DE10241920A1

DE10241920A1 - Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10241920A1
Application number: DE2002141920
Authority: DE
Inventors: Jurij Gartner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-03-18

Abstract

Ventiltrieb (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle (2), die für mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, wobei der Zylinder zumindest zwei gleich wirkende Gaswechselventile aufweist, die jeweils von einem ersten Ventilbetätigungselement (3, 3') oder einem zweiten Ventilbetätigungselement (4, 4') umschaltbar betätigbar sind und das erste Ventilbetätigungselement (3, 3') axial auf der Nockenwelle (2) verschiebbar ist, wobei das erste Ventilbetätigungselement (3, 3') eine zylindrische Außenkontur (5, 5') aufweist und mit dem zweiten Ventilbetätigungselement (4, 4') einstückig ist. DOLLAR A Aufgrund der vorgeschlagenen Ausgestaltung kann in einfacher Art und Weise eine Ventil- bzw. Zylinderabschaltung für die Brennkraftmaschine vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 36 593 A1 aus. In dieser ist eine Steuervorrichtung für Ladungswechselventile einer Brennkraftmaschine mit deaktivierbaren Nocken beschrieben. Auf einer Nockenwelle sitzt ein rohrförmiger Doppelnocken, der für zwei gleich wirkende Gaswechselventile eines Zylinders zuständig ist. In Axialrichtung dieses Doppelnockens ist zumindest ein weiterer Nocken angeordnet. Beide Nocken weisen unterschiedliche Erhebungskurven auf. Durch Verschieben beider Nocken mittels einer Hydraulik gegen die Kraft einer Feder können die Nocken abwechselnd ein einzelnes Gaswechselventil betätigen. Um eine Ventilabschaltung zu erzielen, ist neben dem Doppelnocken in Verbindung mit dem weiteren Nocken ein dritter Nocken vorgesehen, der mittels einer Klauenkupplung von dem Antriebsverbund entkoppelt werden kann. Wird eine Ventilzuschaltung wieder notwendig, so greift der dritte Nocken auf den Doppelnocken mit seiner Klauenkupplung ein, und wird fasenstarr von der Nockenwelle wieder angetrieben.

Nachteilig bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist die teure und aufwändige Fertigung einer Klauenkupplung, um den dritten Nocken und den Doppelnocken schaltbar auszugestalten und somit eine Zylinder- bzw. Ventilabschaltung zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mechanisch einfachere, gattungsgemäße Ventil-, bzw. Zylinderabschaltung aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Anstelle einer aufwändigen Klauenkupplung weist die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein Ventilbetätigungselement auf, das eine zylindrische Außenkontur aufweist. Darüber hinaus ist es mit dem zweiten Ventilbetätigungselement einstöckig hergestellt, so dass die aufwändige Fertigung mehrerer Bauteile entfallen kann. Der erfindungsgemäße verschiebbare Doppelnocken weist zum einen eine Steuerbahn entsprechend eines konventionellen Nockens auf, sowie zur Ventilabschaltung eine sog. Nullhubkurve, bei der das Gaswechselventil in seiner Schließstellung gehalten wird.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 gestattet die separate Schaltung eines jeden Gaswechselventils.

Bei einer Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 3 bis 5 ist die Brennkraftmaschine wie eine konventionelle Brennkraftmaschine betreibbar, indem das zweite Ventilbetätigungselement auf das Gaswechselventil einwirkt. Nach einer Umschaltung ist die Zylinder- bzw. Gaswechselventilabschaltung realisiert. Darüber hinaus gestattet das vorgesehene dritte Ventilbetätigungselement mit einer Steuerbahn entsprechend einem Teilventilhub einen ökologischen Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillast- und unteren Lastbetrieb bei niedrigen Drehzahlen. Durch die Verwendung des dritten Ventilbetätigungselementes ist eine weitere Möglichkeit gegeben, neben der Zylinder- bzw. Ventilabschaltung eine kraftstoffsparende Betriebsweise der Brennkraftmaschine sicherzustellen.

Gemäß der Patentansprüche 6 bis 8 ist zwischen der Nockenwellenlagerung und der Nockenwelle ein Lagerring vorgesehen. Dieser Lagerring ist so dimensioniert, dass er bei einer Ventilabschaltung bzw. im Teillastbetrieb eine ausreichende Festigkeit zur Lagerung der Nockenwelle aufweist. Um Gewicht einzusparen, ist er auf eine minimale Breite ausgelegt. Dies bedeutet für den Vollastbetrieb, Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Ventilbetätigungselement mit einem höchsten Ventilhub, dass die Lagerbelastung auf den Lagerring zu groß wird. Da jedoch das erste Ventilbetätigungselement mit seinem zylindrischen Außendurchmesser in den Lagerbereich eingeschoben wird, übernimmt das erste Ventilbetätigungselement zusätzlich eine Lagerungsfunktion. Somit erfüllt das erste Ventilbetätigungselement zwei grundsätzliche Aufgaben; zum einen die Abschaltung des Ventils und zum anderen die Lagerung der Nockenwelle bei Vollastbetrieb. Auf diese Art und Weise ist eine maximale Gewichtsreduzierung des Ventiltriebs möglich, ohne Festigkeitsbzw. Schwingungsprobleme zu erzeugen.

Die Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 9 und 10 erlaubt eine drehwinkel-, bzw. fasenstarre Anordnung der Ventilbetätigungselemente für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine. Da die Zähnezahl der Geradverzahnung ein Vielfaches der halben Zylinderzahl der Brennkraftmaschine beträgt, ist die Fertigung bei der Bestückung der Nockenwelle mit Ventilbetätigungselementen einfach und kostengünstig zu realisieren. Entsprechend dem Zündabstand der einzelnen Zylinder können bei der Nockenwellenfertigung die Ventilbetätigungselemente in, der Zündzeitfolge entsprechenden Drehwinkelschritten auf die Nockenwelle aufgesetzt werden, bevor die komplett bestückte Nockenwelle im Zylinderkopf verbaut wird. Darüber hinaus ist die Geradverzahnung auf einer Nockenwelle fertigungstechnisch einfach und somit kostengünstig zu fertigen.

Die Verschiebung der Nocken kann entsprechend Patentanspruch 11 auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, je nach dem, welche baulichen Gegebenheiten bzw. welche Antriebsmöglichkeiten adaptierbar sind. So kann die axiale Verschiebung der Ventilbetätigungselemente hydraulisch und/oder mechanisch und/oder elektrisch erfolgen, sofern der vorgesehene Stellmechanismus in der Lage ist, auch bei der maximalen Drehzahl der Brennkraftmaschine die Ventilbetätigungselemente ausschließlich während der Grundkreisphase bzw. Nullhubphase, zu verschieben. Die erforderlichen Schaltdauern liegen je nach Brennkraftmaschinendrehzahl, bei der ein Schaltvorgang durchgeführt wird im Bereich von ca. 1 bis 10 Millisekunden, können jedoch auch schneller oder langsamer ausgeführt werden.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines einzigen Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 für eine Brennkraftmaschine.
Der Ventiltrieb 1 ist für zwei gleich wirkende, nicht dargestellte Gaswechselventile eines Zylinders der Brennkraftmaschine vorgesehen. Jedes Gaswechselventil steht unter Zwischenschaltung eines Zwischenelementes 13, 13 mit dem Ventiltrieb 1 in Wirkverbindung. Während eine Hälfte, die für den Betrachter linke Hälfte von 1, des Ventiltriebes 1, für ein erstes Gaswechselventil als 3D-Ansicht dargestellt ist, ist die zweite Hälfte des Ventiltriebes 1 für das zweite Gaswechselventil geschnitten gezeichnet. Unter „gleich wirkend" wird verstanden, dass die Gaswechselventile entweder einlassseitig oder auslassseitig im Ventiltrieb 1 angeordnet sind.
Der Ventiltrieb 1 besteht im Wesentlichen aus einer hohlen Nockenwelle 2, die über eine nicht näher beschriebene Teillänge an ihrem Außenumfang eine Geradverzahnung 11 in axialer Richtung aufweist. Die Anzahl der Zähne der Geradverzahnung 11 beträgt ein Vielfaches einer halben Zylinderzahl der Brennkraftmaschine, im vorliegenden Fall für eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine 40 Zähne. Gelagert ist die Nockenwelle 2 aus dem Ausführungsbeispiel in drei Bereichen, in einem Lagerbereich 9, der sich zwischen den Zwischenelementen 13, 13' befindet, sowie zwei weiteren Lagerbereichen 9', die jeweils auf der, dem ersten Lagerbereich 9 abgewandten Seite eines jeden Zwischenelementes 13, 13' angeordnet sind. Für andere Ausführungsbeispiele können die Lagerbereiche 9' auch an anderen Stellen, insbesondere im Hinblick auf weitere Gaswechselventile, angeordnet werden. In jedem Lagerbereich 9, 9' ist ein Lagerring 10, 10' vorgesehen. Der Lagerring 9 weist eine zur Geradverzahnung 11 korrespondierende Innengeradverzahnung 14 auf. Die Lagerringe 10, 10' sind drehfest mit der Nockenwelle verbunden. Zwischen dem Lagerbereich 10 und den Lagerbereichen 10' ist jeweils ein Ventilbetätigungselement 15, 15' vorgesehen, die über eine, ebenfalls zur Geradverzahnung 11 korrespondierende Innengeradverzahnung 14', axial auf der Nockenwelle verschoben werden können.
Die einstöckigen und materialeinheitlichen Ventilbetätigungselemente 15, 15' gliedern sich jeweils in ein erstes Ventilbetätigungselement 3, 3', ein zweites Ventilbetätigungselement 4, 4' und ein zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilbetäti gungselement 3, 3', 4, 4' liegendes drittes Betätigungselement 7, 7'. Die ersten Ventilbetätigungselemente 3, 3' weisen eine zylindrische Außenkontur 5, 5' auf. Der Durchmesser der zylindrischen Außenkonturen 5, 5' entspricht einem Außendurchmesser des Lagerrings 10. Die zweiten Ventilbetätigungselemente 4, 4' weisen jeweils eine erste Steuerbahn 6, 6' auf, die einem vollen Ventilhub des Gaswechselventils entspricht. Die dritten Ventilbetätigungselemente 7, 7' weisen jeweils eine zweite Steuerbahn 8, 8' auf, die einem Teilhub des Gaswechselventils entspricht. Ferner weisen die Ventilbetätigungselemente 15, 15' jeweils am zweiten Ventilbetätigungselement 4, 4' auf der, dem dritten Ventilbetätigungselement 7, 7' abgewandten Seite eine Ringnut 16, 16' auf, in denen jeweils ein gabelartiger Schieber 17, 17' einer Verstelleinheit 12 eingreift.
Die Verstelleinheit 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein doppelter hydraulischer Stellkolben, mit zwei axial angeordneten Kolben 19, 19', an denen jeweils ein Schieber 17, 17' ortsfest angeordnet ist. Durch Beaufschlagen von zwei hydraulischen Kammern 18, 18', die in der Verstelleinheit 12 von den Kolben 19, 19' gebildet werden, werden diese aus den Hydraulikkammern 18, 18' hinausgedrückt und über die Schieber 17, 17' werden die Ventilbetätigungselemente 15, 15' in axialer Richtung von dem Lagerring 10 weggezogen, bis sie jeweils an einem Lagerring 10' anstoßen. Die Lagerbereiche 9, 9' bestehen jeweils aus einem nicht dargestellten Lagerstuhl sowie einem nicht dargestellten Lagerdeckel. Wird die Verstelleinheit 12 in umgekehrter Richtung mit Hydraulikmedium beaufschlagt, so werden die Ventilbetätigungselemente 15, 15' in Richtung des Lagerrings 10 gedrückt. Als Anschlag dient wiederum der Lagerring 10.
In der dargestellten Stellung stehen die ersten Ventilbetätigungselemente 3, 3' jeweils mit einem Zwischenelement 13, 13' in Wechselwirkung, entsprechend einem Null-Hubverlauf für die Gaswechselventile. Im vorliegenden Fall sind die Zwischenelemente 13, 13' Ventiltassen, in anderen Ausführungsbeispielen können es jedoch auch Schwenk-, Kipp- oder Schlepphebel eingesetzt werden.
Wenn die zweiten Ventilbetätigungselemente 4, 4' auf die Zwischenelemente 13, 13' einwirken, Volllastbetrieb, wirken die größten Kräfte, bzw. Biegemomente auf die Nockenwelle 2 ein. Aus diesem Grund wäre die Lagerung der Nockenwelle 2 für diesen Betriebspunkt auszulegen. Da der Lagerring 10 aus Gewichtsgründen sowie Platzgründen jedoch kleinstmöglich dimensioniert ist, dienen die ersten Ventilbetätigungselemente 3, 3' in dieser Betriebsart als zusätzliche Lagerringe im Lagerbereich 9. Wird auf Betrieb mit den dritten Betätigungselementen 7, 7' umgeschaltet, Teillastbetrieb, so werden die ersten Ventilbetätigungselemente 3, 3' aus dem Lagerbereich 9 herausgezogen. Die Unterstützung des Lagerrings 10 zur Aufnahme von Kräften und Biegemomenten wird um das Maß der Verschiebung der Ventilbetätigungselemente 15, 15' reduziert. Dies ist jedoch nicht nachteilig, da die auftretenden Kräfte und Biegemomente beim Teillastbetrieb gegenüber dem Vollastbetrieb deutlich reduziert sind. Werden die Ventilbetätigungselemente 15, 15' noch weiter von dem Lagerring 10 entfernt, so stehen nur noch die ersten Ventilbetätigungselemente 3, 3' mit den Zwischenelementen 13, 13' in Wirkverbindung und die Ventile sind entsprechend der Nullhubkurve abgeschalten. Die nun auftretenden Kräfte und Biegemomente auf die Nockenwelle 2 sind minimal und werden von dem Lagerring 10 problemlos aufgenommen.
Die gleichzeitige Abschaltung von zwei gleich wirkenden Gaswechselventilen eines Zylinders der Brennkraftmaschine entspricht einer Zylinderabschaltung. Darüber hinaus sind noch weitere Betriebsmodi möglich, beispielsweise eine Einzel-Ventilabschaltung, d. h. ein Gaswechselventil wird mit einem ersten Ventilbetätigungselement 3, 3' betrieben, während das zweite Gaswechselventil mit dem zweiten Ventilbetätigungselement 4, 4' betrieben wird. Auch die Kombination drittes Ventilbetätigungselement 7, 7' in Verbindung mit dem ersten Ventilbetätigungselement 3, 3' oder dem zweiten Ventilbetätigungselement 4, 4' ist für zwei gleich wirkende Gaswechselventile eines Zylinders möglich. Bei dieser Betriebsart wird vor allem der Ladungswechsel positiv beeinflusst. Die Verstelleinheit 12 wird für diese Fälle entsprechend umgestaltet.
In weiteren Ausführungsbeispielen für die Verstelleinheit 12 ist es auch möglich, den Öldruck gegen eine Feder aufzubauen, die im Falle eines Nachlassens des Öldruckes im Hydrauliksystem die Ventilbetätigungselemente 15, 15' in ihre ursprüngliche Lage zurückverschiebt. Auch eine gleichfasige Verschiebung der Ventilbetätigungselemente 15, 15' ist möglich, wenn die Lagerbereiche 9, 9' entsprechend ausgestaltet werden.
Um die Zwischenelemente 13, 13' beim Schaltvorgang von einem Ventilbetätigungselement 3, 4, 7 auf ein anderes Ventilbetätigungselement 3', 4', 7' nicht zu beschädigen, findet der Schaltvorgang grundsätzlich nur während der Grundkreisphase, im Nullhubbereich, statt. Die Zwischenelemente 13, 13' weisen Ausklinkungen auf, so dass bei einer Ventilabschaltung die zweiten Ventilbetätigungselemente 4, 4' bzw. dritten Ventilbetätigungselemente 7, 7' nicht an die Zwischenelemente 13, 13' anschlagen. Die Schaltdauer liegt zwischen ca. 1 und 10 Millisekunden, kann jedoch in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, bei der ein Schaltvorgang durchgeführt wird, auch darüber oder darunter liegen. Die Steuerung erfolgt über einen nicht dargestellten Nockenwellengeber in Verbindung mit einem ebenfalls nicht dargestellten Motorsteuergerät.
Anstelle von 3-stufigen Ventilbetätigungselementen 15, 15', mit einem ersten 3, 3', einem zweiten 4, 4' und einem dritten Ventilbetätigungselement 7, 7', können auch zwei 2-stufige Ventilbetätigungselemente 15, 15', oder ein 2-stufiges und ein dreistufiges Ventilbetätigungselement 15, 15' vorgesehen werden, die jeweils eine beliebige Kombination aus dem ersten 3, 3', dem zweiten 4, 4' und dem dritten Ventilbetätigungselement 7, 7' aufweisen, Insgesamt ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventiltriebs folgende Vorteile:

– Einfache Fertigung und Montage
– Nur geringe Änderungen am Zylinderkopf und Zylinderdeckel notwendig,
– Keine Steifigkeitsverluste
– Geringe Massen und Platzbedarf
– Geringer Platzbedarf

1: Ventiltrieb
2: Nockenwelle
3, 3': Erstes Ventilbetätigungselement
4, 4': Zweites Ventilbetätigungselement
5, 5': Zylindrische Außenkontur
6, 6': Erste Steuerbahn
7, 7': Drittes Ventilbetätigungselement
8, 8': Zweite Steuerbahn
9, 9': Lagerbereich
10, 10': Lagerring
11: Geradverzahnung
12: Verstelleinheit
13, 13': Zwischenelement
14: Innengeradverzahnung
15, 15': Ventilbetätigungselement
16, 16': Ringnut
17, 17': Schieber
18, 18': Hydraulische Kammer
19, 19': Kolben

Claims

Ventiltrieb (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle (2), die für mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, wobei der Zylinder zumindest zwei gleichwirkende Gaswechselventile aufweist, die jeweils von einem ersten Ventilbetätigungselement (3, 3') oder einem zweiten Ventilbetätigungselement (4, 4') umschaltbar betätigbar sind und zumindest das erste Ventilbetätigungselement (3, 3') axial auf der Nockenwelle (2) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilbetätigungselement (3, 3') eine zylindrische Außenkontur (5, 5') aufweist und mit dem zweiten Ventilbetätigungselement (4, 4') einstöckig ist.
Ventiltrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Gaswechselventil ein separates Ventilbetätigungselement (3, 4), (3', 4') vorgesehen ist.
Ventiltrieb nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventilbetätigungselement (4, 4') eine erste Steuerbahn (6, 6') entsprechend einem höchsten Ventilhub aufweist.
Ventiltrieb nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilbetätigungselement (3, 4), (3', 4') ein drittes Ventilbetätigungselement (7, 7') vorgesehen ist.
Ventiltrieb nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Ventilbetätigungselement (7, 7') eine zweite Steuerbahn (8, 8') entsprechend einem Teilventilhub aufweist.
Ventiltrieb nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei die Nockenwelle neben zumindest einem Gaswechselventil einen Lagerbereich, bestehend aus zumindest einem Lagerstuhl und einem Lagerdeckel aufweist und das erste Ventilbetätigungselement als eine Lagerschale dient, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagerbereich (9) und der Nockenwelle (2) ein Lagerring (10) vorgesehen ist.
Ventiltrieb nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilbetätigungselement (3, 3') in den Lagerbereich (9) bis an den Lagerring (10) einschiebbar ist.
Ventiltrieb nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilbetätigungselement (3, 3') einen gleichen Außendurchmesser wie der Lagerring (10) aufweist.
Ventiltrieb nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) am Außenumfang eine Geradverzahnung (11) aufweist.
Ventiltrieb nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Zähne der Geradverzahnung (11) ein vielfaches einer halben Zylinderzahl der Brennkraftmaschine ist.
Ventiltrieb nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung der Ventilbetätigungselemente (3, 4, 7), (3', 4', 7') hydraulisch und/oder mechanisch und/oder elektrisch erfolgt.