DE202004016360U1

DE202004016360U1 - Vollvariabler fünfgliedriger Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE202004016360U1
Application number: DE202004016360U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2014-08-21

Abstract

Vollvariabel fünfglieder Ventiltrieb mit einer um eine Achse C1 rotierenden Nockenwelle (1) und mindestens einem, mit einer Laufrolle versehenem Ventilbetätigungsglied (5), welches auf das freie Ende mindestens eines Hubventils (7) einwirkt, wobei zwischen der Nockenwelle (1) und dem Ventilbetätigungsglied (5) ein zweiteiliges, in einer Achse C3 gelenkig verbundenes Zwischenglied (3) angeordnet liegt, dadurch gekennzeichnet dass, das vom Nocken über eine Angriffsfläche (3g) beaufschlagte Zwischenglied (3) durch einen Kniehebel (3) gebildet ist, welcher einerseits seiner Gelenkachse C3 mit mindestens einer Führungsschwinge (3a) versehen ist und andererseits seiner Gelenkachse C3 mit mindestens einer Steuerklinke (3b) versehen ist und die Führungsschwinge (3a) mit ihrem der Gelenkachse C3 abgewandten Ende mit einem Verstellmittel (2) schwenkbeweglich verbunden ist, wobei die Lage der schwenkbeweglichen Verbindung durch das Verstellmittel (2) veränderbar ist und die Steuerklinke (3b) an ihrem der Gelenkachse C3 abgewandten Ende über eine Abstützrolle (3h) mit einem Zentrum C3a oder über eine kreisbogenförmige Gleitfläche mit...

Description

Diese Gebrauchsmusteranmeldung beschreibt einen vollvariablen fünfgliedrigen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine.
Diese Anmeldung ist eine Gebrauchsmusterabzweigung aus der bisher nicht veröffentlichen Patentanmeldung DE 10 2004 040 652.9 deren Priorität für die Schutzansprüche dieser Gebrauchsmusterabzweigung in Anspruch genommen wird.
Mit einem vollvariablen Ventiltrieb lässt sich insbesondere eine fremdgezündete Brennkraftmaschine drosselfrei betreiben, wodurch es gelingt, die bei konventioneller Drosselung über weite Lastzustände auftretenden Ladungswechselverluste zu minimieren. Hierdurch lässt sich die Leistungs- und Drehmomentcharakteristik verbessern sowie Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen reduzieren.
Darüber hinaus zeichnet sich eine derart ausgestattete Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich durch ein verbessertes Ansprechverhalten sowie eine erhöhte Laufruhe aus.
Die Last wird bei einem vollvariablen Ventiltrieb durch den Öffnungsquerschnitt der jeweils eingeregelten Erhebungskurve des Einlassventils bestimmt.
Um den drosselfreien Betrieb im Leerlauf und Teillastbereich zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, neben dem Ventilhub auch die Öffnungsdauer (Event) erheblich zu reduzieren, Um ein möglichst großes Potenzial der drosselfreien Lastregelung zu erschließen, ist es hierbei im Leerlauf- und Teillastbereich erstrebenswert, das Einlassventil möglichst früh zu schließen.
Stand der Technik
Aus der DE 100 06 018 A1 (INA Ecovalve – System) ist der Fachwelt ein sogenannter fünfgliedriger vollvariabler Ventiltrieb bekannt, bei welchem zwischen der Nockenwelle und einem Rollenschlepphebel ein zweiteiliges Zwischenglied geschaltet ist, welches aus einem, um eine Verstellwelle schwenkbaren, von der Nockenwelle beaufschlagten Schwinghebel und einer Klinke besteht, welche an einem freien Ende des Schwinghebels schwenkbeweglich befestigt ist, wobei die Klinke mit einer Laufrolle ein Rastgebirge abtastet, welches um die Lagerachse der Verstellwelle durch eine Verstelleinrichtung verdreht werden kann.
Die Klinke wirkt hierbei über eine Angriffsfläche, welche während der Ventilrast konzentrisch zur Verstellwelle angeordnet liegt, auf einen Rollenschlepphebel ein, welcher das Hubventil betätigt.
Mit diesem Ventiltrieb kann sowohl die Hubhöhe als auch die Öffnungsdauer (Event) von einer Maximalerhebungskurve bis zu einer Ventilabschaltung variiert werden.
Um hierbei eine gewünschte Steuerstrategie des „frühen Einlass schließt" realisieren zu können, ist hierzu die Nockenwelle mit einer separaten Phasenverstelleinrichtung versehen, wobei ein relativ großer Verstellwinkel durch die Phasenverstelleinrichtung dargestellt werden muss.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, einen fünfgliedrigen vollvariablen Ventiltrieb zu schaffen, bei welchem während der Verstellung von Hub und Öffnungsdauer zeitgleich eine signifikante Phasenverstellung durch den Bewegungsablauf der Getriebeglieder bewirkt wird. Hierdurch kann bei einer optimalen Auslegung im Idealfall gänzlich auf eine separate Phasenverstelleinrichtung verzichtet werden, oder zumindest eine Phasenverstelleinrichtung mit einem wesentlich kleineren Verstellwinkel als beim vorgenannten Stand der Technik Verwendung finden.
Lösung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
Eine bevorzugte Ausgestaltungsmöglichkeit und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventiltriebs soll mit Hilfe der 1 näher erläutert werden.
Es wird der Steuermechanismus von zwei parallel betätigten Einlassventilen 7 eines einzelnen Zylinders beschrieben, wobei der Ventiltrieb vorzugsweise für Mehrzylindermaschinen vorgesehen ist.
Die 1 zeigt den Ventiltrieb von der Stirnseite des Zylinderkopfs während der Grundkreisphase, wobei die mit einem Exzenter versehene Verstellwelle 2 in ihrer Winkellage auf einen Maximalhub eingeregelt ist.
In einem Zylinderkopf ist eine, um die Achse C1 rotierende Nockenwelle 1 vorgesehen.
Die Nockenwelle 1 ist mit zwei axial in der Hubventilebene angeordneten Nocken versehen, welche mit je einer Nockenlaufrolle 3g eines zweiteiligen Zwischenglieds 3 in Wirkverbindung stehen.
Das Zwischenglied 3 ist als Kniehebel 3 ausgestaltet und besteht einerseits aus einer Führungsschwinge 3a, welche axial mittig in der Zylinderebene angeordnet liegt, sowie aus zwei axial versetzten, in den Hubventilebenen angeordneten Steuerklinken 3b, wobei die Führungsschwinge 3a über einen Verbindungsbolzen mit dem Zentrum C3 schwenkbeweglich mit den beiden Steuerklinken 3b verbunden ist.
Vorteilhaft sind die beiden Nockenlaufrollen 3g axial in je einer Hubventilebene auf diesem Verbindungsbolzen gelagert.
Die Führungsschwinge 3a ist mit ihrem, der gelenkigen Verbindung C3 abgewandten Ende im Ausführungsbeispiel auf dem Exzenter der als Exzenterwelle 2 ausgestalteten Verstellwelle 2 schwenkbeweglich gelagert, wobei sich die Verstellwelle 2 bevorzugt über mehrere Zylinder erstreckt.
Die Verstellwelle 2 ist hierbei drehbar um die ortsfeste Lagerachse C2 im Zylinderkopf gelagert und steht mit einer nicht näher beschriebenen elektromechanischen oder hydraulischen Verstelleinrichtung (Aktuator) bekannter Bauart in Antriebsverbindung.
Die beiden Steuerklinken 3b stützen sich mit ihrem der gelenkigen Verbindung C3 abgewandten Ende bevorzugt über je eine Abstützrolle 3h oder alternativ über eine kreisbogenförmige Gleitfläche mit einem Zentrum C3a an einer, fest mit der Zylinderkopfstruktur gefügten oder an einer, in der Zylinderkopfstruktur integrierten, z.B. eingegossenen Kulissenbahn 4a ab.
Jede Kulissenbahn 4a ist dabei bevorzugt an einem aus Stahl gefertigtem Kulissenblock 4 vorgesehen, welcher sich vorteilhaft in seiner Längsachse über mehrere Zylinder erstreckt. Die Steuerklinken 3b sind auf ihrer den Hubventilen 7 zugewanden Seite mit je einer Steuerkurve 3f versehen, welche mit je eine Laufrolle eines Rollenschlepphebels 5 in Wirkverbindung stehen, wobei die beiden Rollenschlepphebel 5 mit ihrem freien Ende auf je ein Hubventil 7 einwirken und mit ihrem gehäuseseitigen Ende auf je einem Abstützelement 6 mit hydraulischem Ventilspielausgleich aufliegen.
Die Steuerkurve 3f je einer Steuerklinke 3b geht hierbei von einer Ventilrastsektion 3c, welche eine Radiuskontur um das Zentrum C3a beschreibt, über eine von der Radiuskontur abweichende Anlauframpe 3d in eine, sich in Richtung des Rollenschlepphebels 5 erstreckende, Hubsektion 3e über.
Die Kulissenbahn 4a ist hierbei durch eine kreisbogenförmige Anlagefläche 4a gebildet, wobei der Kreisbogenabschnitt während der Ventilrast (d.h. bei geschlossenem Hubventil) konzentrisch zur Lagerachse C5 der Laufrolle des Rollenschlepphebels 5 angeordnet liegt. Des weiteren ist ein sogenanntes Lost-Motion- Element 8 vorgesehen, welches im Ausführungsbeispiel durch eine Druckfeder gebildet ist, welche auf einer Stiftkonstruktion geführt ist.
Dieses Lost- Motion- Element 8 ist axial zwischen den Ventilfedern angeordnet und hierbei mit seinen beiden Enden gelenkig zwischen der Zylinderkopfgehäusestruktur und der Führungsschwinge 3a abgestützt und vorgespannt, wodurch stets ein satter Kontakt zwischen den Nockenlaufrollen 3g und den Nockenlaufflächen der Nockenwelle 1 gewährleistet ist.
Im folgenden wird angenommen, das sich der Ventiltrieb in der in 1 gezeigten Position befindet.
Wird nun die Nockenwelle 1 entgegen dem Uhrzeigersinn in eine Rotation versetzt, so werden nach der Grundkreisphase die beiden Nocken auf die beiden Nockenlaufrollen 3g wirksam, wobei über den Verbindungsbolzen die beiden Steuerklinken 3b mitgenommen werden und gleichzeitig die Führungsschwinge 3a um das Zentrum des Exzenters der Verstellwelle 2 ausgelenkt wird.
Hierbei lenken die Steuerklinken 3b um die Lagerachse C3a der Abstützrollen 3h aus, wobei sich gleichzeitig die Abstützrollen 3h durch die kreisbogenförmige Bewegungsbahn der Verbindungsachse C3 über einem sehr geringen Weg entlang den Kulissenbahnen 4a hin- und hergehend abwälzen.
Durch die Auslenkung der Steuerklinken 3b werden hierbei zunächst die Anlauframpen 3d und nachfolgend die Hubsektionen 3e der Steuerkurven 3f auf die Laufrollen der Rollenschlepphebel 5 wirksam, welche hierbei maximal ausgelenkt werden und die Hubventile 7 maximal öffnen.
Im weiteren Verlauf wälzen sich die Nockenlaufrollen 3g entlang der absteigenden Flanken der Nocken bis zur Grundkreisstellung ab, wobei der Kniehebel (3) wieder seine Ausgangsstellung einnimmt und die Hubventile 7 wieder geschlossen werden.
Im folgenden wird die Verstellwelle 2 über die Verstelleinrichtung um beispielsweise 180 Grad verdreht.
Hierbei wird durch die Verlagerung des Exzenters der Kniehebel 3 in seiner Gesamtheit nach links verlagert.
Hierbei wälzen sich die Nockenlaufrollen 3g entlang der Nockenwelle ab, wobei durch den veränderten Berührpunkt in Verbindung mit der Drehrichtung der Nockenwelle eine signifikante Phasenlagenänderung in Richtung „früh" bewirkt wird.
Gleichzeitig wälzen sich hierbei die Abstützrollen 3h der Steuerklinken 3b entlang der Kulissenbahnen 4a ab, wobei sich zusätzlich die Laufrollen der Rollenschlepphebel 5 entlang der Ventilrastsektionen 3c abwälzen, wodurch der Berührpunkt der Ventilrastsektionen 3c relativ zu den Schlepphebelaufrollen verändert wird.
Wird nun die Nockenwelle 1 erneut entgegen dem Uhrzeigersinn in eine Rotation versetzt, so werden nach der Grundkreisphase die Nocken erneut auf die beiden Nockenlaufrollen 3g wirksam, wobei über den Verbindungsbolzen die beiden Steuerklinken 3b mitgenommen werden und gleichzeitig die Führungsschwinge 3a um das Zentrum des Exzenters ausgelenkt wird.
Hierbei lenken die Steuerklinken 3b erneut um die Lagerachse C3a der Abstützrollen 3h aus, wobei sich gleichzeitig die Abstützrollen 3h durch die kreisbogenförmige Bewegungsbahn der Verbindungsachse C3 über einem sehr geringen Weg entlang den Kulissenbahnen 4a hin- und hergehend abwälzen.
Während der Auslenkung der Steuerklinken 3b haben die Laufrollen der Rollenschlepphebel 5 jedoch durch die veränderte Lagezuordnung relativ zu den Steuerklinken 3b nur Kontakt zu den Ventilrastsektionen 3c, wodurch die Rollenschlepphebel 5 nicht ausgelenkt werden und die Hubventile 7 vollständig geschlossen bleiben. (Hubventile abgeschaltet)
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich durch definiertes verdrehen der Verstellwelle 2 innerhalb eines Verstellwinkels zum einen die Dauer der Öffnung (Event) als auch die Hubhöhe des beaufschlagten Hubventils 7 stufenlos variieren.
Hierbei wird bei einem Ventiltrieb in einer erfindungsgemäßen kinematischen Ausgestaltung eine Phasenverschiebung während der Ventilhub- und Eventverstellung bewirkt.
Im folgenden soll näher auf einige vom Ausführungsbeispiel abweichende Ausführungsmöglichkeiten eingegangen werden.
Im vorangegangenem Ausführungsbeispiel ist das, mit der Führungsschwinge 3a in Antriebsverbindung stehende Verstellmittel 2 durch eine Exzenterwelle 2 gebildet, grundsätzlich können jedoch auch andere, relativ zur Zylinderkopfstruktur verlagerbare Mittel vorgesehen sein, mit welchem die Führungsschwinge 3a gelenkig verbunden ist. Insbesondere sind hier im Zylinderkopf verschiebbar geführte Stößel angedacht, welche mit einem freien Ende über ein Gelenk mit der Führungsschwinge 3a verbunden sind und durch an sich bekannte Verstelleinrichtungen (z.B. hydraulisch durch Kolben – Zylinder, mechanisch durch Bewegungsgewinde oder durch Zahnstangen – Zahnwellenverbindung) linear verschiebbar sind.
Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann angedacht, wenn eine zylinderselektive Lastregelung erfolgen soll, wodurch insbesondere auch eine selektive Zylinderabschaltung ermöglicht wird.
Hierbei ist je ein Verstellmittel pro Zylinder vorgesehen und mit je einem separaten Aktuator versehen.
Grundsätzlich kann auch die Nockenlaufrolle 3g im Ventiltrieb durch eine entsprechend angeformte Gleitfläche ersetzt sein.
Ebenfalls sind auch andere Kombinationen der axialen Anordnungen oder Anzahl der Getriebeglieder (z.B. zwei axial nebeneinander angeordnete Führungsschwingen pro Zylinder) denkbar.
Weitere vom Ausführungsbeispiel abweichende und/oder alternative Ausgestaltungsmöglichkeiten sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Claims

Vollvariabel fünfglieder Ventiltrieb mit einer um eine Achse C1 rotierenden Nockenwelle (1) und mindestens einem, mit einer Laufrolle versehenem Ventilbetätigungsglied (5), welches auf das freie Ende mindestens eines Hubventils (7) einwirkt, wobei zwischen der Nockenwelle (1) und dem Ventilbetätigungsglied (5) ein zweiteiliges, in einer Achse C3 gelenkig verbundenes Zwischenglied (3) angeordnet liegt, dadurch gekennzeichnet dass, das vom Nocken über eine Angriffsfläche (3g) beaufschlagte Zwischenglied (3) durch einen Kniehebel (3) gebildet ist, welcher einerseits seiner Gelenkachse C3 mit mindestens einer Führungsschwinge (3a) versehen ist und andererseits seiner Gelenkachse C3 mit mindestens einer Steuerklinke (3b) versehen ist und die Führungsschwinge (3a) mit ihrem der Gelenkachse C3 abgewandten Ende mit einem Verstellmittel (2) schwenkbeweglich verbunden ist, wobei die Lage der schwenkbeweglichen Verbindung durch das Verstellmittel (2) veränderbar ist und die Steuerklinke (3b) an ihrem der Gelenkachse C3 abgewandten Ende über eine Abstützrolle (3h) mit einem Zentrum C3a oder über eine kreisbogenförmige Gleitfläche mit einem Zentrum C3a an einer gehäusefesten Kilissenbahn (4a) abgestützt ist und die Kulissenbahn (4a) als Kreisbogen ausgestaltet ist, welcher während der Ventilrast konzentrisch zum Drehzentrum C5 der Laufrolle des Ventilbetätigungsglieds (5) angeordnet liegt und die Laufrolle des Ventilbetätigungsglieds (5) mit einer Steuerkurve (3f) der Steuerklinke (3b) in Antriebsverbindung steht, welche Steuerkurve (3f) von einer Ventilrastsektion (3c), welche eine Radiuskontur um das Zentrum C3a beschreibt, über eine von der Radiuskontur abweichende Anlauframpe (3d) in eine Hubsektion (3e) übergeht.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, – das Verstellmittel (2) durch eine, um eine ortsfeste Achse C2 drehbare, Exzenterwelle (2) gebildet ist, wobei die Führungsschwinge (3a) um das Zentrum des Exzenters schwenkbeweglich gleitend oder walzend gelagert ist und die Exzenterwelle (2) wahlweise elektromechanisch oder hydraulisch verdreht wird, oder – das Verstellmittel durch einen linear geführten Stößel gebildet ist, welcher an einem freien Ende über ein Gelenk mit einer Führungsschwinge (3a) wirkverbunden ist, wobei der Stößel wahlweise hydraulisch oder mechanisch betätigt (z.B. Kolben – Zylinder, Bewegungsgewinde oder Zahnstangen – Zahnwellenverbindung) in seiner Führung verschiebbar ist, wobei insbesondere für jeden Zylinder ein einzelner, unabhängig von den anderen Zylindern, verstellbarer Stößel vorgesehen sein kann.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet dass, – die sich an den Kulissenbahnen (4a) abstützende Abstützrollen (3h) an den Steuerklinken (3b) auf einem Lagerbolzen wälzgelagert ist, wobei für jede Steuerklinke (3b) je eine Abstützrolle (3h) axial in der Hubventilebene angeordnet liegt, oder – eine gemeinsame wälzgelagerte Abstützrolle auf einem gemeinsamen Lagerbolzen axial zwischen zwei Steuerklinken (3b) in der Zylinderebene angeordnet liegt, welche sich an einer gemeinsamen, axial in der zylinderebene angeordneten Kulissenbahn (4a) abstützt.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass, – zwei von je einem Nocken beaufschlagte Angriffsflächen (3g) am Kniehebel (3) durch je eine wälzgelagerte Laufrolle (3g) gebildet sind, welche konzentrisch zur gelenkigen Verbindung C3 gelagert sind, wobei je eine Laufrolle (3g) mittig innerhalb einer Steuerklinke (3b) axial in der Hubventilebene angeordnet liegt, oder – eine, von einem Nocken beaufschlagte Angriffsfläche (3g) am Kniehebel (3) durch eine einzelne Laufrolle gebildet ist, welche konzentrisch zur gelenkigen Verbindung C3 gelagert ist, wobei die Laufrolle mittig innerhalb der Führungsschwinge (3a) axial in der Zylinderebene angeordnet liegt, oder – zwei von je einem Nocken beaufschlagte Angriffsflächen (3g) am Kniehebel (3) durch je eine angeformte Gleitfläche an je einer Steuerklinke (3b) gebildet sind, welche axial in der Hubventilebene angeordnet liegen, oder – eine, von einem Nocken beaufschlagte Angriffsfläche (3g) am Kniehebel (3) durch eine angeformte Gleitfläche an der Führungsschwinge (3a) gebildet ist, welche axial in der Zylinderebene angeordnet liegt,
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass, – bei zwei parallel betätigte Hubventilen (7) eine gemeinsame Führungsschwinge (3a) vorgesehen ist und/ oder – eine gemeinsame Steuerklinke (3b) vorgesehen ist, welche bevorzugt auf einen sogenannten Gabelschlepphebel einwirkt.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet dass, jede Kulissenbahn (4a) an einem, bevorzugt aus Stahl gefertigtem, einteiligem Kulissenblock (4) vorgesehen ist, welcher sich bevorzugt über mehrere Zylinder erstreckt, wobei der Kulissenblock (4) bevorzugt an einer, sich über den Zylinderkopf erstreckenden, Anschlagfläche oder Nut in seiner Lage orientiert und mit dem Zylinderkopf verschraubt ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet dass, zwischen mindestens einem Teil des Kniehebels (3) und dem Zylinderkopfgehäuse mindestens eine vorgespannte Lost- Motion -Feder (8) angeordnet ist, welche durch eine linear geführte Druckfeder (8) oder durch eine Torsionsschenkelfeder oder durch eine Zugfeder gebildet sein kann.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet dass, – bei zweiparallel betätigten Hubventilen (7) eine einzelne, in der Zylinderebene angeordnete Führungsschwinge (3a) über ein Wälz- oder Gleitlager drehbeweglich auf dem Verbindungsbolzen mit dem Achszentrum C3 gelagert ist, wobei zwei axial in den Hubventilebenen angeordnete Steuerklinken (3b) drehfest mit dem Verbindungsbolzen gefügt sind, oder – bei zwei parallel betätigten Hubventilen (7) eine einzelne, in der Zylinderebene angeordnete Führungsschwinge (3a) drehfest mit dem Verbindungsbolzen mit dem Achszentrum C3 gefügt ist, wobei zwei axial in den Hubventilebenen angeordnete Steuerklinken (3b) über ein Wälz oder Gleitlager drehbeweglich auf dem Verbindungsbolzen mit dem Achszentrum C3 gelagert sind.