Verbrennungsmotor mit einem elektromechanischen Ventiltrieb

Abstract

 Verbrennungsmotor mit
- mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Ventil (2) aufweist, das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin- und herverschoben werden kann,
- einer Ventilfeder (3), die auf das Ventil (2) eine Schließkraft ausübt, welche das Ventil in Richtung der Schließstellung spannt,
- einem schwenkbar im Bereich des Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors angeordneten Schwenkelement (5,6), mit dem durch Verschwenken des Schwenkelements in einer Öffnungsrichtung das Ventil entgegen der von der Ventilfelder ausgeübten Schließkraft in Richtung der Öffnungsstellung bewegt werden kann,
- einer Federeinrichtung (10,11), welche während des Öffnungsvorgangs eine Öffnungskraft bzw. ein Öffnungsdrehmoment ausübt, die bzw. das der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft entgegenwirkt,
- einem Elektromotor (7), durch den das Schwenkelement hin- bzw. hergeschwenkt werden kann, wobei das von dem Elektromotor ausgeübte Drehmoment in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Elektromotors entweder der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft oder der von der Federeinrichtung ausgeübten Öffnungskraft positiv überlagert ist.
Die Federeinrichtung und die Ventilfeder sind so aufeinander abgestimmt, dass in der Schließstellung des Ventils die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie (E₂) größer ist als die Federenergie (E₁), die in der Ventilfeder gespeichert ist, wenn sich das Ventil in der Öffnungsstellung befindet.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Ein derartiger Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor ist aus der DE 103 58 936 A1 sowie aus der DE 101 40 461 A1 bekannt.

[0003] Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle mechanisch über einer Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Spritverbrauchs würde es erhebliche Vorteile bringen, die Ventile der einzelnen Zylinder individuell anzusteuern. Dies ist durch einen elektrischen Ventiltrieb möglich. Bei einem elektrischen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten untersucht. Bei einem Grundtyp sind einem Ventil einer Ventilgruppe ein Öffnungs- und ein Schließmagnet zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben, d.h. geöffnet bzw. geschlossen werden. Derartige Ventiltriebe sind jedoch regelungstechnisch schwer beherrschbar. Bei dem anderen Grundtyp ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor hin- und herschwenkbar ist. Man spricht hierbei von dem sogenannten "Drehaktuatorprinzip". Bei der eingangs genannten DE 101 40 461 A1 wirkt der Nocken auf einen Kipphebel. Vom Kipphebel wird dann die vom Nocken erzeugte Öffnungskraft auf das Ventil übertragen. An einem Ende der Steuerwelle ist ein hebelartiges Element vorgesehen, das die Form einer Handkurbel hat. Ferner ist eine Schenkelfeder vorgesehen, die einen abstehenden Federarm aufweist, der gegen das hebelartige Element drückt. Der Federarm der Schenkelfeder übt ein Drehmoment auf die Steuerwelle bzw. auf den Nocken aus, das der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft bzw. dem von der Ventilfeder ausgeübten "Schließmoment" entgegenwirkt. Die durch den Drehaktuator bzw. einen Elektromotor angetriebene Steuerwelle, die Schenkelfeder, die Ventilfeder und das Ventil bilden dabei ein "schwingungsfähiges System".

[0004] Bei dem in der DE 103 58 963 A1 beschriebenen Ventiltrieb wird anstatt einer Schenkelfeder eine Drehstabfeder verwendet. Hier bilden die durch den Drehaktuator bzw. einen Elektromotor angetriebene Steuerwelle, die Drehstabfeder, die Ventilfeder und das Ventil ein schwingungsfähiges System.

[0005] Anstatt des Begriffs "Schenkelfeder" bzw. "Drehstabfeder" wird im Folgenden auch der allgemeinere Begriff "Federeinrichtung" verwendet. Bei den oben genannten Patentanmeldungen können in der Federeinrichtung und in der Ventilfeder in etwa die gleiche Energie gespeichert werden. In der Schließstellung des Ventils ist also in der Federeinrichtung in etwa genauso viel Federenergie gespeichert wie in der Ventilfeder, wenn das Ventil geöffnet ist.

[0006] Bei einem Drehaktorventiltrieb tritt die meiste mechanische Reibung im zeitlich letzten Abschnitt eines Öffnungszyklus auf, d.h. wenn das Ventil geöffnet wird. Im normalen Verbrennungsmotorbetrieb mit Ventilöffnungszeiten von ca. 240° bis 280° Kurbelwinkel wird die meiste Reibenergie im letzten Drittel der Drehaktorbewegung verbraucht. Bei einem Drehaktor eines Auslassventils muss zusätzlich Öffnungsarbeit aufgewendet werden, um den Zylinderinnendruck zu überwinden. Der Elektromotor eines solchen Drehaktors muss die mechanische Reibarbeit dem System zuführen. Hierzu steht nur die halbe Periodendauer eines Arbeitsspiels zur Verfügung, da der Elektromotor bzw. der Drehaktor bei Erreichen des Maximalhubs des Ventils zum Stillstand kommt und danach wieder in die Schließstellung des Ventils zurückdreht. Die durch Reibung beim Öffnen des Ventils verlorengehende Energie muss der Elektromotor bis zum Erreichen des Maximalhubs des Ventils zuführen. Der Elektromotor muss also in der Lage sein, in sehr kurzer Zeit ein hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen und muss daher relativ leistungsfähig ausgelegt sein, was wiederum ein relativ großes Massenträgheitsmoment impliziert. Ein großes Massenträgheitsmoment jedoch wirkt sich ungünstig auf die Dynamik des Systems aus.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Ventiltrieb mit Drehaktor zu schaffen, bei dem die dem System elektromotorisch zuzuführende Energie effizienter zugeführt werden kann.

[0008] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0009] Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Ventil aufweist, das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin- und herverschoben werden kann. Ferner ist eine Ventilfeder vorgesehen, die auf das Ventil eine Schließkraft ausübt, welche das Ventil in Richtung der Schließstellung spannt. Im Bereich des Zylinderkopfes des Verbrennungsmotors ist ein schwenkbar angeordnetes Schwenkelement vorgesehen. Durch Verschwenken des Schwenkelements in einer Öffnungsrichtung kann das Ventil entgegen der von der Ventilfeder ausgeübten Schließkraft in Richtung der Öffnungsstellung bewegt werden. Ferner ist eine Federeinrichtung vorgesehen, welche während des Öffnungsvorgangs eine Öffnungskraft bzw. ein Öffnungsmoment auf den "Ventilmechanismus", z.B. auf das Schwenkelement, ausübt. Die Öffnungskraft bzw. das Öffnungsmoment, das von der Federeinrichtung auf den Ventilmechanismus ausgeübt wird, wirkt der von der Schließfeder ausgeübten Schließkraft entgegen. Bei der Federeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Schenkelfeder handeln, wie sie aus der DE 101 40 461 A1 bekannt ist, oder um eine Drehstabfeder, wie sie in der DE 103 58 936 A1 beschrieben ist. Der Ventiltrieb weist ferner einen Elektromotor auf, durch den das Schwenkelement hin- und hergeschwenkt werden kann. Das von dem Elektromotor ausgeübte Drehmoment ist in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Elektromotors entweder der von der Schließfeder ausgeübten Schließkraft oder der von der Federeinrichtung ausgeübten, entgegengesetzt wirkenden Öffnungskraft positiv überlagert.

[0010] Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Federeinrichtung und die Schließfeder so aufeinander abgestimmt sind, dass das dadurch gebildete schwingungsfähige System energetisch in Richtung der Öffnungsbewegung des Ventiltriebs "verstimmt" ist. Die Federeinrichtung und die entgegengesetzt wirkende Ventilfeder speichern also in den Endstellungen des Ventils unterschiedliche große Federenergien. In der Schließstellung des Ventils ist die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie größer als die Federenergie, die in der Schließfeder gespeichert ist, wenn sich das Ventil in der Öffnungsstellung befindet. Anders ausgedrückt, bei geschlossenem Ventil ist in der Federeinrichtung soviel Federenergie gespeichert, dass damit die während des Öffnungsvorgangs, insbesondere die während des letzten Drittels des Öffnungsvorgangs auftretenden Reibungsverluste teilweise oder ganz durch die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie überwunden werden können.

[0011] Der Elektromotor muss also im Vergleich zu einem Ventiltrieb, bei dem die Federeinrichtung und die Ventilfeder energetisch in etwa gleich ausgelegt sind, während des Öffnungsvorgangs des Ventils eine geringere Leistung aufbringen, dafür aber beim Zurückdrehen des Drehaktuators, d.h. beim Schließen des Ventils, eine etwas größere Leistung aufbringen.

[0012] Insgesamt betrachtet führt der Elektromotor dem System also über einen längeren Zeitabschnitt Energie zu, jedoch mit geringerer Leistung. Der Elektromotor kann also mit einem geringeren Spitzenmoment und auch einem geringeren mittleren Drehmoment und somit mit einem geringeren Strom betrieben werden, was die Verwendung kompakter, kostengünstiger Elektromotoren ermöglicht.

[0013] Dadurch wird erreicht, dass die Energieabgabe des Elektromotors auf beide Halbzyklen eines Öffnungs-/Schließzyklus verteilt wird. Damit sinken die Verlustleistung und der Kühlbedarf des Gesamtsystems. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der kleineren elektrischen Ströme im Steuergerät kleinere Leistungstransistoren verwendet werden können.

[0014] Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

einen elektrischen Ventiltrieb mit Schenkelfeder entsprechend der DE 101 40 461 A1;

Figur 2

einen elektrischen Ventiltrieb mit einer Schenkelfeder entsprechend der DE 103 58 936 A1;

Figur 3a, 3b

Diagramme zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung.

[0015] Figur 1 zeigt einen Drehaktuator, wie er aus DE 101 40 461 A1 bekannt ist. Der Inhalt der DE 101 40 461 A1 wird hiermit in vollem Umfang in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung einbezogen. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass sämtliche in der DE 101 40 461 A1 beschriebenen Merkmale auch Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung sind.

[0016] Figur 1 zeigt einen elektrischen Ventiltrieb 1, der auf dem Drehaktorprinzip beruht. Ein axial veschieblich angeordnetes Ventil 2 wird durch eine Schließfeder 3 in die hier gezeigte Schließstellung vorgespannt. Am Schaftende des Ventils 2 ist ein Kipphebel 4 angeordnet. Ferner ist eine Steuerwelle 5 mit einem auf den Kipphebel 4 wirkenden Nocken 6 vorgesehen. Die Steuerwelle 5 mit dem Nocken 6 wird durch einen Elektromotor 7 hin- und hergeschwenkt. Ferner ist ein hebelartiges Element 8 vorgesehen, gegen das ein Arm 9 einer Schenkelfeder 10 drückt. Die Schenkelfeder 10 übt auf die Steuerwelle 5 ein Drehmoment aus, das abhängig von der Schwenkstellung der Steuerwelle 5 ist. Bei der Hin- und Herbewegung der Steuerwelle 5 und des Nockens 6 wird auch der Arm 9 der Schenkelfeder 10 entsprechend der Bewegung des hebelartigen Elements 8 mitbewegt.

[0017] Figur 2 zeigt einen Drehaktuator, wie er aus der DE 103 58 936 A1 bekannt ist. Der Inhalt der DE 103 58 936 A1 wird hiermit ebenfalls in vollem Umfang in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung einbezogen. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass sämtliche in der DE 103 58 936 A1 beschriebenen Merkmale auch Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung sind.

[0018] Bei dem in der Figur 2 gezeigten Drehaktuator ist anstatt der in Figur 1 gezeigten Schenkelfeder ein Torsionsstab 11 vorgesehen, dessen Ende 12 fest eingespannt ist, z.B. an einem hier nicht näher dargestellten Aktorgehäuse. Am anderen Ende 13 des Torsionsstabs 11 ist ein Andrückelement 14 befestigt, das gegen ein hebelartiges Element 15 drückt, das fest mit der Steuerwelle 5 verbunden ist und somit mit der Steuerwelle 5 durch einen in Figur 2 nicht dargestellten Elektromotor hin- und herverschwenkt wird.

[0019] Figur 3a zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung. Wenn im Zusammenhang mit der Zeichnung der Begriff "Drehstab" verwendet wird, ist dies keineswegs einschränkend zu verstehen. Anstatt des in Figur 2 gezeigten Drehstabs kann auch eine andere "Federeinrichtung" vorgesehen sein, wie z.B. die in Figur 1 gezeigte Schenkelfeder 10.

[0020] Auf der Abszisse des Diagramms der Figur 3a ist der Drehwinkel aufgetragen, den der Drehaktor während eines Öffnungszyklus und eines Schließzyklus durchläuft. Auf der Ordinate sind zum einen der Ventilhub und zum anderen Federenergien aufgetragen. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist bis zu einem Drehwinkel α₀ der Ventilhub gleich Null. Im Bereich zwischen 0 und α₀ bewegt sich der Drehaktor lediglich auf seinem Grundkreis (vgl. Figur 1), ohne dass eine Hubbewegung auf das Ventil übertragen wird. Im Bereich zwischen α₀ und α₁ wirkt der Nockenabschnitt des Drehaktors auf den Kipphebel, was zu einer Öffnungsbewegung des Ventils führt. Das Ventil wird bis in eine Öffnungsposition S₁ geöffnet.

[0021] Bei einer Öffnung des Ventils wird die Ventilfeder 3 zusammengedrückt. Somit steigt die in der Ventilfeder 3 gespeicherte Energie an. Bei Erreichen der Öffnungsstellung ist in der Ventilfeder 3 die Federenergie E₁ gespeichert. Wird das Ventil wieder geschlossen, entspannt sich die Ventilfeder und die Ventilfederenergie nimmt wieder das Niveau "0" an. Beim "Zurückdrehen" des Drehaktors in seine Ausgangsstellung wird die Ventilfeder 3 entspannt und gleichzeitig wird die Schenkelfeder 10 (Figur 1) bzw. die Drehstabfeder 11 (Figur 2) gespannt.

[0022] In Figur 3a ist sowohl die Federenergie einer herkömmlichen Drehstabfeder als auch die Federenergie einer Drehstabfeder eines Ventiltriebs gemäß der Erfindung eingetragen. Bei einem herkömmlichen Ventiltrieb sind die Schenkelfeder bzw. die Drehstabfeder und die Ventilfeder im Wesentlichen gleich ausgelegt. Wenn das Ventil ganz geöffnet ist, dann ist bei einem elektrischen Ventiltrieb gemäß dem Stand der Technik in der Ventilfeder im Wesentlichen die gleiche Federenergie E₁ gespeichert wie in der Drehstabfeder, wenn das Ventil ganz geschlossen ist.

[0023] Bei einem elektrischen Ventiltrieb gemäß der Erfindung ist das durch die beiden Federn gebildete schwingungsfähige System energetisch in Richtung der Öffnungsstellung des Ventils verstimmt. D.h., wenn das Ventil ganz geschlossen ist, ist in der Federeinrichtung, d.h. in der Schenkelfeder bzw. in der Drehstabfeder, eine größere Federenergie E₂ gespeichert als in der Ventilfeder wenn das Ventil ganz geöffnet ist. Dadurch erreicht, dass in der Hubphase, in der die meisten Reibungsverluste auftreten, der Elektromotor des Drehaktors nur einen Teil dieser Reibverluste kompensieren muss und der Rest der Reibverluste durch die in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie kompensiert wird. Der Elektromotor führt dem Gesamtsystem also über eine längere Zeitspanne Energie zu, jedoch, im Vergleich zum Stand der Technik, eine geringere Leistung bzw. ein geringeres Drehmoment. Insbesondere führt der Elektromotor bei einem elektrischen Ventiltrieb gemäß der Erfindung auch beim Zurückdrehen, d.h. während des Schließzyklus, dem System mechanische Energie zu.

Ansprüche

1. Verbrennungsmotor mit

- mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Ventil (2) aufweist, das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin- und herverschoben werden kann,

- einer Ventilfeder (3), die auf das Ventil (2) eine Schließkraft ausübt, welche das Ventil (2) in Richtung der Schließstellung spannt,

- einem schwenkbar im Bereich des Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors angeordneten Schwenkelement (5, 6), mit dem durch Verschwenken des Schwenkelements (5, 6) in einer Öffnungsrichtung das Ventil (2) entgegen der von der Ventilfelder (3) ausgeübten Schließkraft in Richtung der Öffnungsstellung bewegt werden kann,

- einer Federeinrichtung (10, 11), welche während des Öffnungsvorgangs eine Öffnungskraft bzw. ein Öffnungsdrehmoment ausübt, die bzw. das der von der Ventilfeder (3) ausgeübten Schließkraft entgegenwirkt,

- einem Elektromotor, durch den das Schwenkelement (5, 6) hin- bzw. hergeschwenkt werden kann, wobei das von dem Elektromotor ausgeübte Drehmoment in Abhängigkeit von der momentanen Drehrichtung des Elektromotors entweder der von der Ventilfeder (3) ausgeübten Schließkraft oder der von der Federeinrichtung (10, 11) ausgeübten Öffnungskraft positiv überlagert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (10, 11) und die Ventilfeder (3) so aufeinander abgestimmt sind, dass in der Schließstellung des Ventils (2) die in der Federeinrichtung (10, 11) gespeicherte Federenergie (E₂) größer ist als die Federenergie (E₁), die in der Ventilfeder (3) gespeichert ist, wenn sich das Ventil (2) in der Öffnungsstellung befindet.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die in der Federeinrichtung (10, 11) gespeicherte Federenergie (E₂) um 20 % bis 30 % größer ist als die Federenergie (E₁), die in der Ventilfeder (3) gespeichert ist, wenn sich das Ventil (2) in der Öffnungsstellung befindet.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (2) ein Auslassventil ist.

Zeichnung