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(11) | EP 1 255 027 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
Mechanische Regelung der Hubverstellung des Einlassventils eines Verbrennungsmotors Mechanic control of variable lift of an intake valve of an internal combustion engine Contrôle mécanique de la levée variable d'une soupape d'admission d'un moteur à combustion interne |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine mechanisch regelbare Ventilhubverstellung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor mit einer mechanisch regelbaren Ventilhubverstellung und ein Verfahren zum Regeln der Ventilhübe in Verbrennungsmotoren.
[0002] Bei Verbrennungsmotoren tritt bei einem Lastwechsel von Voll- auf Teillast ein Unterdruck in der Sauganlage auf, durch den mehr Kraftstoff als benötigt in die Zylinder gesaugt wird. Dadurch erhöht sich der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors, und es gelangt gegebenenfalls unverbrannter Kraftstoff in die Umwelt.
[0003] Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der der Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors reduziert werden kann.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer mechanisch regelbaren Ventilhubverstellung für eine Brennkraftmaschine, die mehrere Zylinder aufweist, mit:
- Mindestens einem Hubhebel pro Zylinder, der
- ein Mittel, mit dem der Hubhebel drehbar und in einer Kulisse verschieblich gelagert ist,
- ein Antriebsübertragungsmittel, das mit einer Nockenwelle, die den Hubhebel antreibt, zusammenwirkt und
- eine Arbeitskurve
- Einem Mittel, das mit der verschieblichen, drehbaren Lagerung der Hubhebel zusammenwirkt und diese in den Kulissen verschiebt,
- Einer Nockenwelle, die mit dem Antriebsübertragungsmittel des Hubhebels zusammenwirkt und diesen antreibt,
- Mindestens einem Ventil pro Zylinder, das mit der Arbeitskurve jeweils eines Hubhebels zusammenwirkt und von diesem bewegt wird,
- wobei das Mittel, das den Hubhebel verschiebt eine angetriebene Leiste ist, die in dem Gehäuse der Brennkraftmaschine verschieblich gelagert ist, gelöst.
[0005] In einer anderen Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Ventilhubverstellung zusätzlich einen Rollenschlepphebel auf, der einerseits mit der Arbeitskurve des Hubhebels zusammenwirkt und von diesem angetrieben wird und andererseits mit dem Ventil zusammenwirkt und dieses bewegt.
[0006] Erfindungsgemäß weist die Ventilhubverstellung ein Mittel auf, mit dem der Hubhebei drehbar und in einer Kulisse verschieblich gelagert ist. Vorzugsweise ist dieses Mittel eine Rolle.
[0007] Die Kulisse nimmt das Mittel auf und stellt somit dessen Führung dar, innerhalb derer sich das Mittel und mit ihm der Hubhebel unter Druck und/oder Zug verschiebt. Die Kulisse kann eine beliebige Form aufweisen, die vom Fachmann so gewählt wird, daß der Hubhebel vorzugsweise entlang einer bestimmten Geraden und/oder Kurve verschiebbar ist.
[0008] Vorzugsweise hat die Kulisse jedoch eine im wesentlichen rechteckige Form, wobei die kurzen Seiten des Rechtecks vorzugsweise in Form eines Halbkreises gestaltet sind. Diese Form der Kulisse eignet sich insbesondere zur Aufnahme von Rollen. Diese Kulisse kann horizontal oder vertikal oder in einem beliebigen Winkel zur Horizontalen bzw. Vertikalen angeordnet sein.
[0009] Erfindungsgemäß weist die Brennkraftmaschine mindestens zwei Zylinder auf, wobei jedem Zylinder mindestens ein Hubhebel zugeordnet ist. Diese Hubhebel werden durch eine angetriebene Leiste, die in dem Gehäuse der Brennkraftmaschine verschieblich gelagert ist in ihrer Lage verändert, um den Hub der Zylinder zu verstellen. Vorzugsweise wird die Leiste entlang einer Geraden vor- und zurückbewegt.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Zylinder zwei Einlaßventile und dementsprechend zwei Hubhebel auf. Diese beiden Hubhebel können erfindungsgemäß entweder mit einer angetriebenen Leiste oder mit zwei angetriebenen Leisten verschoben werden, wobei im letzteren Fall jeweils ein Hubhebel von einer Leiste verschoben wird. Die letztere Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Hubhebel und damit die Ventile unabhängig voneinander verstellt werden können, wodurch die Steuerung der Brennkraftmaschine noch variabler erfolgen kann. Im Extremfall wird bei einem Ventil ein sogenannter 0-Hub realisiert, während das andere Ventil vollständig geöffnet wird.
[0011] Die Leiste kann auf jedem dem Fachmann geläufige Weise angetrieben werden. Beispielsweise erfolgt der Antrieb hydraulisch oder pneumatisch, mit einem elektrischen Hubmagnet, mit einem Elektromotor, der vorzugsweise ein Getriebe aufweist oder mit einem Piezomotor.
[0013] Die erfindungsgemäße Ventilsteuerung eignet sich für Ventile beliebiger Art. Vorzugsweise sind die Ventile jedoch Ventile von Verbrennungsmotoren, besonders bevorzugt Einlaßventile von Verbrennungsmotoren.
[0014] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft deshalb einen Verbrennungsmotor, der mindestens eine erfindungsgemäße Ventilsteuerung aufweist.
[0015] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung des Hubes eines Einlaßventiles eines Verbrennungsmotors unter Verwendung der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung, bei dem zumindest zwei Hubhebel mit einer angetriebenen Leiste entsprechend der Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor in der Kulisse verschoben werden.
[0016] Bei Teillast wird der Hubhebel so verschoben und für eine gewisse Zeit in dieser Stellung gehalten, daß das Ventil oder der Rollenschlepphebel mit einem Teil der Arbeitskurve des Hubhebels in Kontakt steht, der einen reduzierten Hub des Ventils bewirkt.
[0017] Bei Vollast wird der Hubhebel so verschoben und für eine gewisse Zeit in dieser Stellung gehalten, daß das Ventil oder der Rollenschlepphebel mit einem Teil der Arbeitskurve des Hubhebels in Kontakt steht, der den maximalen Hub des Ventils bewirkt.
[0018] Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß der Ventilhub je nach Leistungsanforderung vergrößert oder verringert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Ventilhubverstellung wird die Ladungswechselarbeit in Otto-Motoren reduziert und es ergeben sich Kraftstoffeinsparungen bis zu 10% im Vergleich zur Ventilsteuerung gemäß dem Stand der Technik. Die mechanische Steuerung ist wesentlich einfacher und damit kostengünstiger herzustellen als z. B. elektronische Steuerungen des Ventilhubes. Die erfindungsgemäße Ventilsteuerung ist sehr robust und nicht wartungsanfällig. Durch den Einsatz einer Leiste, die die Hubhebel in ihrer Lage verschiebt, werden wesentlich weniger Bauteile benötigt als beim Stand der Technik.
[0019] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Abbildungen 1 bis 5 erläutert. Diese Erlauterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
[0021] Abbildung 1b zeigt eine Ausführungsform der Lagerung der Hubhebel bei einem Vierventilzylinder.
[0022] Abbildung 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Lagerung der Hubhebel bei einem Vierventilzylinder.
[0026] In Figur 1a ist die erfindungsgemäße Ventilsteuerung für einen Zweiventilmotor (ein Einlaß- und ein Auslaßventil) dargestellt. Ein Hubhebel 4 ist mit der Rolle 30 in einer Kulisse 5 verschieblich und drehbar gelagert. Der Hubhebel wird durch die Leiste 8 und die Rückstellfeder 14 in der Kulisse verschoben. Die Kulisse 5 und die Lagerung bzw. Führung der Leiste 8 ist in einem Deckel 11 des Motors integriert, der genau ausgerichtet auf dem Zylinderkopf 13 oder einem Zwischenträger 12 montiert ist. Der Fachmann versteht, daß der Hubhebel 4 durch die Leiste 8 und die Rückstellfeder 14 auch in einer bestimmten Position innerhalb der Kulisse gehalten werden kann. Die Leiste 8 erstreckt sich senkrecht zur Papierebene entlang aller in dem Motor vorhandener Zylinder bzw. deren Einlaßventil, die in einer Reihe angeordnet sind. Die Position der Leiste 8 wird durch einen Wegsensor (nicht dargestellt) oder beispielsweise durch die Umdrehungen eines Elektromotors, der die Leiste antreibt erfaßt und einem elektronischen Steuergerät als Istwert übermittelt. Dieses Steuergerät regelt die gewünschte Stellung des Einlaßventils anhand eines Soll/Istwert-Vergleichs.
[0027] Desweiteren verfügt der Hubhebel 4 über eine weitere Rolle 31, die mit der Nockenwelle 28 zusammenwirkt und die den Hubhebel 4 antreibt.
[0028] Im unteren Teil weist der Hubhebel 4 eine Arbeitskurve 6 auf. Diese Arbeitskurve steht in Kontakt mit der Rolle 7, die an dem Rollenschlepphebel 1 angebracht ist. Der Rollenschlepphebel 1 wiederum bewegt das Ventil 3 (teilweise dargestellt).
[0029] Der linke Teil der Arbeitskurve ist bevorlugt ein Kreis um den Rollenmittelpunkt der Rolle 30. Damit wird ein Nullhub in der dargestellten Stellung gewährleistet.
[0030] Der Übergang vom linken (Nullhubbereich) in den rechten (Hubbereich) der Arbeitskurve definiert die Beschleunigungsrampe der Einlaßventilbewegung. Die Beschleunigungsrampe der Nockenwelle 28 dient nur mehr zur Beschleunigung des Hubhebels 4 und wirkt nicht mehr auf die Ventilbeschleunigung.
[0031] Wird z. B. ein Verbrennungsmotor in Teillast betrieben, wird der Hubhebel 4 in der Kulisse 5 so verschoben, daß der Rollenschlepphebel 1 mit dem linken Teil der Arbeitskurve 6 zusammenwirkt, so daß der Hub des Ventils 3 reduziert ist. Bei Volllast hingegen wird der Hubhebel 4 in der Kulisse 5 so verschoben, daß der rechte Teil der Arbeitskurve 6 mit dem Rollenschlepphebel 1 in Kontakt steht, so daß der Hub des Ventils 3 maximal ist.
[0032] Figur 1b zeigt den Ausschnitt eines Vierventilmotors (zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile). In diesem Fall weist der Motor pro Zylinder zwei Einlaßventile auf, deren Hubverhalten durch die beiden Hubhebel 4a, 4b unabhängig voneinander geregelt wird, wobei nur der Hubhebel 4a dargestellt ist. Bei diesem Beispiel kann die Leiste 8 zweigeteilt, was durch die Leisten 15, 16 dargestellt ist. Die Leisten 15, 16 werden unabhängig voneinander angetrieben. Mit dieser Anordnung können die Ventilhübe der beiden Einlaßventile unabhängig voneinander geregelt werden. Es kann z.B. ein Einlaßventil auf den 0-Hub gestellt werden und nur der Ventilhub des anderen Ventils zur Drehmomentenregelung eingesetzt werden. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Position der jeweiligen Leiste 15, 16 erfaßt und zur Regelung eingesetzt. Auch die Leisten 15, 16, erstrecken sich über alle Zylinder, die in einer Reihe angeordnet sind bzw. deren Ventile, deren Hub die jeweilige Leiste verändert.
[0033] Abbildung 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Lagerung der Hubhebel 4a, 4b bei einem Vierventilzylinder. In diesem Fall sind die beiden Hubhebel 4a, 4b auf einer gemeinsamen Achse 17 drehfest gelagert. Die Achse 17 wiederum ist in einem Wälzlager 18 drehbar gelagert. Das Wälzlager 18 kann entlang der Kulisse 5 von der Leiste 8 verschoben werden. Die Leiste 8 ist nicht zweigeteilt.
[0034] Die Achse 17 kann sich auch über alle Zylinder erstrecken, so daß alle Hubhebel auf einer Achse aufgereiht sind und z. B. durch Abstandshülsen in der Ventilposition gehalten werden.
[0035] Abbildung 3 zeigt eine mögliche Antriebsform der Leisten 8 bzw. der Leisten 15, 16, die bei dem vorliegenden Beispiel als Parallelogramm, das durch die Leisten 8 und 19 und die beiden Hebel 21 gebildet wird. Im folgenden wird nur noch auf die Leisten 8 und 19 Bezug genommen wird. Die Leisten 8 und 19 und die Hebel 21 sind in der Papierebene drehbar miteinander verbunden, wobei bei einem Vierzylindermotor mindestens zwei und bei einem Sechszylindermotor auch drei oder mehrere Hebel 21 eingesetzt werden. Die Leiste 19 ist mittels Lagern entlang der Horizontalen in beide Richtungen verschieblich gelagert, was durch den Doppelpfeil 20 angedeutet ist. Die Lager 22, die sich im Zylinderkopf befinden, können Gleit- oder Wälzlager sein. Die Leiste 8 wird durch die Lager 23 im Zylinderkopf entlang einer Vertikalen geführt und ihre Position kann durch Wegsensoren ermittelt werden. Die Leiste 19 wird über einen Motor 24 und über ein Schraubengewinde verstellt. In diesem Fall kann die Position der Leiste 8 und damit der eingestellte Hub des Einlaßventils durch einen Wegsensor 25, der die Position der Leiste 19 erfaßt, gemessen werden. Ebenso kann die Position der Leiste 8 durch die Erfassung der Motorumdrehungen gemessen werden. Der Fachmann erkennt, das viele andere Mittel beispielsweise eine Hydraulik, ein Hubmagnet, ein Schrittmotor, ein mechanisch betätigter Hebel oder ein Seilzug geeignet sind, die Verstellung der Leiste 19 zu bewerkstelligen. Die horizontale Bewegung 20 der Leiste 19 wird durch die Federn 24 und 25 unterstützt.
- Mindestens einem Hubhebel (4) pro Zylinder, der
- ein Mittel (30), mit dem der Hubhebel (4) drehbar und in einer Kulisse (5) verschieblich gelagert ist,
- ein Mittel (31), das mit einer Nockenwelle (28), die den Hubhebel (4) antreibt, zusammenwirkt und
- eine Arbeitskurve (6)
aufweist,- Einem Mittel (8), das mit den Mitteln (30) der Hubhebel (4) zusammenwirkt und diese in Kulissen (5) verschiebt,
- Einer Nockenwelle (28), die mit dem Mittel (31) des Hubhebels (4) zusammenwirkt und diesen antreibt,
- Mindestens einem Ventil pro Zylinder, das mit der Arbeitskurve (6) jeweils eines Hubhebels (4) zusammenwirkt und von diesem bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (8) eine angetriebene Leiste ist, die in dem Gehäuse (11, 12) der Brennkraftmaschine verschieblich gelagert ist.- Mindestens einem Hubhebel (4) pro Zylinder, der
- ein Mittel (30), mit dem der Hubhebel (4) drehbar und in einer Kulisse (5) verschieblich gelagert ist,
- ein Mittel (31), das mit einer Nockenwelle (28), die den Hubhebel (4) antreibt, zusammenwirkt und
- eine Arbeitskurve (6)
aufweist,- Einem Mittel (8), das mit den Mitteln (30) der Hubhebel (4) zusammenwirkt und diese in Kulissen (5) verschiebt,
- Einer Nockenwelle (28), die mit dem Mittel (31) des Hubhebels (4) zusammenwirkt und diesen antreibt,
- Einem Rollenschlepphebel (1), der mit der Arbeitskurve (6) des Hubhebels 41) zusammenwirkt und von diesem angetrieben wird,
- Mindestens einem Ventil pro Zylinder, das mit der Arbeitskurve (6) jeweils eines Hubhebels (4) zusammenwirkt und von diesem bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (8) eine angetriebene Leiste ist, die in dem Gehäuse (11, 12) der Brennkraftmaschine verschieblich gelagert ist.- at least one lifting lever (4) per cylinder which comprises
- a means (30) by which the lifting lever (4) is mounted so as to be rotatable and displaceable in a link (5),
- a means (31), which co-operates with a camshaft (28) driving the lifting lever (4), and
- an operating cam (6),
- a means (8) which co-operates with the means (30) of the lifting lever (4) and displaces these in the links (5),
- a camshaft (28) which co-operates with the means (31) of the lifting lever (4) and drives this,
- at least one valve per cylinder, which valve co-operates with the operating cam (6) of each respective lifting lever (4) and is moved by this,
characterised in that the means (8) is a driven rail which is mounted so as to be displaceable in the housing (11, 12) of the internal combustion engine.- at least one lifting lever (4) per cylinder which comprises
- a means (30) by which the lifting lever (4) is mounted so as to be rotatable and displaceable in a link (5),
- a means (31), which co-operates with a camshaft (28) driving the lifting lever (4), and
- an operating cam (6),
- a means (8) which co-operates with the means (30) of the lifting lever (4) and displaces these in the links (5),
- a camshaft (28) which co-operates with the means (31) of the lifting lever (4) and drives this,
- a roller drag lever (1) which co-operates with the operating cam (6) of the lifting lever (4) and is driven by this,
- at least one valve per cylinder, which valve co-operates with the operating cam (6) of each respective lifting lever (4) and is moved by this,
characterised in that the means (8) is a driven rail which is mounted so as to be displaceable in the housing (11, 12) of the internal combustion engine.- au moins un levier de levage (4) par cylindre, qui présente
- un moyen (30) monté de manière à pouvoir tourner avec le levier de levage (4) et de manière à pouvoir coulisser dans une coulisse (5),
- un moyen (31) qui coopère avec un arbre à cames (28) qui entraîne le levier de levage (4) et
- une came de travail (6),
- un moyen (8) qui coopère avec les moyens (30) du levier de levage (4) et qui fait coulisser ceux-ci dans les coulisses (5),
- un arbre à cames (28), qui coopère avec le moyen (31) du levier de levage (4) et entraîne ce dernier,
- au moins une soupape par cylindre, qui coopère avec la came de travail (6) de chaque levier de levage (4) et est déplacée par celui-ci,
caractérisé en ce que le moyen (8) est une barre entraînée qui est montée de manière à pouvoir coulisser dans le carter (11, 12) du moteur à combustion interne.- au moins un levier de levage (4) par cylindre, qui présente
- un moyen (30) monté de manière à pouvoir tourner avec le levier de levage (4) et de manière à pouvoir coulisser dans une coulisse (5),
- un moyen (31) qui coopère avec un arbre à cames (28) qui entraîne le levier de levage (4) et
- une came de travail (6),
- un moyen (8) qui coopère avec les moyens (30) du levier de levage (4) et qui fait coulisser ceux-ci dans les coulisses (5),
- un arbre à cames (28), qui coopère avec le moyen (31) du levier de levage (4) et entraîne ce dernier,
- un levier culbuteur à galet (1), qui coopère avec la came de travail (6) du levier de levage (4) et qui est entraîné par celui-ci,
- au moins une soupape par cylindre, qui coopère avec la came de travail (6) de chaque levier de levage (4) et est déplacée par celui-ci,
caractérisé en ce que le moyen (8) est une barre entraînée qui est montée de manière à pouvoir coulisser dans le carter (11, 12) du moteur à combustion interne.