DE102005040649A1

DE102005040649A1 - Variabler Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005040649A1
Application number: DE102005040649A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Himsel; Christof Dipl.-Ing. Faria
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-08-27
Filing date: 2005-08-27
Publication date: 2007-03-01
Also published as: US7392777B2; US20070044743A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein variabler Ventiltrieb (1) für ein von einem Nocken (2) betätigtes Gaswechselventil (8) einer Brennkraftmaschine, mit einer zwischen dem Nocken (2) und dem Gaswechselventil (8) angeordneten Kraftübertragungsvorrichtung (4), die eine hydraulische Hubeinrichtung (9) mit einem in einem Zylinder (12) längsverschiebbaren Druckkolben (10) umfasst, welcher einen an eine Druckmittelversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossenen Druckraum (13) begrenzt und unter Hochdruckbeaufschlagung eine vom Nocken (2) unabhängige Betätigung des Gaswechselventils (8) ermöglicht. Dabei soll die Kraftübertragungsvorrichtung (4) als auf einer Hebelachse (6) drehbar gelagerter Schwing- oder Kipphebel (3) ausgebildet sein, wobei die Hebelachse (6) einen Druckmittel führenden Längskanal (14) als Verbindungsstrecke (15) zwischen der Druckmittelversorgung und dem Druckraum (13) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb für ein von einem Nocken betätigtes sowie durch eine Schließfeder entgegen der Öffnungsrichtung belastetes Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine. Der Ventiltrieb weist eine zwischen dem Nocken und dem Gaswechsel angeordnete Kraftübertragungsvorrichtung auf, die eine hydraulische Hubeinrichtung mit einem in einem Zylinder längsverschiebbaren Druckkolben umfasst. Der Druckkolben begrenzt einen an eine einstellbare Druckmittelversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossenen Druckraum und ermöglicht unter Hochdruckbeaufschlagung eine vom Nocken unabhängige, hydraulische Betätigung des Gaswechselventils entgegen der Kraft der Schließfeder.
Hintergrund der Erfindung

Gattungsgemäße Ventiltriebe, bei denen sich der Hub des Gaswechselventils aus der Überlagerung eines vom Nocken ausgehenden, mechanischen Hubs und eines variabel einstellbaren Hubs einer hydraulischen Hubeinrichtung, die unabhängig vom Nocken auf die Bewegung des Gaswechselventils einwirkt, zusammensetzt, sind im Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 101 56 309 A1 einen Tassenstößel-Ventiltrieb mit hydraulischer Hubeinrichtung. Diese umfasst einen zwischen einer Innenseite des Tassenbodens und dem Ventilschaft angeordneten Druckkolben, der in Abhängigkeit der Volumenänderung eines vom Druckkolben begrenzten Druckraums das Gaswechselventil relativ zum Tassenstößel betätigt. Der Druckraum ist seinerseits über Kanäle im Inneren des Tassenstößels sowie in der Stößelführung der Brennkraftmaschine an eine Hydraulikversorgung angeschlossen, deren Druck bzw. Volumenstrom betriebspunktabhängig einstellbar ist.

Als Alternativen zu dem erwähnten Tassenstößel sind in der zitierten Druckschrift noch Kraftübertragungsvorrichtungen vorgeschlagen, die dem Fachmann einerseits als stationär in der Brennkraftmaschine angeordnete Abstützelemente zur Lagerung eines schwenkbeweglichen Ventilhebels und andererseits als einen Ventilhebel beaufschlagender und längsbeweglich in der Brennkraftmaschine geführter Stößel beispielsweise eines Stoßstangen-Ventiltriebs bekannt sind. Insofern vermittelt die genannte Druckschrift keinerlei Anregungen, die den Fachmann veranlassen würden, solche hydraulische Hubeinrichtungen auch in anderen als den genannten Ventiltriebsarchitekturen zu applizieren.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen variablen Ventiltrieb der vorgenannten Art zu schaffen, bei welchem der zitierte Nachteil mit einfachen Mitteln beseitigt ist. Insbesondere soll das im Stand der Technik bekannte und erheblich eingeschränkte Einsatzgebiet der hydraulischen Hubeinrichtung auf moderne Ventiltriebsarchitekturen ausgeweitet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll die Kraftübertragungsvorrichtung als auf einer Hebelachse drehbar gelagerter Schwing- oder Kipphebel ausgebildet sein, wobei die Hebelachse einen Druckmittel führenden Längskanal als Verbindungsstrecke zwischen der Druckmittelversorgung und dem Druckraum aufweist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein auf einer Hebelachse gelagerter Schwinghebel- oder Kipphebel-Ventiltrieb, der es ermöglicht, den mechanischen Hub des Nockens und einen vom Nocken unabhängigen, hydraulisch erzeugten Hub am Gaswechselventil zu überlagern. Neben einer weitgehend freien Modellierbarkeit der vom Nocken starr vorgegebenen Erhebung des Gaswechselventils soll hierdurch insbesondere ein Sekundärhub des Gaswechselventils während einer hubfreien Grundkreisphase des Nockens ermöglicht werden. Ein solcher Sekundärhub eröffnet vorteilhafte Möglichkeiten, Abgas in hohen und genau einstellbaren Mengen intern rückzusaugen.

Diese Form der Abgasrücksaugung ist insbesondere Grundlage für einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei homogener und sich selbst zündender Ladung. Ein derartiges, auch als HCCI-Verfahren (Homogenous Charge Compression Ignition) bezeichnetes Brennverfahren ist sowohl bei selbst gezündeten Diesel-Brennkraftmaschinen als auch bei fremd gezündeten Otto-Brennkraftmaschinen zumindest im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine hauptsächlich zum Zweck der Emissionsreduzierung einsetzbar. Der Verbrennungsablauf wird beim HCCI-Verfahren im wesentlichen durch Steuerung der Ladungszusammensetzung und des Ladungstemperaturverlaufs festgelegt. Es zeigt sich, dass bei diesem Brennverfahren eine hohe Ladungstemperatur zur Steuerung des Zündzeitpunktes erwünscht ist. Ein sehr wirksames Mittel zur Erhöhung der Ladungstemperatur ist die Erhöhung des Restgasanteils in der Zylinderladung, d.h. die Erhöhung des Anteils an nicht ausgespültem oder ausgespültem und in den Zylinder wieder rückgeführten Abgas des vorhergehenden Verbrennungszyklus für den darauf folgenden Verbrennungszyklus. Dabei muss der Restgasanteil auf den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vollvariabel angepasst werden können, wobei Restgasmengen von 60% der Zylinderladung und mehr erforderlich sein können. Restgasanteile können in dieser Höhe nicht mehr über eine interne Abgasrückführung durch konventionelle Ventilüberschneidung oder über eine Einrichtung zur externen Abgasrückführung bereitgestellt werden. Überdies reagiert das HCCI-Verfahren mit unakzeptablen Verbrennungsabläufen äußerst sensibel auf Änderungen der Ladungseigenschaften. So ist neben der Bereitstellung von Restgas in der benötigten Menge ebenfalls eine zyklustreue, hochpräzise und zylinderindividuelle Dosierung des Restgasanteils erforderlich und durch den erfindungsgemäßen Schwinghebel- oder Kipphebel-Ventiltrieb auch bei modernen Ventiltriebsarchitekturen darstellbar.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Druckkolben eine Ausnehmung aufweist, die über wenigstens eine Radialbohrung an eine in einer Außenmantelfläche des Druckkolbens verlaufende Ringnut angeschlossen ist. Dabei kommuniziert die Ringnut in Abhängigkeit der Hubstellung des Druckkolbens relativ zum Zylinder mit einem an den Längskanal der Hebelachse angeschlossenen und in den Zylinder mündenden Druckkanal des Schwing- oder Kipphebels hydraulisch derart, dass die Ausnehmung bei vollständig eingefahrenem Druckkolben über einen größtmöglichen Strömungsquerschnitt mit dem Druckkanal verbunden ist, während der Druckkanal bei ausgefahrenem Druckkolben von dessen Außenmantelfläche weitgehend verschlossen ist. Somit dient die Ringnut nicht nur als vom Drehwinkel des Druckkolbens unabhängige Hydraulikverbindung zwischen dem Druckraum und dem Druckkanal des Schwing- oder Kipphebels sondern auch als hydraulisch wirksame Steuerkante des Druckkolbens. Diese Steuerkante ermöglicht einen sich selbst steuernden und vom Druckniveau der Druckmittelversorgung nahezu unabhängigen Hubverlauf des Druckkolbens dadurch, dass der Druckkanal sukzessive von der Außenmantelfläche des Druckkolbens während dessen Ausfahrbewegung verschlossen wird. Der sich dabei reduzierende Strömungsquerschnitt zwischen Druckkanal und Ringnut führt zu einer zunehmenden Drosselung bis hin zum nahezu vollständigen Abregeln des Volumenstroms in den Druckraum. Insofern kann auf passive Weise ein Hubverlauf des Druckkolbens generiert werden, der bei konstantem Druck in der Druckmittel versorgung durch eine hohe Anfangsbeschleunigung, gefolgt von einer Verzögerungsphase bis Erreichen des Maximalhubs des Druckkolbens gekennzeichnet ist. Hierdurch lässt sich zum einen der Regelungsaufwand zur Ansteuerung der Druckmittelversorgung erheblich vereinfachen und zum anderen kann die mechanische Belastung eines als Maximalhubbegrenzung für den Druckkolben dienenden Axialanschlags insbesondere im Falle einer Fehlfunktion dieser Ansteuerung deutlich reduziert werden.

Schließlich kann die hydraulische Leistungsaufnahme der Druckmittelversorgung, welche zu einer unerwünschten Reibmitteldruckerhöhung der Brennkraftmaschine führt, zumindest teilweise dadurch kompensiert werden, dass der Schwing- oder Kipphebel zur Reduzierung der Ventiltriebsreibung eine drehbar und wahlweise wälzgelagerte Rolle als reibungsarme Anlauffläche für den Nocken aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand der beiliegenden Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt eines Kipphebel-Ventiltriebs bei eingefahrenem Druckkolben;
2 den Ventiltrieb aus 1 bei ausgefahrenem Druckkolben.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine am Beispiel eines Kipphebel-Ventiltriebs offenbart. Dargestellt ist ein Nocken 2 einer Nockenwelle, der eine als Kipphebel 3 ausgebildete Kraftübertragungsvorrichtung 4 über eine wälzgelagerte Rolle 5 als reibungsarme Anlauffläche für den Nocken 2 betätigt. Der Kipphebel 3 ist in an sich bekannter Weise auf einer Hebelachse 6 drehbar gelagert und betätigt an einer nockenfernen Seite ein durch eine Schließfeder 7 entgegen der Öffnungsrichtung belastetes Gaswechselventil 8. Der Kipphebel 3 weist eine hydraulische Hubeinrichtung 9 mit einem Druckkolben 10 auf und ermöglicht einen variablen Öffnungsverlauf des Gaswechselventils 8, indem der vom Nocken 2 ausgehende mechanische Hub von einem hydraulisch erzeugten Hub des Druckkolbens 10 überlagert auf das Gaswechselventil 8 übertragen wird. Der Druckkolben 10 ist mit einer Außenmantelfläche 11 in einem ventilseitigen Zylinder 12 des Kipphebels 3 längsverschiebbar geführt und begrenzt einen Druckraum 13, der an eine einstellbare, nicht näher dargestellte Druckmittelversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Hierzu verläuft in der Hebelachse 6 ein Druckmittel führender Längskanal 14, der einerseits als Verbindungsstrecke 15 zur Druckmittelversorgung dient und andererseits eine Querbohrung 16 aufweist, die an einen im Kipphebel 3 verlaufenden und in den Zylinder 12 mündenden Druckkanal 17 angeschlossen ist. Die hydraulische Anbindung des Druckraums 13 an den Druckkanal 17 erfolgt schließlich über eine in der Außenmantelfläche 11 des Druckkolbens 10 verlaufende Ringnut 18, die über Radialbohrungen 19 mit einer Ausnehmung 20 des Druckkolbens 10 in Verbindung steht.
Ein hydraulisch erzeugter Sekundärhub des Gaswechselventils 8 ist nachfolgend unter Mitbetrachtung der 2 erläutert. Ausgangspunkt ist der in 1 dargestellte Zustand, bei dem das Gaswechselventil 8 geschlossen ist, die Rolle 5 einen hubfreien Grundkreis des Nockens 2 abgreift und der Druckkolben 10 sich in einer eingefahrenen Stellung, d. h. in Kontakt mit einem Boden 21 des Zylinders 12 befindet. Ein Öffnen des Gaswechselventils 8 während des Grundkreises erfolgt gemäß 2 dann, wenn der Druckkolben 10 mit unter Hochdruck stehendem Hydraulikmittel beaufschlagt wird und das Gaswechselventil 8 entgegen der Kraft der Schließfeder 7 betätigt.
Die Steuerzeiten, d.h. die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des hydraulisch erzeugten Sekundärhubes hängen in erster Linie vom Druckverlauf des Hydraulikmittels innerhalb der Druckmittelversorgung ab. Zur Druckverlaufsformung kann beispielsweise ein in die Druckmittelversorgung integriertes Hydraulikventil vorgesehen sein, welches einen Volumenstrom des von einer Hochdruckpumpe geförderten Hydraulikmittels betriebspunkt- und nockenwinkelabhängig zum Druckraum 13 zulässt oder sperrt. Demgegenüber geht aus 2 eine von diesem Druckverlauf weitgehend unabhängige Hubverlaufsformung des Druckkolbens 10 hervor. Hierzu ist die Ringnut 18 des Druckkolbens 10 so ausgebildet und angeordnet, dass sie gleichzeitig als Steuerkante gegenüber dem Druckkanal 17 wirkt. So stehen sich die Ringnut 18 und der Druckkanal 17 bei eingefahrenem Druckkolben 10 gemäß 1 mit größtmöglicher Überdeckung gegenüber. Da der für das Hydraulikmittel zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt zwischen dem Druckraum 13 und dem Druckkanal 17 in dieser Stellung maximal ist, erfolgt die Ausfahrbewegung des Druckkolbens 10 mit hoher Anfangsbeschleunigung. Im weiteren Hubverlauf wird der Druckkolben 10 verzögert, indem der Hydraulikmittelvolumenstrom in den Druckraum 13 infolge einer sukzessive abnehmenden, den Strömungsquerschnitt reduzierenden Überdeckung zwischen der Ringnut 18 und dem Druckkanal 17 gedrosselt wird. Die in 2 dargestellte Maximalhubstellung des Druckkolbens 10 wird schließlich dann erreicht, wenn der Druckkanal 17 von der Außenmantelfläche 11 des Druckkolbens 10 nahezu verschlossen ist. Dabei ist eine mechanisch definierte Maximalhubbegrenzung des Druckkolbens 10 durch Anschlagmittel vorgesehen, wie sie dem Fachmann geläufig und daher an dieser Stelle nicht näher dargestellt sind.
Ein Abbruch des Sekundärhubes wird dadurch eingeleitet, dass sich das im Druckraum 13 befindliche Hydraulikmittelvolumen in die dann drucklose oder druckarme Druckmittelversorgung der Brennkraftmaschine entlasten kann. Dabei kann es zur Begrenzung der mechanischen Ventiltriebsbelastung sowie von Aufsetzgeräuschen zweckmäßig sein, den Druckkolben 10 kurz vor Erreichen der eingefahrenen Stellung auf eine zulässige Aufsetzgeschwindigkeit des Gaswechselventils 8 in einen Ventilsitz 22 abzubremsen. Dies kann einerseits durch eine Volumenstromregelung des aus dem Druckraum 13 in die Druckmittelversorgung abfließenden Hydraulikmittels erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine hydraulische Bremse, wie sie von hydraulischen, nach dem Lost-Motion-Verfahren arbeitenden Ventiltrieben bekannt ist, in den Druckkolben 10 und/oder in den Kipphebel 3 integriert sein.
Schließlich ist es in dem allgemeinen Fall einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine erforderlich, den Druckverlauf in der Druckmittelversorgung in Abhängigkeit der Zündfolge der Brennkraftmaschine zylinderselektiv zu formen. Hierzu ist jedem Kipphebel 3 oder jeder Kipphebelgruppe eines Zylinders ein separater Längskanal 14 in der Hebelachse 6 zuzuordnen. So würde beispielsweise die Hebelachse 6 einer Brennkraftmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern und einem gleichmäßigen Zündabstand von 180° Kurbelwellenwinkel vier voneinander separierte Längskanäle 14 aufweisen, welche zylinderselektiv an die Druckräume 13 der entsprechenden Kipphebel 3 angebunden sind.

1: Ventiltrieb
2: Nocken
3: Kipphebel
4: Kraftübertragungsvorrichtung
5: Rolle
6: Hebelachse
7: Schließfeder
8: Gaswechselventil
9: Hubeinrichtung
10: Druckkolben
11: Außenmantelfläche
12: Zylinder
13: Druckraum
14: Längskanal
15: Verbindungsstrecke
16: Querbohrung
17: Druckkanal
18: Ringnut
19: Radialbohrung
20: Ausnehmung
21: Boden
22: Ventilsitz

Claims

Variabler Ventiltrieb (1) für ein von einem Nocken (2) betätigtes sowie durch eine Schließfeder (7) entgegen der Öffnungsrichtung belastetes Gaswechselventil (8) einer Brennkraftmaschine, mit einer zwischen dem Nocken (2) und dem Gaswechselventil (8) angeordneten Kraftübertragungsvorrichtung (4), die eine hydraulische Hubeinrichtung (9) mit einem in einem Zylinder (12) längsverschiebbaren Druckkolben (10) umfasst, welcher einen an eine einstellbare Druckmittelversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossenen Druckraum (13) begrenzt und unter Hochdruckbeaufschlagung eine vom Nocken (2) unabhängige, hydraulische Betätigung des Gaswechselventils (8) entgegen der Kraft der Schließfeder (7) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsvorrichtung (4) als auf einer Hebelachse (6) drehbar gelagerter Schwing- oder Kipphebel (3) ausgebildet ist, wobei die Hebelachse (6) einen Druckmittel führenden Längskanal (14) als Verbindungsstrecke (15) zwischen der Druckmittelversorgung und dem Druckraum (13) aufweist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkolben (10) eine Ausnehmung (20) aufweist, die über wenigstens eine Radialbohrung (19) an eine in einer Außenmantelfläche (11) des Druckkolbens (10) verlaufende Ringnut (18) angeschlossen ist, welche Ringnut (18) in Abhängigkeit der Hubstellung des Druckkolbens (10) relativ zum Zylinder (12) mit einem an den Längskanal (14) der Hebelachse (6) ange schlossenen und in den Zylinder (12) mündenden Druckkanal (17) des Schwing- oder Kipphebels (3) hydraulisch derart kommuniziert, dass die Ausnehmung (20) bei vollständig eingefahrenem Druckkolben (10) über einen größtmöglichen Strömungsquerschnitt mit dem Druckkanal (17) verbunden ist, während der Druckkanal (17) bei ausgefahrenem Druckkolben (10) von dessen Außenmantelfläche (11) weitgehend verschlossen ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwing- oder Kipphebel (3) eine drehbar und wahlweise wälzgelagerte Rolle (5) als reibungsarme Anlauffläche für den Nocken (2) aufweist.