotors speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten zuläßt.
Spürbare Kraftstoffeinsparungen können aber auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden. Ein solcher Ventiltrieb ist beispielsweise der VALVETRONIC Ventiltrieb von BMW, wie er in der Motortechnischen Zeitung, Jahrgang 2001, Heft 6, Seite 18 beschrieben wird.
Bei diesem Ventiltrieb kann die Schließzeit des Einlaßventils und der Einlaßventilhub variiert werden. Hierdurch ist eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung möglich.
Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dabei nicht wie bei konventionellen Ottomotoren mittels einer im Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe gesteuert d.h. bemessen, sondern über den Einlaßventilhub und die Öffnungsdauer des Einlaßventils.
Ein Ventilsystem der gattungsbildenden Art beschreibt auch die EP 312 216 A2. Das offenbarte Ventilsystem ist ausgestattet mit einer Ventilantriebseinrichtung, die eine Kipphebelwelle umfaßt, auf der ein erster Kipphebel drehbar angeordnet ist, der in Gleitkontakt mit dem Einlaßnocken steht, und des weiteren ein zweiter Kipphebel drehbar angeordnet ist, der am oberen Ende des Einlaßventils anliegt. Der erste Kipphebel und der zweite Kipphebel sind gegeneinander verschwenkbar und über eine Torsionsfeder in der Art gekoppelt, daß ungeachtet einer Betätigung der Ventilantriebseinrichtung, das Einlaßventil in seiner geschlossenen Stellung gehalten wird und die aufgebrachte Ventilöffnungskraft in der Torsionsfeder zwischengespeichert werden kann. Um das Einlaßventil auch bei Kraftbeaufschlagung durch den zweiten Kipphebel in seiner geschlossenen Stellung zu halten, wird ein elektromagnetisches Stellglied verwendet. Dieses Stellglied umfaßt einen Elektromagneten, dessen Aktivierung eine Anziehung eines an dem Einlaßventil angeordneten magnetischen Elementes und damit ein Schließen des Einlaßventils bewirkt. Hierzu ist es erforderlich, daß die Anziehungskraft des Elektromagneten und die Federkraft der Ventilfedermitteln größer sind als die Rückstellkräfte der Torsionsfeder.
Mit einem derartigen Ventilbetätigungssystem ist es jedoch nur möglich den Schließvorgang des Einlaßventils zu beschleunigen. Damit kann auf die Steuerzeit "Einlaß schließt" nur in der Art Einfluß genommen werden, daß der Zeitpunkt, zu dem das Einlaßventil schließt, nach früh verlegt wird, d. h. früher zu schließen als dies ohne elektromagnetisches Stellglied unter alleiniger Verwendung einer mechanischen Ventilantriebseinrichtung der Fall wäre. Die Variation der Steuerzeiten ist damit sehr beschränkt. Zudem weist dieses Ventilsystem Nachteile beim tatsächlichen Schließvorgang des Ventils auf, wenn der Ventilteller im Ventilsitz zur Anlage gebracht wird. Dieser Moment des Schließvorganges ist überaus kritisch, da ein zu schnelles Auftreffen des Ventils im Ventilsitz Beschädigungen hervorrufen kann. Das Ventil sollte also eigentlich während dieser Phase des Schließvorganges verzögert werden.
Die Verwendung eines variablen Ventiltriebs ist nicht nur im Hinblick auf die bereits beschriebene Entdrosselung der Brennkraftmaschine und eine damit verbundene Verbrauchsoptimierung der Brennkraftmaschine vorteilhaft, sondern auch im Hinblick auf die Problematik, die sich aus einer starren Steuerzeit einerseits und einer variablen Drehzahl andererseits ergibt, da hier immer ein Kompromiß gefunden werden muß, der dem gesamten Drehzahlbereich Rechnung trägt.
So beeinflußt die Steuerzeit, zu der das Einlaßventil schließt, die Füllung des Brennraums und damit die Drehmomentencharakteristik der Brennkraftmaschine. Bei niedrigen Drehzahlen ist es vorteilhaft, das Einlaßventil früh zu schließen, was jedoch bei hohen Drehzahlen, insbesondere bei der Nenndrehzahl, zu ungewollten Füllungsverlusten führt. Daher wird bei hohen Drehzahlen bevorzugt, das Einlaßventil spät zu schließen, um in diesem Drehzahlbereich eine gute Füllung des Brennraums sicherzustellen. Ein spätes Schließen des Einlaßventils führt aber durch teilweises Ausschieben der frisch angesaugten Zylinderladung zu Füllungsverlusten bei niedrigen Drehzahlen. Eine feste Steuerzeit bildet daher immer einen Kompromiß zwischen den beiden oben beschriebenen, kollidierenden Szenarien. Ideal ist es, wenn die Steuerzeit, zu der das Einlaßventil schließt, variabel steuerbar ist, was mittels eines variablen Ventiltriebs realisiert werden kann. Bei niedrigen Drehzahlen könnte dann das Einlaßventil früh, bei hohen Drehzahlen spät geschlossen werden.
Ein weiterer Anwendungsfall für eine variable Ventilsteuerung ist die Variation der sogenannten Ventilüberschneidung d. h. der Kurbelwinkelbereich, in dem das Auslaßventil bei geöffnetem Einlaßventil noch nicht geschlossen ist. Im Bereich dieser Ventilüberschneidung kann es zu Spülverlusten kommen, wobei ein Teil des angesaugten Gemisches durch den Brennraum strömt ohne an der Verbrennung teilzunehmen. Dies führt einerseits zu schlechteren Wirkungsgraden, aber andererseits zu einer größeren Zylinderfüllung und damit zu einer höheren Leistung. Bei niedrigen Drehzahlen wird eine kleinere und bei größeren Drehzahlen eine größere Ventilüberschneidung angestrebt. Eine variable Ventilsteuerung ermöglicht eine Variation der Ventilüberschneidung in Abhängigkeit von der Drehzahl.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein variabel steuerbares Ventilsystem der gattungsbildenden Art bereitzustellen, mit dem die Steuerzeiten in möglichst vorteilhafter Weise beeinflußbar sind und mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, und das insbesondere eine Steuerung des Schließvorganges ermöglicht.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein variabel steuerbares Ventilsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventil, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlaß- oder Auslaßöffnung einer Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und einer Ventilantriebseinrichtung, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel zu öffnen, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine steuerbare Klemmvorrichtung mit Klemmelement vorgesehen ist, mit welcher die Bewegung des Ventils zumindest teilweise unabhängig bzw. entgegen den von den Ventilfedermitteln auf das Ventil ausgeübten Kräften beeinflußbar und damit steuerbar ist. Vorzugsweise ist das Ventil ein Hubventil.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventilsystem kann unmittelbar Einfluß auf den Schließvorgang des Ventils genommen werden. Durch Aktivierung der Klemmvorrichtung ist es beispielsweise möglich, das Ventil bei maximalem Ventilhub zu halten und dies entgegen den von den Ventilfedermitteln auf das Ventil ausgeübten Kräften, die das Ventil in Richtung Ventilschließstellung drücken wollen. Bei Verwendung eines Nockens und eines Stößels als Ventilantriebseinrichtung geht dabei zwar der Kraftschluß zwischen Nocken und Stößel verloren. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ventilsystemen, bei denen ein Abheben des Nockens vom Stößel gerade vermieden werden soll, ist der Verlust des Kraftschlusses zwischen Nocken und Stößel bei dem erfindungsgemäßen Ventilsystem unumgänglich und ein wesentlicher Bestandteil der variablen Steuerung, der durch Einsatz einer Klemmvorrichtung bewußt herbeigeführt wird.
Anders als bei dem in der EP 312 216 A2 beschriebenen Ventilsystem, welches den Schließvorgang zwar beschleunigen, aber nicht verzögern kann, treten bei dem erfindungsgemäßen Ventilsystem auch keine Nachteile beim tatsächlichen Schließvorgang des Ventils auf, wenn der Ventilteller im Ventilsitz zur Anlage gebracht wird. Zur Vermeidung von Beschädigungen sollte ein zu schnelles Auftreffen des Ventils vermieden und das Ventil während dieser Phase des Schließvorganges verzögert werden. Ein Erfordernis, dem das beanspruchte Ventilsystem anders als das in der EP 312 216 A2 beschriebene Ventilsystem nachkommt, und dies, ohne daß ein modular aufgebauter Kipphebel mit Torsionsfeder zu Speicherung der Schließkräfte notwendig wäre.
Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigung des Schließvorganges wird mit dem erfindungsgemäßen Ventilsystem, dem die Verzögerung des Schließvorganges immanent ist, ein völlig andere Ansatz gewählt, der die aufgezeigten Vorteile mit sich bringt. Weitere wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des variabel steuerbaren Ventilsystems, bei denen das Ventil ein Einlaßventil ist. Wie bereits beschrieben, beeinflußt die Steuerzeit, zu der das Einlaßventil schließt, die Füllung des Brennraums. Das erfindungsgemäße Ventilsystem ermöglicht es, die Schließbewegung des Einlaßventils mittels der Klemmvorrichtung zu verzögern und damit den Schließvorgang zu steuern. Ungewollte Füllungsverluste können vermieden werden, indem bei niedrigen Drehzahlen das Einlaßventil früh und bei hohen Drehzahlen spät geschlossen wird. Dafür wird die verwendete Ventilantriebseinrichtung auf ein frühes Schließen des Einlaßventils ausgelegt. Die Verschiebung der Schließzeit des Einlaßventils nach spät erfolgt dann über die Verzögerung des Schließvorganges mittels Klemmvorrichtung nach spät. Des Weiteren kann über eine Variation der Steuerzeit, bei der das Einlaßventil schließt, eine Laststeuerung erfolgen, was zu einer Entdrosselung der Brennkraftmaschine beiträgt.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des variabel steuerbaren Ventilsystems, bei denen das Ventil ein Auslaßventil ist. Dies ermöglicht eine Variation der Ventilüberschneidung d. h. des Kurbelwinkelbereichs, in dem das Auslaßventil bei geöffnetem Einlaßventil noch nicht geschlossen ist. Bei niedrigen Drehzahlen kann das Ventil mittels der Ventilantriebseinrichtung und der Vorspannkraft der Ventilfedermittel geführt werden, ohne daß die Klemmvorrichtung aktiviert wird. Dies führt zu der bei kleineren Drehzahlen gewollten kleineren Ventilüberschneidung und einer guten Zylinderfüllung. Zu größeren Drehzahlen hin kann dann mit der Aktivierung der Klemmvorrichtung eine Verzögerung des Schließvorganges des Auslaßventils und damit eine größere Ventilüberschneidung realisiert werden. Dies führt zu einer guten Zylinderfüllung und einer hohen Leistung bei hohen Drehzahlen. Das beanspruchte Ventilsystem ermöglicht damit eine Variation der Ventilüberschneidung in Abhängigkeit von der Drehzahl.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des variabel steuerbaren Ventilsystems, bei denen die Klemmvorrichtung mit einem piezoelektrischen Element als Klemmelement ausgestattet ist. Vorteile bietet die Verwendung eines piezoelektrischen Elementes, da dieses kostengünstig ist und sich bereits bei vielen Anwendungen bewährt hat, so daß auch ausreichend Erfahrungen mit derartigen Elementen vorliegen.
Bei Anlegen einer Spannung kommt es zu geringfügigen Deformationen des piezoelektrischen Elementes, die aber bereits bei entsprechender Anordnung des Klemmelementes eine ausreichend große Klemmkraft auf das Ventil übertragen können. Außerdem ist die Deformation des piezoelektrischen Elementes und damit die Höhe der Klemmkraft und die Größe der Verzögerung des Ventils leicht über die Spannung regelbar.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des variabel steuerbaren Ventilsystems, bei denen das Klemmelement um den Schaft des Hubventils herum angeordnet ist und die Klemmkräfte über den Schaft auf das Ventil ausübt. Eine Aktivierung des piezoelektrischen Elements bringt dann dieses ringförmig um den Ventilschaft angeordnete Element zur Anlage mit dem Schaft. Zwischen Klemmelement und Ventilschaft werden Reibungskräfte aufgebaut, die als Klemmkräfte wirken.
Grundsätzlich sind aber auch andere Klemmvorrichtungen bzw. Klemmelemente einsetzbar. Beispielsweise eine rein mechanische Klemmvorrichtung, die über eine Verstellvorrichtung ein Klemmelement mit dem Ventil in Eingriff bringt, so daß eine Verzögerung hervorgerufen wird. Eine um das Ventil angeordnete Spule könnte als berührungsloses Klemmelement eine Klemmkraft auf das Ventil ausüben.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des variabel steuerbaren Ventilsystems, bei denen die Ventilantriebseinrichtung eine pneumatische oder elektromagnetische Ventilantriebseinrichtung ist. Bei Verwendung derartiger Ventilantriebseinrichtungen besteht nämlich im Gegensatz zu einer rein mechanischen, nicht flexiblen Ventilantriebseinrichtung die zusätzliche Möglichkeit mittels der Klemmvorrichtung die Bewegung des Ventils auch entgegen den von der Ventilantriebseinrichtung auf das Ventil ausgeübten Kräfte zu beeinflussen und zu steuern. Damit kann dann auch der Öffnungsvorgang des Ventils beeinflußt d. h. verzögert werden.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des variabel steuerbaren Ventilsystems, bei denen die Ventilantriebseinrichtung einen Nocken und einen Stößel umfaßt, wobei die Kontur des Nockens in dem Bereich, der für das Öffnen des Ventils zuständig ist, in der Art ausgebildet ist, daß oberhalb einer vorgebbaren Drehzahl der Kraftschluß zwischen Stößel und Nocken beim Öffnungsvorgang verloren geht. Diese vorteilhaft Ausführungsform eines Ventilsystems mit rein mechanischer Ventilantriebseinrichtung - einem Nocken und einem Stößel - ermöglicht wie bei der oben beschriebenen pneumatischen oder elektromagnetischen Ventilantriebseinrichtung die zusätzliche Möglichkeit, die Bewegung des Ventils mittels der Klemmvorrichtung auch während des Öffnungsvorgangs zu beeinflussen und damit zu steuern und zwar in den Zeitspannen, in denen kein Kraftschluß zwischen Stößel und Nocken vorliegt. Damit kann auch der Öffnungsvorgang des Ventils bei Verwendung rein mechanischer Ventilantriebseinrichtung beeinflußt werden.
Des weiteren ermöglicht diese Ausführungsform, bei der das Ventil gewissermaßen in den Brennraum hinein geworfen wird, eine sehr schnelle Öffnung der Ventileinlaß- bzw. Auslaßöffnung und damit die gewünschte schnelle Freigabe großer Strömungsquerschnitte.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des variabel steuerbaren Ventilsystems, bei denen die Ventilantriebseinrichtung einen zwischen Nocken und Stößel angeordneten Kipphebel umfaßt, der modular aufgebaut ist und einen ersten und einen zweiten Kipphebel umfaßt, wobei der erste und der zweite Kipphebel mittels eines Federelementes in der Art gegeneinander vorgespannt sind, daß der erste Kipphebel zum Nocken und der andere Kipphebel zum Stößel hin verschwenkt wird.
Auch diese Ausführungsform einer Ventilantriebseinrichtung eröffnet die zusätzliche Möglichkeit, die Bewegung des Ventils mittels der Klemmvorrichtung entgegen den von der Ventilantriebseinrichtung auf das Ventil ausgeübten Kräften zu beeinflussen d. h. zu verzögern, wobei die von der Ventilantriebseinrichtung aufgebrachten Öffnungskräfte von dem Federelement, welches den ersten und den zweiten Kipphebel gegeneinander vorspannt, zwischengespeichert wird.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird durch ein Verfahren der gattungsbiidenden Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine steuerbare Klemmvorrichtung mit Klemmelement verwendet wird, mit welcher die Bewegung des Ventils zumindest teilweise unabhängig bzw. entgegen den von den Ventilfedermitteln auf das Ventil ausgeübten Kräften beeinflußt und gesteuert wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur variablen Steuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine wurden bereits ausführlich im Rahmen der Erläuterung des Ventilsystems erörtert. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß die Steuerzeiten mit einfachen Mitteln beeinflußt d. h. variiert werden können, wobei das Grundprinzip des beanspruchten Verfahrens nicht wie bei herkömmlichen Verfahren in einer Beschleunigung des Schließvorganges zu finden ist, sondern im Gegenteil eine Verzögerung der Schließbewegung gelehrt wird, wodurch auch die Nachteile bei einem zu schnellen Aufsetzen des Ventiltellers im Ventilsitz vermieden werden. Zudem kann bei entsprechender Ventilantriebseinrichtung auch der Öffnungsvorgang beeinflußt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Klemmelement ein piezoelektrisches Element verwendet wird. Die Verwendung dieses Klemmelementes ermöglicht eine Klemmvorrichtung mit nur wenigen Bauteilen, die darüber hinaus kostengünstig und wenig störanfällig ist. Weiteren Anforderungen an das Klemmventil, wie sie sich durch den Einsatz in einer Brennkraftmaschine ergeben, erfüllt das piezoelektrische Element ebenso. Insbesondere hat es nur einen geringen Raumbedarf und weist nur eine geringe Temperaturempfindlichkeit auf.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Klemmvorrichtung während des Schließvorganges des Ventils aktiviert wird, so daß der Schließvorgang verlangsamt wird. Die Effekte, welche über eine Variation des Schließvorganges herbeigeführt werden können, und die entsprechenden Steuerungsstrategien wurden bereits dargelegt.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Klemmvorrichtung kurz vor Beendigung des Schließvorganges des Ventils aktiviert wird, um ein langsames Schließen zu ermöglichen. Diese Ausführungsform des Verfahrens ermöglicht ein sanftes Schließen des Ventils d. h. ein langsames, schonendes Einsetzen des Ventiltellers im Ventilsitz zur Vermeidung von Beschädigungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Ventilantriebseinrichtung eine pneumatische oder elektromagnetische Ventilantriebseinrichtung verwendet wird. Diese Ausführungsform des Verfahrens gestattet die Verzögerung des Öffnungsvorganges des Ventils.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine Ventilantriebseinrichtung verwendet wird, die einen Nocken und einen Stößel umfaßt, wobei vorzugsweise die Kontur des Nockens in dem Bereich, der für das Öffnen des Ventils zuständig ist, in der Art ausgebildet ist, daß oberhalb einer vorgebbaren Drehzahl der Kraftschluß zwischen Stößel und Nocken verloren geht. Diese Verfahrensvariante ermöglicht ebenfalls die Verzögerung des Öffnungsvorganges des Ventils zumindest in Teilbereichen.
Vorteilhaft sind ebenso Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine Ventilantriebseinrichtung verwendet wird, die einen zwischen Nocken und Stößel angeordneten Kipphebel umfaßt, der modular aufgebaut ist und einen ersten und einen zweiten Kipphebel umfaßt, wobei der erste und der zweite Kipphebel mittels eines Federelementes in der Art gegeneinander vorgespannt sind, daß der erste Kipphebel zum Nocken und der andere Kipphebel zum Stößel hin verschwenkt wird.
Die beiden letztgenannten Verfahrensvarianten ermöglichen ebenso wie bei Einsatz einer pneumatische oder elektromagnetische Ventilantriebseinrichtung die Verzögerung des Öffnungsvorganges.
Vorteilhaft sind aber gerade Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Klemmvorrichtung sowohl während Schließvorganges als auch während des Öffnungsvorganges des Ventils aktiviert werden kann, so daß der Öffnungsvorgang neben dem Schließvorgang steuerbar wird. Auf diese Weise gewinnt die variable Ventilsteuerung zusätzliche Freiheitsgrade, was zu einer zusätzlichen Flexibilität bei der Ventilsteuerungsstrategie führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus mit anderen Verfahren zur variablen Steuerung eins Ventils kombiniert und ergänzt werden. Vorteilhaft ist insbesondere die Kombination des beanspruchten Verfahren mit einem elektromagnetischen Ventiltrieb, bei dem gerade der Schließvorgang durch zu hartes Aufsetzen des Ventiltellers im Ventilsitz geprägt ist. Dem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeholfen werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der Figur 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
  • Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform des variabel steuerbaren Ventilsystems
  • Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des variabel steuerbaren Ventilsystems 1 für eine Brennkraftmaschine.
    • Das Ventilsystem 1 umfaßt ein Hubventil 2, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um einen Einlaß 6 der Brennkammer 14 der Brennkraftmaschine freizugeben bzw. zu versperren. Die in Figur 1 dargestellte Momentaufnahme zeigt das Ventil 2 in der Schließstellung, in der der Ventilteller 3 des Ventils 2 im Ventilsitz 4 angeordnet ist und den Brennraum 14 gegenüber dem Einlaß 6 abdichtet.
    Das Ventilsystem 1 ist mit Ventilfedermitteln 7 ausgestattet, um das Ventil 2 in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen. Hierzu ist eine Halterung 13 vorgesehen, die am Ende des Ventilschaftes 5 befestigt ist und an der sich die Ventilfedermittel 7 abstützen.
    Um das Ventil 2 entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel 7 zu öffnen ist eine mechanische Ventilantriebseinrichtung 8 vorgesehen, die einen Nocken 11 und einen Stößel 12 umfaßt. Bei Drehung des Nockens 11 wird der Stößel 12 entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel 7 nach unten bewegt, wobei er den Schaft 5 des Ventils 2 in Richtung Brennraum 14 verschiebt, so daß der Einlaß 6 freigegeben wird. Nach Erreichen des maximalen Ventilhubes folgt der Schließvorgang. Bei deaktivierter Klemmvorrichtung 9 führen die an der Halterung 13 und dem Schaft 5 angreifenden Federkräfte der Ventilfedermittel 7 das Ventil 2 in Richtung Ventilschließstellung, wobei gleichzeitig der Stößel 12 in seine Ausgangsposition gebracht wird. Dabei sorgen die Federkräfte der Ventilfedermittel 7 auch für einen ausreichenden Kraftschluß zwischen Nocken 11 und Stößel 12 und verhindern ein Abheben.
    Um nun den Schließvorgang des Ventils 5 zu verzögern, ist das Ventilsystem 1 mit einer steuerbaren Klemmvorrichtung 9 ausgestattet, die ein piezoelektrisches Element 10 als Klemmelement 10 umfaßt. Mit Hilfe dieser Klemmvorrichtung 9 kann die Bewegung des Ventils 2 entgegen den von den Ventilfedermitteln 7 auf das Ventil 2 ausgeübten Kräften beeinflußt d.h. verzögert werden. Unter Berücksichtigung der sich zeitlich ändernden Federkräfte kann der Schließvorgang durch Variation der Klemmkräfte völlig frei gesteuert werden. Dabei wird der Kraftschluß zwischen Nocken 11 und Stößel 12 aufgehoben. Übersteigen die Klemmkräfte die momentanen Federkräfte kommt das Ventil 2 zum Stehen.
    Bezugszeichen
    1
    Ventilsystem
    2
    Ventil
    3
    Ventilteller
    4
    Ventilsitz
    5
    Ventilschaft
    6
    Einlaß
    7
    Ventilfedermittel
    8
    Ventilantriebseinrichtung
    9
    Klemmvorrichtung
    10
    Klemmelement, piezoelektrisches Element
    11
    Nocken
    12
    Stößel
    13
    Halterung
    14
    Brennkammer

    Claims (19)

    1. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventil (2), das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlaß- oder Auslaßöffnung einer Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln (7), um das Ventil (2) in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und einer Ventilantriebseinrichtung (8), um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel (7) zu öffnen,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         eine steuerbare Klemmvorrichtung (9) mit Klemmelement (10) vorgesehen ist, mit welcher die Bewegung des Ventils (2) zumindest teilweise unabhängig bzw. entgegen den von den Ventilfedermitteln (7) auf das Ventil (2) ausgeübten Kräften beeinflußbar und damit steuerbar ist.
    2. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         das Ventil (2) ein Hubventil (2) ist.
    3. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         das Ventil (2) ein Einlaßventil ist.
    4. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         das Ventil (2) ein Auslaßventil ist.
    5. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Klemmvorrichtung (9) mit einem piezoelektrischen Element (10) als Klemmelement (10) ausgestattet ist.
    6. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         das Klemmelement (10) um den Schaft (5) des Hubventils (2) herum angeordnet ist und Klemmkräfte über den Schaft (5) auf das Ventil (2) ausübt.
    7. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Ventilantriebseinrichtung (8) eine pneumatische oder elektromagnetische Ventilantriebseinrichtung ist.
    8. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Ventilantriebseinrichtung (8) einen Nocken (11) und einen Stößel (12) umfaßt.
    9. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Kontur des Nockens (11) in dem Bereich, der für das Öffnen des Ventils (2) zuständig ist, in der Art ausgebildet ist, daß oberhalb einer vorgebbaren Drehzahl der Kraftschluß zwischen Stößel (12) und Nocken (11) verloren geht.
    10. Variabel steuerbares Ventilsystem (1) nach Anspruch 8 oder 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Ventilantriebseinrichtung (8) einen zwischen Nocken (11) und Stößel (12) angeordneten Kipphebel umfaßt, der modular aufgebaut ist und einen ersten und einen zweiten Kipphebel umfaßt, wobei der erste und der zweite Kipphebel mittels eines Federelementes in der Art gegeneinander vorgespannt sind, daß der erste Kipphebel zum Nocken (11) und der andere Kipphebel zum Stößel (12) hin verschwenkt wird.
    11. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (2) einer Brennkraftmaschine mit einem Ventil (2), das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Einlaß- oder Auslaßöffnung einer Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben bzw. zu versperren, mit Ventilfedermitteln (7), um das Ventil (2) in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und einer Ventilantriebseinrichtung (8), um das Ventil (2) entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel (7) zu öffnen,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         eine steuerbare Klemmvorrichtung (9) mit Klemmelement (10) verwendet wird, mit welcher die Bewegung des Ventils (2) zumindest teilweise unabhängig bzw. entgegen den von den Ventilfedermitteln (7) auf das Ventil (2) ausgeübten Kräften beeinflußt und gesteuert wird.
    12. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach Anspruch 11,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         als Klemmelement (10) ein piezoelektrisches Element (10) verwendet wird.
    13. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach Anspruch 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Klemmvorrichtung (9) während des Schließvorganges des Ventils (2) aktiviert wird, so daß der Schließvorgang verlangsamt wird.
    14. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach Anspruch 13,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Klemmvorrichtung (9) kurz vor Beendigung des Schließvorganges des Ventils (2) aktiviert wird, um ein sanftes Schließen zu ermöglichen.
    15. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         als Ventilantriebseinrichtung (8) eine pneumatische oder elektromagnetische Ventilantriebseinrichtung verwendet wird.
    16. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         eine Ventilantriebseinrichtung (8) verwendet wird, die einen Nocken (11) und einen Stößel (12) umfaßt.
    17. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach Anspruch 16,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         ein Nocken (11) verwendet wird, dessen Kontur in dem Bereich, der für das Öffnen des Ventils (2) zuständig ist, in der Art ausgebildet ist, daß oberhalb einer vorgebbaren Drehzahl der Kraftschluß zwischen Stößel (12) und Nocken (11) verloren geht.
    18. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach Anspruch 16 oder 17,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         eine Ventilantriebseinrichtung (8) verwendet wird, die einen zwischen Nocken (11) und Stößel (12) angeordneten Kipphebel umfaßt, der modular aufgebaut ist und einen ersten und einen zweiten Kipphebel umfaßt, wobei der erste und der zweite Kipphebel mittels eines Federelementes in der Art gegeneinander vorgespannt sind, daß der erste Kipphebel zum Nocken (11) und der andere Kipphebel zum Stößel (12) hin verschwenkt wird.
    19. Verfahren zur variablen Steuerung eines Ventils (1) nach Anspruch 15, 17 oder 18,
      dadurch gekennzeichnet, daß
         die Klemmvorrichtung (9) während des Öffnungsvorganges des Ventils (2) aktiviert wird, so daß der Öffnungsvorgang steuerbar wird.
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