[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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
p
mi infolge des reduzierten Drucks der angesaugten Luft und den damit verbundenen größeren
Ladungswechselverlusten absinkt. Zusammen mit dem Hubvolumen V
h ergibt der innere Mitteldruck p
mi die gewonnene Arbeit pro Arbeitspiel W
A. Es gilt:

[0007] Um die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur
Laststeuerung entwickelt, die sich im Stand der Technik wiederfinden.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur variablen
Steuerung eines Ventils einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] 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.
[0032] 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.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] 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.
[0038] 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.
[0039] 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.
[0040] 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.
[0041] Die beiden letztgenannten Verfahrensvarianten ermöglichen ebenso wie bei Einsatz
einer pneumatische oder elektromagnetische Ventilantriebseinrichtung die Verzögerung
des Öffnungsvorganges.
[0042] 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.
[0043] 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.
[0044] 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.
[0045] 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.
[0046] 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.
[0047] 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.
[0048] 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
[0049]
- 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
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.