Ventiltrieb mit variablem Ventilhub und Steuerzeiten für hochdrehende Verbrennungsmotoren

Abstract

 Die hier dargestellte Erfindung soll einen vollvariablen Ventilhub (Auslass- oder/ und vorzugsweise Einlassventil) in Abhängigkeit einer Steuerzeitenverstellung relativ zur Kurbelwelle ermöglichen. Dadurch ist es möglich selbst Motoren mit hoher Literleistung und geringer Schwungmasse eine gute Fahrbarkeit und gute Abgaswerte in allen Betriebspunkten zu ermöglichen. Gleichzeitig kann durch den Entfall einer herkömmlichen Drosselklappe und den dadurch bedingten Drosselverlusten eine höhere Leistung über den gesamten Drehzahlbereich erreicht werden. Auch können Zusatzfunktionen wie Traktionskontrolle o.ä. einfach dargestellt werden.
Kernstück der Erfindung ist der Schwenkrahmen (9) der in Abhängigkeit verschiedener Parameter koaxial um die Drehachse des Antriebszahnrades (1) geschwenkt wird. Das Antriebszahnrad (1) wird direkt von der Kurbelwelle oder einer mit der Kurbelwelle ständig in Eingriff stehenden Welle angetrieben. Hierbei kann die Übersetzung (1:2 Ventilkurbel (3) / Motorkurbellwelle) direkt im Antrieb (meist Kettentrieb) des Antriebszahnrades (1) oder aber über eine entsprechende Ausführung des Antriebszahnrades (1) und des Ventilkurbelzahnrades (2) erfolgen. Der Schwenkrahmen (9) ist koaxial zur Zahnradachse des Antriebszahnrades (1) gelagert und wird mittels eines Verstellelements (16) entgegen oder in Drehrichtung des Antriebszahnrades (1) geschwenkt. Je größer der Schwenkwinkel des Schwenkrahmens (9) desto größer der Ventilhub des Ventils (14) und desto größer die relative Verdrehung des Ventilkurbelzahnrades (2) und damit der Ventilkurbel (3) zum Antriebszahnrad (1) und damit auch zur Motorkurbelwelle.

Beschreibung

Bildverzeichnis :

[0001] 

Figur 1 :

Isometrische Gesamtansicht der Verstellanordnung

Figur 2 :

Schnittdarstellung der Verstellanordnung

Figur 3 :

Darstellung der Kurvenkontur (11) am Schlepphebel (5)

1.1 Anwendungsgebiet

[0002] Moderne Motoren erreichen immer höhere Literleistungen die nur durch konsequente Auslegung auf Höchstleistung möglich sind. Leider ist dies schwierig in Einklang zu bringen mit gleichzeitig schärferen Abgasgrenzwerten. Hierbei sind vor allem die Steuerzeiten des Ventiltriebs ein großes Problem. Um hohe Spitzenleistungen erreichen zu können, sind lange Ventilöffnungszeiten und große Ventilüberschneidungen (Einlass- und Auslassventil sind gleichzeitig geöffnet) notwendig. Dadurch werden allerdings Nachteile im Teillastbereich vor allem bei niedrigen Drehzahlen unvermeidlich. Durch die schlechte Füllung und Frischgasverluste (durch die hohe Ventilüberschneidung) sind die Abgaswerte und die Motorleistung im Teillastbereich sehr schlecht.

[0003] Ziel der hier vorgestellten Erfindung ist ein Ventiltrieb mit vollvariablem Ventilhub und kombinierter Steuerzeitenanpassung. Dadurch entfällt eine separate Drosselklappe. Auch ist die Drehmomentverlauf des Motors, sowie die Abgaswerte sind über den gesamten Drehzahlbereich nahezu optimal. Zusätzlich wird die Fahrbarkeit (Vermeiden von Ruckeln und besseres Ansprechverhalten des Motors) vor allem bei Motoren mit hoher Literleistung und geringer Schwungmasse (z.B. bei Motorrädern) wesentlich verbessert.

1.2 Stand der Technik

[0004] Derzeit befindet sich nur eine Lösung für einen Ventiltrieb mit vollvariablem Hub in Fahrzeugserienbau. Dies ist die Valvetronic von BMW. Allerdings kann bei diesem System ohne Zusatzeinrichtungen nur der Ventilhub vollvariabel verstellt werden, d.h. eine Verschiebung der Steuerzeiten in Richtung früh oder spät ist nicht möglich. Außerdem baut die Konstruktion der Valvetronic sehr hoch (Bauraumprobleme). Auch sind die bewegten Massen, die von der Ventilfeder bewegt werden müssen sehr hoch, während dies bei dieser hier vorgestellten Erfindung nur der Schlepphebel (5), das Einstellelement (13), der obere Federteller (12) und ein Teil der Ventilfeder (15) sind.

[0005] Weiterhin ist immer wieder von Versuchsträgern verschiedener Hersteller mit variabler Ventilsteuerung zu lesen, wovon allerdings keines der vorgestellten Konzepte in Serie gebaut wird (siehe z.B. EP 1350928A2).
Allerdings gilt dies nur für moderne Motoren mit obenliegenden Nockenwellen (DOHC, OHC Motoren). Für niedrig drehende Motoren mit untenliegender Nockenwelle gibt es bereits verschiedene Lösungen für Ventiltriebe mit variablem Hub.

[0006] Der hier vorgestellte Ventiltrieb soll Ventilhübe von ca. 0,5 mm bis ca. 11 mm ermöglichen bei einer gleichzeitigen Verschiebung der Steuerzeiten in Richtung OT (oberer Kolbentotpunkt) oder UT (unterer Kolbentotpunkt) von ca. 30-60 ° Kurbelwellenwinkel.

1.3 Darstellung der Erfindung

[0007] Die hier dargestellte Erfindung soll bei Motoren mit der Ventilsteuerung im Zylinderkopf einen vollvariablen Ventilhub in Abhängigkeit einer Steuerzeitenverstellung in Richtung Oberen Kolbentotpunkt (OT) oder Unteren Kolbentotpunkt (UT) ermöglichen. Dadurch sollen vor allem bei Motoren mit hoher Literleistung und niedrigen Schwungmassen die Abgaswerte und die Fahrbahrkeit bei niedrigen Drehzahlen und Teillast verbessert werden. Auch soll eine bessere Höchstleistung durch fehlende Drosselverluste (keine Drosselklappe mehr notwendig) erzielt werden. Die Steuerung erfolgt hier in Abhängigkeit des Weges am Gasgriff/-pedal vollelektronisch, indem ein Stellmotor über ein Verstellelement (16) den Schwenkrahmen (9) verstellt. Dies erfolgt in Abhängigkeit von Motordrehzahl Gasgriff/-pedalstellung sowie Fahrgeschwindigkeit. Auch kann so eine Traktionskontrolle ohne Eingriff ins Bremssystem leicht erfolgen.

[0008] Kernstück der Erfindung ist der Schwenkrahmen (9) der in Abhängigkeit verschiedener Parameter koaxial um die Achse des Antriebszahnrades (1) gedreht wird. Das Antriebszahnrad (1) wird direkt von der Motorkurbelwelle oder einer mit der Motorkurbelwelle ständig in Eingriff stehenden Welle angetrieben. Hierbei kann die Übersetzung (1:2 Ventilkurbel (3) / Motorkurbelwelle) direkt im Antrieb (meist Kettentrieb) des Antriebszahnrades (1) oder aber über eine entsprechende Ausführung des Antriebszahnrades (1) und des Ventilkurbelzahnrades (2) erfolgen. Der Schwenkrahmen (9) ist koaxial zur Drehachse des Antriebszahnrades (1) gelagert und wird mittels eines Verstellelements (16) entgegen oder in Drehrichtung des Antriebszahnrades (1) geschwenkt

[0009] Aufbau des Ventiltriebes:

1. Antriebszahnrad (1) wird per Kettenritzel oder Stirnradtrieb in direkter Abhängigkeit der Motorkurbelwelle angetrieben.

2. Ventilkurbelzahnrad (2) wird von Antriebszahnrad (1) angetrieben.

3. Der Schwenkrahmen (9) ist koaxial auf der Drehachse des Antriebszahnrades (1) gelagert und wird mittels eines Verstellelements (16) um diese entgegen oder in Drehrichtung des Antriebszahnrades (1) gedreht.

4. Die Ventilkurbel (3) ist fest mit dem Ventilkurbelzahnrad (2) verbunden und wird von diesem angetrieben.

5. Das Pleuel (4) ist exzentrisch auf der Ventilkurbel (3) angeordnet.

6. Über das Pleuel (4) wird die Hubbewegung auf den Schwenkhebel (6) übertragen.

7. Im Schwenkhebel (6) ist der Übertragungsbolzen (7) untergebracht.

8. Der Übertragungsbolzen (7) überträgt die Hubebewegung mittels der Rolle (11) auf den Schlepphebel (5).

9. Der Schlepphebel (5) überträgt mittels des Einstellelements (13) die Hubbewegung auf das Ventil (14).

10. Der Schlepphebel (5) ist auf der Schlepphebelachse (8) gelagert.

11. Der Schwenkhebel (6) ist auf der Schwenkhebelachse (10) gelagert. Funktionsweise:

[0010] Der Schwenkrahmen (9) befindet sich in "Nullstellung", d.h. die Ventilkurbel (3) ist soweit von dem Schlepphebel (5) entfernt, dass dieser auch bei einer vollständigen Umdrehung der Ventilkurbel (3) nicht nach unten gedrückt wird und der Schwenkhebel (6) nicht betätigt wird, d.h. der Schlepphebel (5) wird nicht über die Rolle (11) betätigt. Wird der Schwenkrahmen (9) nach unten [In Richtung Ventil (14)] geschwenkt, dann wird der Abstand der Ventilkurbel (3) zu dem Schlepphebel (5) verringert. Das Pleuel (4) überträgt nun die Hubbewegung der Ventilkurbel (3) auf den Schwenkhebel (6). Der in dem Schwenkhebel (6) gelagerte Übertragungsbolzen (7) und die auf diesem drehbar gelagerte Rolle (11) übertragen die Hubbewegung der Ventilkurbel (3) dann auf den Schlepphebel (5). Der Schlepphebel (5) überträgt nun über das Einstellelement (13) den Hub auf das Ventil (14). Gleichzeitig wird dabei durch die Drehung des Schwenkrahmens (9) um die Drehachse des Antriebsahnrades (1) das Ventilkurbelzahnrad (2) relativ zum Antriebszahnrad (1) verdreht und damit eine relative Veränderung der Lage der Ventilkurbel (3) zum Antriebszahnrad (1) und damit auch zur Kurbelwelle erzeugt. Je größer der Verdrehwinkel des Schwenkrahmens (9) um die Achse des Antriebszahnrades (1) desto größer wird der Hub des Ventils (14) und desto größer wird die relative Verdrehung des Ventilkurbelzahnrades (2) und der damit fest verbundenen Ventilkurbel (3) zum Antriebszahnrad (1) und damit auch zur Motorkurbelwelle.

[0011] Bei jedem Ventiltrieb muss der Beginn und das Ende des Ventilhubs möglichst sanft erfolgen, damit die mechanische Belastung der Bauteile nicht zu groß wird. Dies erfolgt bei dieser hier vorgestellten Verstelleinrichtung durch die geometrische Gestaltung des Schwenkhebels (6) und des Schlepphebels (5), sowie deren nicht konzentrischer Lagerung in Verbindung mit der geometrischen Kontur der Öffnungs- /Schließrampe (17). Der Hub am Ventil (14) beginnt wenn die Rolle (11), die über den Übertragungsbolzen (7) und den Schwenkhebel (6) geführt wird, die Öffnungs- /Schließrampe (17) des Schlepphebels (5) berührt. D.h. die Rolle (11) betätigt in ihrer Abwärtsbewegung den Schlepphebel (5) zuerst an der Öffnungs- /Schließrampe (17). Dies ermöglicht eine sehr sanfte Öffnungs- und Schließbewegung des Ventils (14). Ein Abheben des Schlepphebels (5) vom Einstellelement (13) bei Nichtbetätigung durch die Rolle (11) nach "oben" in Richtung Ventilkurbel (3) wird durch den Anschlag (18) verhindert. Das für die Wärmeausdehnung notwendige Ventilspiel wird über das Einstellelement (13) eingestellt. Wird auf einen geometrischen Anschlag (18) verzichtet und der Schlepphebel (5) kraftschlüssig mittels einer Feder o.ä. am Abheben nach oben bei Nichtbetätigung durch die Rolle (11) gehindert, so könnte auf ein Einstellen des Ventilspiels mittels des Einstellelements (13) generell verzichtet werden.

[0012] Auch ist eine hohe Drehzahlfestigkeit des hier vorgestellten Ventiltriebs gegeben, da lediglich das Ventil (14), ein Teil der Masse der Ventilfeder (15), der obere Federteller (12) und der Schlepphebel (5) per Federkraft der Ventilfedern (15) bewegt werden müssen.

Ansprüche

1. Vorrichtung für eine Betätigung eines Ventils (14) mit variablem Hub (Einlass- und /oder Auslassventil) eines Verbrennungsmotors. Dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilkurbelzahnrad (2) von dem Antriebszahnrad (1) angetrieben wird, das Ventilkurbelzahnrad (2) die Ventilkurbel (3) antreibt, die Ventilkurbel (3) im Schwenkrahmen (9) drehbar gelagert ist, der Schwenkrahmen (9) koaxial zur Drehachse des Antriebszahnrades (1) schwenkbar gelagert ist und mittels eines Verstellelements (16) in oder entgegen der Drehrichtung des Antriebszahnrades (1) geschwenkt wird, wobei das auf der Ventilkurbel (3) und dem Übertragungsbolzen (7) gelagerte Pleuel (4) die Bewegung der Ventilkurbel (3) mittels Übertragungsbolzen (7) auf den Schwenkhebel (6) und damit auf die Rolle (11) überträgt und verschiedene Erhebungen des Ventils (14) mittels der nicht koaxialen Lagerung der Schlepphebelachse (8) zur Schwenkhebelachse (10) im Zylinderkopf in Verbindung mit der Geometrie der Öffnungs-/ Schließrampe (17) realisiert werden, indem der vom Schwenkhebel (6) über die Rolle (11) betätigte Schlepphebel (5) die Hubbewegung über das Einstellelement (13) auf das Ventil (14) überträgt.

2. Vorrichtung nach Ausführung 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkhebelachse (10) exzentrisch im Zylinderkopf gelagert ist und damit eine Einstellung des Abstands zwischen der Rolle (11) und der Öffnungs-/ Schließrampe (17) erfolgen kann.

3. Vorrichtung nach Ausführung 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Schlepphebel (5) bei Nichtbetätigung durch die Rolle (11) in seiner Nulllage formschlüssig über das Einstellelement (13) zum Ventil (14) nicht durch einen geometrisch fixen Anschlag (18) gehalten wird, sondern kraftschlüssig mittels einer Feder oder ähnlichem.

4. Vorrichtung nach Ausführung 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des Antriebsrades (1) und des Schwenkrahmens (9) gleichzeitig die Auslassnockenwelle bildet und die Auslassventile mittels Kipphebel betätigt werden.

Zeichnung