VARIABLER VENTILTRIEB

Abstract

 Variabler Ventiltrieb (1) zur Verstellung von Ein- oder Auslassventilen (6) wenigstens zweier Zylinderbänke (110, 110') einer Brennkraftmaschine (100) mit
- einer Nocken (2) tragenden Nockenwelle (22), wobei die Nocken (2) ein Profil aufweisen,
- wenigstens zwei Stoßstangen (3) zur Übertragung des Profils in eine translatorische Bewegung zur Betätigung von Ein- oder Auslassventilen (6),

wobei zwischen der Außenkontur der Nocke (2) und der Stoßstange (3) ein drehbares Verstellglied (8) vorgesehen ist, wobei durch Verdrehung des Verstellgliedes (8) die Betätigungszeiten der Ein- oder Auslassventile (6) auf den wenigstens zwei Zylinderbänken synchron veränderbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

[0002] Ein variabler Ventiltrieb, also die Möglichkeit, die Steuerzeiten und/oder den Ventilhub auf Betriebszustände anzupassen, wird als wesentliche Technologie zur Erreichung von Effizienz und Emissionszielen bei Brennkraftmaschinen gesehen. Es gibt dazu eine Vielzahl von kommerziell verfügbaren mechanischen, hydraulischen oder kombinierten Systemen.

[0003] Ein wesentliches Ziel von variablen Ventiltrieben ist die Verringerung der Gaswechselarbeit durch reduzierte Drosselverluste.
Ein vollvariabler mechanischer Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 10006018 bekannt. Hier ist zwischen einem Antriebsmittel, beispielsweise einer Nocke, einer Nockenwelle und dem zu betätigenden Gaswechselventil ein Übertragungsmittel angeordnet, das es ermöglicht, den durch die Nockenkontur vorgegebenen Hub über ein verstellbares Steuerelement zwischen einem Minimalhub und dem Vollhub entsprechend der Betriebsbedingungen zu verändern.

[0004] Ein gängiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad ist der sogenannte "Miller-Zyklus". Als Miller-Zyklus wird ein frühzeitiges Schließen der Einlassventile bezeichnet. Dies bedeutet, dass das Einlassventil geschlossen wird, bevor der Kolben im Saug-Hub den unteren Totpunkt erreicht hat. Dadurch wird die Brennkraftmaschine von Verdichtungsarbeit entlastet, die Zylinderfüllung bleibt kühler und der Motor kann mehr Leistung abgeben. Ziel dabei ist eine Steigerung des Wirkungsgrades. Der Miller-Zyklus verbessert über die innere Ladungskühlung das Klopf-Verhalten und die Stickoxid-Emissionen.

[0005] Als "Atkinson-Zyklus" wird das Verfahren mit extrem spätem Einlassschluss bezeichnet. Auch hier hat der Motor weniger Ladungswechselarbeit zu leisten.

[0006] Da unter anderem das Kaltstartverhalten ein limitierender Faktor für die Lage des Einlassschlusses darstellt, wurde für die Ausnutzung der Potenziale von Miller bzw. Atkinson Steuerzeiten bereits ein variabler Ventiltrieb vorgeschlagen. Allerdings sind vollvariable Ventiltriebe, also Ventiltriebe, bei denen Steuerzeiten, Hubkurven und Ventilhub variiert werden können, sehr aufwendig.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches System zur Variation einer Ventilöffnungszeit anzugeben, das ohne aufwendige hydraulische oder mechanische Bauelemente und ohne Nockenwellenverstellung auskommt.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe durch einen variablen Ventiltrieb mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0009] Dadurch dass zwischen der Außenkontur der Nocke und der Stoßstange ein drehbares Verstellglied vorgesehen ist, wobei durch Verdrehung des Verstellgliedes die Betätigungszeiten der Ein- oder Auslassventile auf den wenigstens zwei Zylinderbänken synchron verändert werden, wird eine mechanische, synchrone, also gleichzeitige Verstellung der Ein- oder Auslassventile realisiert.
Die Veränderung der Betätigungszeiten erfolgt durch die, mittels Verdrehung des Verstellgliedes bewirkte, Veränderung der Winkellage der Kontaktpunkte des Verstellgliedes auf die Nocke. Das Verstellglied überträgt die Bewegung der Nocke über Stoßstangen auf die Ein- oder Auslassventile dermaßen, dass die auf den wenigstens zwei Zylinderbänken gegenüberliegenden Gaswechselventile bezüglich ihrer Betätigungszeiten synchron verändert werden.

[0010] Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Stoßstangen ortsfest mit der Außenkontur des Verstellgliedes verbunden sind. Ortsfest bedeutet, dass sich die Stoßstange im Eingriff mit der Außenkontur des Verstellgliedes befindet und sich daher der Kontaktpunkt bei einer Verdrehung des Verstellgliedes mit diesem mitbewegt.

[0011] Alternativ kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Stoßstangen an der Außenkontur des Verstellgliedes gleitend oder rollend gelagert sind. In diesem Fall sind die Stoßstangen von dem Verstellglied entkoppelt, also nicht ortsfest verbunden. Sie können entweder über eine Rolle oder einen Gleitkontakt an der Außenkontur des Verstellgliedes abrollen oder gleiten. Der Kontaktpunkt muss sich bei Verdrehung des Verstellgliedes nicht mit diesem mitbewegen.

[0012] Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verstellglied als zweischenkeliger Hebel ausgebildet ist, dessen zwei Schenkel die Bewegung der Nocke über die jeweiligen Stoßstangen auf die Ein- oder Auslassventile übertragen.

[0013] Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Verdrehung des Verstellgliedes bewirkt, dass die Nockenbewegung zeitlich verändert auf die Stoßstange übertragen wird.
So kann durch die Verdrehung des Verstellgliedes eine Veränderung der Ventilbetätigung in Richtung früherer Ventilöffnung oder späterer Ventilöffnung bewirkt werden.

[0014] Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verstellglied auf der mit der Stoßstange im Eingriff befindlichen Oberfläche ein Profil zum Ventilspielausgleich aufweist. Das Profil zum Ventilspielausgleich bewirkt, dass bei Verdrehung des Verstellgliedes die Kontaktpunkte der Stoßstange sich entlang solcher Kurven bewegen, dass das Ventilspiel der von den jeweiligen Stoßstangen betätigten Ein- oder Auslassventile unverändert bleibt.

[0015] Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die Zylinderbänke der Brennkraftmaschine in einer V-Anordnung befinden. Die Problematik der sich bei einer Verstellung der Ventilöffnungszeiten gegengleich verändernden Ventilspiels ist im speziellen bei Brennkraftmaschinen mit einer V-Anordnung der Zylinderbänke gegeben. Der Winkel zwischen Stoßstange und Kipphebel ist meist nahe 90°, wodurch sich Änderungen der axialen Position des Kontaktpunktes der Stoßstange unmittelbar und deutlich auf das Ventilspiel auswirken.

[0016] Das Verstellglied ist über einen Verstellmechanismus, vorzugsweise über eine Exzenterwelle, drehbar gelagert und verändert bei Rotation des Verstellglieds das Bewegungsmuster der Stoßstangen, welche die auf einer Zylinderbank gegenüberliegenden Gaswechselventile über gegebenenfalls vorgesehene Kipphebel die Gaswechselventile betätigenden Stoßstangen. Damit wird erreicht, dass mit lediglich einem Verstellglied jeweils zwei Gaswechselventile in ihren Steuerzeiten variierbar gemacht werden. Die Erfindung eignet sich im Speziellen für Brennkraftmaschinen mit einer V-Anordnung der Zylinder. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um eine stationäre Brennkraftmaschine, im speziellen um einen Otto-motorisch betriebenen Gasmotor.
Speziell bevorzugt ist die Brennkraftmaschine zum Betrieb im Miller- oder Atkinson-Zyklus ausgebildet.

[0017] Die Erfindung soll mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden.

[0018] Dabei zeigt:

Fig. 1

einen Ventiltrieb nach Stand der Technik,

Fig. 2

eine schematische Darstellung eines variablen Ventiltriebs,

Fig. 3a, 3b

kinematische Details des Ventiltriebs nach Figur 2

Fig. 4

eine schematische Darstellung eines variablen Ventiltriebs in einer zweiten Ausführungsform

Fig. 5

eine schematische Darstellung eines variablen Ventiltriebs

Fig. 6a, 6b

Details von Figur 5 bei Betätigung des Verstellglieds 8

[0019] In Figur 1 ist der Ventiltrieb eines V-Motors nach Stand der Technik dargestellt. Gezeigt ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 mit zwei Zylinderbänken 110 und 110' in V-Anordnung.
Die Stoßstangen 3 sind dabei über Lagerungen 4 in Kontakt mit den Nocken 2 der Nockenwelle 22. Das Profil der Nocke 2 überträgt bei Rotation der Nockenwelle 22 eine translatorische Bewegung auf die Stoßstange 3, die in weitere Folge über den Kipphebel 5 die Gaswechselventile 6 betätigt. Wegen des symmetrischen Aufbaus der Brennkraftmaschine 100 sind die Bezugszeichen für die auf beiden Zylinderbänken 110 und 110' teilweise nur für eine Seite vergeben.

[0020] Figur 2 zeigt einen variablen Ventiltrieb 1 nach einer ersten Ausführungsform in einer auf die Kinematik reduzierten Darstellung.
Die Drehrichtung der Nockenwelle 22 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet und verläuft im Uhrzeigersinn.
Zwischen der stoßstangenseitigen Lagerung 4 (welche beispielsweise als Stützrolle ausgebildet ist), der Stoßstange 3 und den Nocken 2 ist ein Verstellglied 8 in Form eines zweischenkeligen Hebels angeordnet. Die Schenkel des Verstellglieds 8 sind mit 81 und 82 bezeichnet. Das Verstellglied 8 lässt sich über eine exzentrisch gelagerte Betätigungswelle 11 schwenken. Die Stoßstangen 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel ortsfest mit den Schenkeln 81 bzw. 82 verbunden. Ortsfest bedeutet, dass die Stoßstangen 3 an ihren Kontaktpunkten mit den Schenkeln 81 bzw. 82 verbunden sind. Dies kann etwa über Pfannen oder ähnliche Mittel an den Schenkeln 81 bzw. 82 realisiert sein.
Die Nockenwelle 22 überträgt mittels Nocken 2 über die Stützrollen 9 einen Hub auf das Verstellglied 8. Die den Stoßstangen zugeordneten Lagerungen 4 berühren das Verstellglied 8 auf der den Stützrollen 9 gegenüberliegenden Seite.

[0021] Durch strichlierte Kurven sind die Bewegungsbahnen einzelner Punkte hervorgehoben. So erkennt man, dass bei Verdrehung der Betätigungswelle 11 gegen den Uhrzeigersinn sich die dem Verstellglied zugeordneten Stützrollen 9 auf dem Nocken 2 im Uhrzeigersinn bewegen.
Die stoßstangenseitige Lagerung 4 kann beispielsweise als Stützrolle oder als Gleitkontakt ausgebildet sein.

[0022] Bei Motoren in V-Anordnung müssen oft Winkel zwischen Stoßstange und Kipphebel von ungleich 90° realisiert werden. Bei Einsatz eines Verstellmechanismus gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel führt so eine Öffnungszeitenverstellung zu einer Verringerung des eingeschlossenen Winkels auf der einen und einer Öffnung (Weitung) des Winkels auf der anderen Zylinderbank.
Bei großen Verstellwinkeln und insbesondere bei ortsfesten Stoßstangen führt dies kinematisch zu einer relativen Veränderung des Ventilspiels zwischen den Zylinderbänken, d.h. während auf der einen Seite das Ventilspiel größer wird, so verringert es sich auf der gegenüberliegenden Zylinderbank. Das Ergebnis ist ein unakzeptabel großes Spiel auf der einen Bank und, ab einem bestimmten Verdrehwinkel, Klemmen auf der anderen Bank.

[0023] Aus der Figur 2 wird deutlich, dass durch die Verschwenkung des Verstellglieds 8 sich die Bewegungsbahn der Lagerung 4 auf der rechten Seite, d.h. auf der Seite des Hebelarmes 82, und die Bewegungsbahn der der Lagerung 4 zugewandten Kontur des Verstellglieds 8 voneinander wegbewegen (Kasten "Detail 2").
In umgekehrter Weise verringert sich der Abstand dieser Bewegungsbahn auf der linken Seite, d.h. auf der Seite des Hebelarmes 81, siehe Kasten "Detail 1".

[0024] Es ist unmittelbar einsichtig, dass diese Veränderungen der Bewegungsbahnen sich auf das Ventilspiel 12 auswirken. Während auf der rechten Seite (Seite des Hebelarmes 82) das Ventilspiel 12 größer wird, so verringert es sich auf der gegenüberliegenden Zylinderbank. Das Ergebnis ist ein unakzeptabel großes Ventilspiel 12 auf der einen Bank und Klemmen auf der anderen Bank.

[0025] Figuren 3a und 3b zeigen die Details 1 bzw. 2 aus Figur 2.
Aus Figur 3a geht exemplarisch hervor, wie sich bei Verschwenkung des Verstellglieds 8 nach anfänglicher Öffnung das Ventilspiel verringert.
Aus Figur 3b geht exemplarisch hervor, wie sich das Ventilspiel überproportional vergrößert.
Die Kinematik der beteiligten Komponenten führt also zu einer Ungleichstellung des Ventilspiels auf den zwei Zylinderbänken des V-Motors.

[0026] Figur 4 zeigt einen variablen Ventiltrieb 1 nach einer zweiten Ausführungsform. Die Betätigung des Verstellglieds 8 erfolgt wie für Figur 2 beschrieben.
Das Verstellglied 8 berührt über die zum Verstellglied 8 gehörigen Stützrollen 9 die Nocke 2 der Nockenwelle 22. Die Drehrichtung der Nockenwelle 22 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet und verläuft im Uhrzeigersinn. Die den Stoßstangen zugeordneten Lagerungen 4 berühren das Verstellglied 8 auf der den Stützrollen 9 gegenüberliegenden Seite, wobei die Bewegungsfläche als ventilspielausgleichendes Profil 10 ausgebildet ist.
Die Stoßstangen 3 sind hier mittels Führungen 7 im Kurbelgehäuse geführt. Die Stoßstangen 3 rollen / gleiten mittels Lagerungen 4 an der Außenkontur der Schenkel 81 bzw. 82 ab. Das bedeutet, sie sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht ortsfest mit dem Verstellglied 8 verbunden. Die Führungen 7 erlauben im wesentlichen eine Bewegung der Stoßstangen 3 entlang deren Längsachse. Die Führungen 7 können aber auch so ausgeführt sein, dass sie als Spiel auch eine Bewegung normal dazu zulassen. Zur Illustration dieser zusätzlich erlaubten Schwenkbewegung sind die Führungen 7 in Figur 4 ballig dargestellt. Durch Verdrehung des Verstellgliedes 8 ist die Winkellage des Kontaktpunktes des Verstellgliedes 8 auf der Nocke 2 veränderbar. Mit Winkellage ist der Nockenwellenwinkel gemeint. Es ist üblich, Steuerzeiten in Grad Nockenwellenwinkel anzugeben (englisch: degree crank angle, °CA). Wird beispielsweise das Verstellglied 8 um einen Winkel α nach rechts verschwenkt, führt dies zu einer Verschiebung der Ventilerhebungskurven in Richtung eines späten Ventilschließens, denn die Winkellage der Kontaktpunkte des Verstellglieds 8, in diesem Ausführungsbeispiel über die Stützrollen 9 ausgebildet, verschiebt sich im Uhrzeigersinn. Damit werden die Kontaktpunkte entsprechend später von der Nocke erfasst.
Durch das ventilspielausgleichende Profil 10 wird hier der zu Figuren 2, 3a, 3b erläuterte negative Effekt eines sich asymmetrisch ändernden Ventilspiels bei Betätigung des Stellgliedes vermieden. Das Profil 10 ist geometrisch so ausgestaltet, dass es die von der Kinematik bedingte Veränderung des Ventilspiels kompensiert.
Damit bleibt das Ventilspiel für beide Zylinderbänke über den Verstellwinkel des Verstellglieds 8 konstant. Die genaue Gestalt des Profils hängt natürlich von den geometrischen Verhältnissen des jeweiligen Ventiltriebs ab und kann vom Fachmann aus diesen berechnet werden.
Man erkennt am Ausführungsbeispiel der Figur 4 mit entkoppelten Stoßstangen, dass gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 mit ortsfesten Stoßstangen eine größere Freiheit hinsichtlich der erreichbaren Verstellwinkel besteht.

[0027] Figur 5 zeigt ein Schema eines variablen Ventiltriebs 1 in einer reduzierten kinematischen Darstellung.
Die Stoßstangen 3 sind in Führungen 7 geführt, die wie für Figur 4 erläutert ein Spiel zulassen. Der innere strichlierte Kreis ist der Umkreis der Außenkontur der Schenkel 81, 82. Der davon beabstandete zweite strichlierte Kreis zeigt das über die Verdrehung des Verstellglieds 8 konstante Ventilspiel 12.
Figuren 6a und 6b zeigen Details von Figur 5 bei Betätigung des Verstellglieds 8.

[0028] Mit der vorgeschlagenen Lösung mit entkoppelten Stoßstangen ist es somit möglich, die Steuerzeiten innerhalb großer Winkelbereiche zu verstellen (zum Beispiel bis zu 12 ° Kurbelwinkel) und zugleich - durch Vorsehen eines ventilspielausgleichenden Profils - das Ventilspiel konstant zu halten.

[0029] Die Stoßstangen-Enden können sowohl als Rollen als auch gleitende Elemente (z.B. aus Keramik) ausgeführt werden, so dass sich eine Vereinfachung des Gesamtsystems ergibt.

Liste der verwendeten Bezugszeichen:

[0030] 

1

variabler Ventiltrieb

2

Nocken

22

Nockenwelle

3

Stoßstange

4

Lagerung stoßstangenseitig

5

Kipphebel

6

Gaswechselventil

7

Führung

8

Verstellglied

81, 82

Schenkel des Verstellglieds

9

Stützrolle nockenseitig

10

Profil

11

Betätigungswelle

12

Ventilspiel

100

Brennkraftmaschine

110, 110`

Zylinderbänke

Ansprüche

1. Variabler Ventiltrieb (1) zur Verstellung von Ein- oder Auslassventilen (6) wenigstens zweier Zylinderbänke (110, 110') einer Brennkraftmaschine (100) mit

- einer Nocken (2) tragenden Nockenwelle (22), wobei die Nocken (2) ein Profil aufweisen,

- wenigstens zwei Stoßstangen (3) zur Übertragung des Profils in eine translatorische Bewegung zur Betätigung von Ein- oder Auslassventilen (6),
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenkontur der Nocke (2) und der Stoßstange (3) ein drehbares Verstellglied (8) vorgesehen ist, wobei durch Verdrehung des Verstellgliedes (8) die Betätigungszeiten der Ein- oder Auslassventile (6) auf den wenigstens zwei Zylinderbänken synchron veränderbar sind.

2. Variabler Ventiltrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Stoßstangen (3) ortsfest mit der Außenkontur des Verstellgliedes (8) verbunden sind.

3. Variabler Ventiltrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Stoßstangen (3) an der Außenkontur des Verstellgliedes (8) gleitend oder rollend gelagert sind.

4. Variabler Ventiltrieb (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellglied (8) als zweischenkeliger Hebel ausgebildet ist, dessen zwei Schenkel (81, 82) die Bewegung der Nocke (2) über die jeweiligen Stoßstangen (3, 3') auf die Ein- oder Auslassventile (6) übertragen.

5. Variabler Ventiltrieb (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdrehung des Verstellgliedes (8) bewirkt, dass die Nockenbewegung zeitlich verändert auf die Stoßstange (3, 3') übertragen wird.

6. Variabler Ventiltrieb (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellglied (8) auf der mit der Stoßstange (3, 3') im Eingriff befindlichen Oberfläche ein Profil (10) zum Ventilspielausgleich aufweist.

7. Variabler Ventiltrieb (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zylinderbänke (110, 110') der Brennkraftmaschine (100) in einer V-Anordnung befinden.

Zeichnung