Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit mindestens einem Zylinder und mit mindestens einem Gaswechselventil (1), das durch eine erste Nockenwelle (16) über einen ersten Nocken (14) und eine zweite Nockenwelle (17) über einen zweite Nocken (15) gesteuert ist, welche Nockenwellen (16, 17) zur Veränderung der Steuerzeiten des Gaswechselventils (1) in ihrer Phasenlage verstellbar ausgeführt sind. Ein einfacher Aufbau bei sehr großen Freiheitsgraden in der Steuerung wird dadurch erreicht, dass der erste Nocken (14) auf ein erstes Hydraulikglied (10) einwirkt und der zweite Nocken (15) auf ein zweites Hydraulikglied (11) einwirkt, welche beiden Hydraulikglieder (10, 11) gemeinsam auf ein drittes Hydraulikglied (5) einwirken, das das Gaswechselventil (1) betätigt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit mindestens einem Zylinder und mit mindestens einem Gaswechselventil, das durch eine erste Nockenwelle über einen ersten Nocken und durch eine zweite Nockenwelle über einen zweiten Nocken gesteuert ist, wobei mindestens eine Nockenwelle zur Veränderung der Steuerzeiten des Gaswechselventils in ihrer Phasenlage verstellbar ausgeführt ist.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung optimiert werden können, indem die Ventilsteuerzeiten der Einlass- und Auslassventile in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand verändert werden.

[0003] Durch eine solche Maßnahme kann sowohl die Leistung erhöht werden, als auch Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen verringert werden. Eine bekannte Möglichkeit, eine solche Veränderung der Ventilsteuerzeiten zu realisieren, besteht darin, die Nockenwelle, die die Betätigung des betreffenden Ventils vornimmt, gegenüber einer Normalstellung geringfügig zu verdrehen. Es ist klar, dass auf diese Weise die Dauer der Ventilöffnung und der Ventilhub bei der Öffnung unveränderlich sind.

[0004] Aus der EP 0 596 860 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeiten bekannt, bei denen sich jeder Nocken aus zwei Halbnocken zusammensetzt, die gegeneinander verdrehbar sind. Auf diese Weise ist es möglich, auch die Ventilöffnungsdauer zu verändern. Um die Halbnocken unabhängig voneinander verstellen zu können, ist innerhalb einer hohl gebohrten Nockenwelle eine Innenwelle vorgesehen, die gegenüber der Nockenwelle verdrehbar ist. Auf diese Weise können zwar sowohl der Beginn der Ventilöffnung als auch das Ende der Ventilöffnung innerhalb gewisser Grenzen unabhängig voneinander eingestellt werden, aber der Ventilhub ist nach wie vor vorgegeben, und außerdem ist die Vorrichtung komplex und aufwendig.

[0005] Eine weitere Lösung zur Realisierung von Ventilsteuerzeiten, bei denen Öffnungsund Schließbewegung unabhängig voneinander verändert werden können, ist in der EP 0 909 882 A beschrieben. Dabei wird ein Ventil durch zwei Nockenwellen betätigt, von denen eine im Wesentlichen die Ventilöffnungsbewegung und die andere die Ventilschließbewegung initiiert. Auch bei dieser Lösung ist nachteilig, dass der Ventilhub unveränderlich ist und dass die mechanische Komplexität groß ist.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit einer Ventilsteuerung anzugeben, die diese Nachteile vermeidet und große Freiheitsgrade bei der Einstellung der Ventilöffnungszeiten und bei der Hubhöhe der Ventilbewegung ermöglicht. Dabei soll der mechanische Aufwand möglichst gering sein, so dass eine kostengünstige Herstellung und Instandhaltung erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzugeben, bei der in einfacher Weise auch eine Ventilabschaltung realisiert werden kann, sofern dies erforderlich ist.

[0007] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Nocken auf ein erstes Hydraulikglied einwirkt und der zweite Nocken auf ein zweites Hydraulikglied einwirkt, welche beiden Hydraulikglieder gemeinsam auf ein drittes Hydraulikglied einwirken, das das Gaswechselventil betätigt.

[0008] Wesentlich an der Erfindung ist, dass durch die Zwischenschaltung von Hydraulikgliedern, die vorzugsweise als Hydraulikzylinder ausgebildet sind, einerseits eine Vereinfachung des mechanischen Aufbaus erreicht werden kann und andererseits auch die Höhe des Ventilhubs beeinflusst werden kann.

[0009] Um die Unabhängigkeit der Öffnungsbewegung des Gaswechselventils von der Schließbewegung zu erhalten, wird dabei die Schaltung der Hydraulikglieder vorzugsweise so vorgenommen, dass das Gaswechselventil nur dann öffnet, wenn eine Betätigung durch den ersten Nocken und den zweiten Nocken gleichzeitig vorliegt. Die Nockenkonturen sind dabei so gestaltet, dass beispielsweise der erste Nocken das erste Hydraulikglied vor der frühest möglichen Ventilöffnungszeit beaufschlagt. Dies bedeutet, dass ausschließlich der zweite Nocken die tatsächliche Ventilöffnung veranlasst. Der zweite Nocken ist wiederum so ausgebildet, dass er auch noch bei dem spätest möglichen Ventilschließzeitpunkt das zweite Hydrauliklied noch beaufschlagt, so dass das Ventil geschlossen wird, wenn der erste Nocken die Beaufschlagung des ersten Hydraulikglieds beendet. Durch unabhängige Verstellung der beiden Nockenwellen können so Öffnungsund Schließbewegung des Gaswechselventils unabhängig voneinander beeinflusst werden. Wenn die Schließbewegung eingeleitet wird, bevor die Öffnungsbewegung abgeschlossen ist, kann auch der Ventilhub in einfacher Weise verringert werden. Es ist jedoch in einer vereinfachten Ausführungsvariante der Erfindung auch möglich, nur eine der beiden Nockenwellen verstellbar auszuführen, so dass beispielsweise der Ventilöffnungszeitpunkt fix ist, jedoch der Ventilschließzeitpunkt verändert werden kann. Die vollen Vorteile der Erfindung werden jedoch erst dann erreicht, wenn beide Nockenwellen unabhängig voneinander verstellbar sind.

[0010] Eine konstruktiv besonders günstige Lösung der Erfindung ist gegeben, wenn der erste Nocken über einen ersten Kipphebel und der zweite Nocken über einen zweiten Kipphebel auf das jeweilige Hydraulikglied einwirkt. Ein besonders einfacher Aufbau kann dabei dadurch erreicht werden, wenn der erste Kipphebel und der zweite Kipphebel auf einer gemeinsamen Achse gelagert sind.

[0011] Um sicherzustellen, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Kipphebel auf das zugehörige Hydraulikglied einwirkt, kann in bevorzugter Weise vorgesehen sein, dass einer der Kipphebel einen vorzugsweise einstellbaren Mitnehmer für den anderen Kipphebel aufweist, wodurch dieser betätigt wird, wenn jener nicht betätigt wird. Die Einstellung kann beispielsweise durch eine Schraube am Mitnehmer realisiert sein, die es ermöglicht, die Koordination der Kipphebel entsprechend zu verändern.

[0012] Eine Ventilabschaltung kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass das Gaswechselventil dann und nur dann geöffnet ist, wenn ein Schaltventil vorgesehen ist, das dazu ausgebildet ist, die Betätigung des Gaswechselventils zu unterbinden.

[0013] Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich für alle Arten von Brennkraftmaschinen, also insbesondere auch für Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung und solche mit Selbstzündung, geeignet. Die erfindungsgemäße Ventilsteuerung kann als Gaswechselventil sowohl ein Einlassventil als auch ein Auslassventil ansteuern, oder es können sowohl Einlassventile als auch Auslassventile unabhängig voneinander variabel gesteuert werden.

[0014] Eine besonders einfache Ausführung der Brennkraftmaschine wird erreicht, wenn das Gaswechselventil, das von der ersten Nockenwelle und von der zweiten Nockenwelle gesteuert ist, ein Einlassventil ist und dass ein Auslassventil von der ersten Nockenwelle gesteuert ist. Auf diese Weise kann mit zwei Nockenwellen für die Steuerung der Ein- und Auslassventile das Auslangen gefunden werden. In diesem Fall sind die Steuerzeiten des Auslassventils fest mit der Öffnungsoder mit der Schließbewegung des Einlassventils gekoppelt.

[0015] Bei einer Brennkraftmaschine mit drei oder mehr Ventilen pro Zylinder kann auch vorgesehen sein, dass das dritte Hydraulikglied auf eine Ventilbrücke zur Betätigung mehrerer gleichartiger Gaswechselventile einwirkt. Auf diese Weise können beispielsweise zwei Einlassventile gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden.

[0016] Eine weitere Optimierung der vorliegenden Erfindung kann dadurch erreicht werden, dass die die Hydraulikglieder umfassende Hydraulikeinrichtung eine Ventilspielausgleichseinrichtung umfasst. Durch die Leckage des Systems wird ohne merkliche Erhöhung des Aufwandes die Funktionalität eines Ventilspielausgleichs erreicht. Auf diese Weise kann der Mehraufwand gegenüber einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit Ventilspielausgleich in überschaubaren Grenzen gehalten werden.

[0017] In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Ausführungsvariante der Erfindung im Schnitt;

Fig. 2

eine axonometrische Darstellung der Ausführungsvariante von Fig. 1; und

Fig. 3

und Fig. 4 Diagramme zur Erklärung der Wirkungsweise der Erfindung.

[0018] In Fig. 1 ist der erfindungswesentliche Teil einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung dargestellt. Einem nicht näher dargestellten Zylinder ist ein Gaswechselventil 1 zugeordnet, das ein Einlassventil oder Auslassventil sein kann. In an sich bekannter Weise wird das Gaswechselventil 1 von einer Ventilfeder 2, die sich auf einem Teller 3 abstützt, in die geschlossene Stellung vorgespannt. In einem Gehäuse 4 ist ein Hydraulikkolben5 beweglich gelagert, der das dritte Hydraulikglied darstellt und über eine Kolbenstange 6 auf das Gaswechselventil 1 einwirkt, um dieses zu öffnen. Der Hydraulikkolben 5 begrenzt einen Arbeitsraum 7, der mit einem ersten Hydraulikzylinder 8 und einem zweiten Hydraulikzylinder 9 in Strömungsverbindung steht. In dem ersten bzw. zweiten Hydraulikzylinder 8, 9 ist jeweils ein erster bzw. zweiter Steuerkolben 10, 11 beweglich angeordnet. Der erste Kolben 10 wird von einem ersten Kipphebel 12 betätigt, der seinerseits von einem ersten Nocken 14 betätigt wird, der auf einer ersten Nockenwelle 16 angeordnet ist. Analog dazu wird der zweite Kolben 11 von einem zweiten Kipphebel 13 und einem zweiten Nocken 15 auf einer zweiten Nockenwelle 17 betätigt. Der erste und der zweite Kipphebel 12, 13 sind auf einer gemeinsamen Achse 18 gelagert. Der erste Kipphebel 12 besitzt einen angeformten Mitnehmer 19, der den zweiten Kipphebel 13 betätigt, wenn der erste Kipphebel 12 nicht betätigt wird.

[0019] Weiters ist der Arbeitsraum 7 und die damit zusammenhängenden Zylinderräume 8, 9 über eine Verbindungsleitung 20 mit einem Schaltventil 21 verbunden. In der in Fig. 1 dargestellten Stellung wird die Verbindungsleitung 20 über eine Versorgungsleitung 22, in der ein Rückschlagventil 23 vorgesehen ist, mit Motoröl aus dem Motorölkreislauf versorgt. Alternativ dazu ist jedoch auch eine Fremdölversorgung möglich. Durch Umschaltung des Schaltventils 21 kann der Arbeitsraum 7 mit dem Leckölsystem 24 verbunden werden, wodurch die Ventilbetätigung verhindert wird und eine Ventilabschaltung erreicht wird.

[0020] In dem Diagramm von Fig. 3 wird die Variabilität des erfindungsgemäßen Ventiltriebs anhand eines Diagramms dargestellt. Über dem Kurbelwinkel KW ist der Ventilhub h in beliebigen Einheiten aufgetragen. Mit 30 ist ein erster Kurvenabschnitt bezeichnet, der einer frühen Öffnung des Gaswechselventils 1 entspricht. Je nach Festsetzung des Schließzeitpunktes setzt sich der Kurvenabschnitt 30 in den Kurvenabschnitten 31, 32 oder 33 fort, wobei 31 einem sehr frühen Schließen, 32 einem mittleren Schließen und 33 einem späten Schließen entspricht. Es ist ersichtlich, dass bei frühem Schließen gemäß Kurve 31 der maximale Ventilhub h nicht erreicht wird, da die Schließbewegung bereits beginnt, bevor die Öffnungsbewegung vollendet ist. In analoger Weise sind mit unterbrochenen Linien weitere Kurven 40, 41, 42 und 43 eingetragen, die den Kurven 30, 31, 32 und 33 entsprechen, wobei jedoch ein späterer Ventilöffnungszeitpunkt gegeben ist. Die Länge der Ventilöffnung und der Hub entsprechend den Kurven 41, 42 und 43 sind identisch denen im Fall der Kurven 31, 32 bzw. 33.

[0021] In Fig. 4 ist in einem Diagramm der Zusammenhang zwischen der Stellung der Nocken 14, 15 und der Ventilöffnung dargestellt. Die Kurve 51 stellt dabei die Erhebung des ersten Nockens 14 dar, die zwischen n₀, dem Grundkreis, und n₁, der Nockenerhebung, wechselt. Analog dazu stellt die Kurve 52 die Situation am zweiten Nocken 15 dar, die zwischen der Grundstellung m₀ und der erhobenen Stellung m₁ wechselt. Zu einem Zeitpunkt t₀, der 0° Kurbelwinkel entspricht, ist der erste Nocken 14 in der erhobenen Stellung n₁ und der zweite Nocken 15 in der Grundstellung m₀. Dementsprechend ist das Gaswechselventil 1 in seiner geschlossenen Stellung.

[0022] Zum Zeitpunkt t₁ beginnt am zweiten Nocken 15 die ansteigende Flanke, die sich bis zum Zeitpunkt t₂ fortsetzt, in der der zweite Nocken 15 die erhobene Stellung m₁ erreicht hat. Dieser Zeitabschnitt zwischen t₁ und t₂ entspricht der Öffnungsbewegung des Gaswechselventils 1. Bis zum Zeitpunkt t₃ bleiben beide Nocken 14, 15 in der erhobenen Stellung n₁, m₁, und das Gaswechselventil 1 bleibt vollständig geöffnet. Zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄ sinkt der erste Nocken 14 auf seinen Grundkreis bei n_o ab, und dementsprechend schließt das Gaswechselventil 1 und ist ab dem Zeitpunkt t₄ vollständig geschlossen. Zu einem beliebigen Zeitpunkt t₅, der aber jedenfalls nach dem spätest möglichen Zeitpunkt t₄ liegen muss, beginnt die absteigende Flanke des zweiten Nockens 15, wie aus der Kurve 52 ersichtlich ist. Da jedoch der Mitnehmer 19 des ersten Kipphebels 12 den zweiten Kipphebel 13 niederhält, hebt dieser vom zweiten Nocken 15 ab, so dass sich eine fiktive Nockenkurve 53 ergibt, die mit strichpunktierten Linien dargestellt ist. Der Zeitpunkt t₆ entspricht dem Erreichen des Grundkreises des zweiten Nockens 15, was jedoch für das System bedeutungslos ist. Erst zu einem Zeitpunkt t₇ beginnt die ansteigende Flanke des ersten Nockens 14 mit einer entsprechenden Bewegung des ersten Kipphebels 12, wodurch der Mitnehmer 19 den zweiten Kipphebel 13 entsprechend freigibt, bis dieser letztendlich wieder auf dem zweiten Nocken 15 aufsitzt. Im Zeitpunkt t₈, der 720° Kurbelwinkel entspricht, ist diese Bewegung zu Ende und es beginnt ein neues Arbeitsspiel bei t₀.

[0023] Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass der zweite Nocken 15 die Öffnungsbewegung des Gaswechselventils 1 veranlasst, wogegen der erste Nocken 14 die Schließbewegung bewirkt.

[0024] Durch die vorliegende Erfindung ist es in einfacher Weise möglich, die Ventilsteuerzeiten mit großen Freiheitsgraden festzulegen.

Ansprüche

1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit mindestens einem Zylinder und mit mindestens einem Gaswechselventil (1), das durch eine erste Nockenwelle (16) über einen ersten Nocken (14) und eine zweite Nockenwelle (17) über einen zweite Nocken (15) gesteuert ist, wobei mindestens eine Nockenwelle (16, 17) zur Veränderung der Steuerzeiten des Gaswechselventils (1) in ihrer Phasenlage verstellbar ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Nocken (14) auf ein erstes Hydraulikglied (10) einwirkt und der zweite Nocken (15) aus ein zweites Hydraulikglied (11) einwirkt, welche beiden Hydraulikglieder (10, 11) gemeinsam auf ein drittes Hydraulikglied (5) einwirken, das das Gaswechselventil (1) betätigt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Nocken (14) über einen ersten Kipphebel (12) auf das erste Hydraulikglied (10) einwirkt.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Nocken (15) über einen zweiten Kipphebel (13) auf das zweite Hydraulikglied (11) einwirkt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kipphebel (12) und der zweite Kipphebel (13) auf einer gemeinsamen Achse (18) gelagert sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Kipphebel (12) einen vorzugsweise einstellbaren Mitnehmer (19) für den anderen Kipphebel (13) aufweist, wodurch dieser betätigt wird, wenn jener nicht betätigt wird.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (1) dann und nur dann geöffnet ist, wenn sowohl der erste Nocken (14) als auch der zweite Nocken (15) auf das jeweilige Hydraulikglied (10, 11) einwirken.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltventil (21) vorgesehen ist, das dazu ausgebildet ist, die Betätigung des Gaswechselventils (1) zu unterbinden.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikglieder (10, 11) als Hydraulikzylinder ausgebildet sind.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (1), das von der ersten Nockenwelle (16) und von der zweiten Nockenwelle (17) gesteuert ist, ein Einlassventil ist und dass ein Auslassventil von der ersten Nockenwelle (16) gesteuert ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nockenwelle (16) und die zweite Nockenwelle (17) in ihrer Phasenlage unabhängig voneinander verstellbar ausgeführt sind.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Hydraulikglied (5) auf eine Ventilbrücke zur Betätigung mehrerer gleichartiger Gaswechselventile (1) einwirkt.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die die Hydraulikglieder (5; 10, 11) umfassende Hydraulikeinrichtung eine Ventilspielausgleichseinrichtung umfasst.

Zeichnung