DE102009014517A1

DE102009014517A1 - Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine mit verschiebbarem Nockenwellengeberrad

Info

Publication number: DE102009014517A1
Application number: DE102009014517A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Zeidler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-24
Also published as: DE102009014517B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb (1) für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine, mit einer Grundnockenwelle (3) und mindestens einem drehfest und axial verschiebbar auf der Grundnockenwelle (3) angeordneten Nockenträger (4, 5) sowie mit einer Vorrichtung (26, 27) zur Erfassung einer Winkelposition der Grundnockenwelle (3). Um eine Verkürzung der Baulänge der Grundnockenwelle (3) und damit auch des Zylinderkopfs bzw. des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens einer der Nockenträger (4, 5) ein Geberrad (26) der Vorrichtung (26, 27) trägt, das zusammen mit dem Nockenträger (4, 5) axial verschiebbar ist. Vorzugsweise ist jeder Nockenträger (4, 5) mit einem Geberrad (26) versehen, was eine direkte Erfassung der Winkelposition der jeweils mit Rollenschlepphebeln der Gaswechselventile in Eingriff stehenden Nocken (7, 8) jedes Nockenträgers (4, 5) ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Verbesserung der thermodynamischen Eigenschaften von Brennkraftmaschinen sind Ventiltriebe bekannt, bei denen das Arbeitsspiel beeinflusst werden kann, um beispielsweise eine drehzahlabhängige Veränderung der Öffnungszeiten und/oder des Hubs der Gaswechselventile zu ermöglichen.
Zum Beispiel ist aus der EP 1 608 849 B1 bereits ein Ventiltrieb der eingangs genannten Art bekannt, bei dem für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine auf der Grundnockenwelle ein Nockenträger drehfest und axial verschiebbar geführt ist, der zur Betätigung von zwei Gaswechselventilen des Zylinders zwei im axialen Abstand voneinander angeordnete Nockenpaare mit unterschiedlichen Nockenprofilen aufweist. Durch eine axiale Verschiebung des Nockenträgers entlang der Grundnockenwelle zwischen zwei definierten Verschiebestellungen lässt sich jeweils eines der beiden Nockenprofile jedes Nockenpaars mit einer Rolle eines Rollenschlepphebels eines zugehörigen Gaswechselventils des Zylinders in Anlagekontakt bringen, um die Öffnungszeiten und/oder den Hub der Gaswechselventile zu verändern.
Weiter ist es bekannt, zur Abstimmung der Öffnungszeiten der Gaswechselventile mit den Einspritzzeiten der Einspritzventile einer Brennkraftmaschine die Winkelposition einer die Gaswechselventile steuernden Nockenwelle zu erfassen. Die dazu verwendete Vorrichtung umfasst gewöhnlich ein drehfest mit der Nockenwelle verbundenes Geberrad sowie einen ortsfesten, dem Umfang des Geberrades gegenüberliegenden Sensor, mit dem eine am Umfang des Geberrades angeordnete Kodierung, zum Beispiel in Form von durch Lücken getrennten Zähnen oder Winkelsegmenten erfasst werden kann.
In den meisten Fällen sind das Geberrad und der Sensor an einem der beiden Stirnenden der Nockenwelle angeordnet. Durch den in diesem Bereich für das Geberrad und den Sensor zusätzlich benötigten Bauraum nehmen jedoch die Baulänge der Nockenwelle und damit auch die Baulänge des Zylinderkopfs bzw. des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine in unerwünschter Weise zu.
Darüber hinaus ist es bei Ventiltrieben der eingangs genannten Art mit einer solchen bekannten Vorrichtung nicht möglich, die Winkelposition der jeweils mit den Rollenschlepphebeln der Gaswechselventile jedes Zylinders im Eingriff stehenden Nocken jedes Nockenträgers direkt zu erfassen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Ventiltrieb der eingangs genannten Art die Baulänge der Grundnockenwelle und damit auch des Zylinderkopfs bzw. des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine zu verkürzen und vorzugsweise auch eine direkte Erfassung der Winkelposition der jeweils mit den Rollenschlepphebeln der Gaswechselventile im Eingriff stehenden Nocken jedes Nockenträgers zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens einer der Nockenträger ein Geberrad der Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelposition der Grundnockenwelle trägt, das zusammen mit dem Nockenträger axial verschiebbar ist. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, den vorhandenen Platz neben einem der Nockenträger zur Unterbringung eines Sensors der Erfassungsvorrichtung zu nutzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung trägt jeder Nockenträger ein Geberrad, das von einem zugehörigen Sensor abgetastet wird und zwei Geberradspuren aufweist, die mit einer unterschiedlichen Kodierung versehen sind, um eine direkte Erfassung der Winkelposition der jeweils mit Rollenschlepphebeln der Gaswechselventile im Eingriff stehenden Nocken jedes Nockenträgers zu ermöglichen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht von Teilen eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs, die zwei auf einer Grundnockenwelle verschiebbare Nockenträger sowie mit eine Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelposition der Grundnockenwelle zeigt;
2: eine Stirnseitenansicht eines Geberrades der Vorrichtung;
3: eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht eines Teils der Grundnockenwelle, der beiden Nockenträger und von Teilen einer modifizierten Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition jedes Nockenträgers und seiner mit Rollenschlepphebeln der Gaswechselventile jedes Zylinders im Eingriff stehenden Nocken in einer ersten Verschiebestellung eines Nockenträgers;
4: eine Ansicht entsprechend 3, jedoch in einer zweiten Verschiebestellung des einen Nockenträgers;
5 und 6: Querschnittsansichten eines Geberrades der Vorrichtung aus 3 und 4 entlang der Linie V-V in 3 bzw. entlang der Linie VI-VI in 4.
Bei dem in der Zeichnung nur teilweise dargestellten Ventiltrieb 1 für Paare von Einlassventilen (nicht dargestellt) von Zylindern einer Brennkraftmaschine lassen sich der Hub und die Öffnungszeiten der beiden Einlassventile jedes Zylinders verstellen.
Der Ventiltrieb 1 umfasst dazu eine in Lagerstühlen 2 (nur einer dargestellt) eines Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine drehbar gelagerte Grundnockenwelle 3, die von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über einen Umschlingungstrieb mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben wird, sowie eine der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine entsprechende Anzahl von drehfest und in axialer Richtung verschiebbar auf der Grundnockenwelle 3 montierten Nockenträgern 4, 5, die jeweils unabhängig voneinander mittels eines zugehörigen Schneckentriebs 6 (1) zwischen zwei definierten axialen Schalt- oder Verschiebestellungen verschiebbar sind.
Die Nockenträger 5 weisen an ihrem äußeren Umfang zwei im axialen Abstand voneinander angeordnete Nockenpaare mit jeweils zwei Nocken 7, 8 auf, die unterschiedliche Nockenprofile besitzen. Wie in 3 und 4 für den Nockenträger 5 dargestellt, wirkt jedes der beiden Nockenpaare eines Nockenträgers 4, 5 mit einer Rolle 9 eines schwenkbar gelagerten Rollenschlepphebels 10 des jeweils zugehörigen Einlassventils zusammen. Die Rollen 9 der beiden Rollenschlepphebel 10 können dabei durch eine axiale Verschiebung des Nockenträgers 5 nach Bedarf mit einem der beiden Nocken 7, 8 des jeweils benachbarten Nockenpaars in Anlagekontakt gebracht werden. Anschließend bewegen sie sich während jeder Umdrehung der Grundnockenwelle 3 einmal über das Nockenprofil dieses Nockens 7 bzw. 8 hinweg, wobei der Rollenschlepphebel 10 unter Öffnen des Ventils verschwenkt wird. Durch die unterschiedliche Höhe, Form und/oder Position der Nockenprofile der beiden Nocken 7, 8 können der Hub und/oder die Öffnungszeit jedes Ventils in Abhängigkeit von der jeweiligen Schalt- oder Verschiebestel lung des Nockenträgers 4, 5 aber unabhängig vom Hub und der Öffnungszeit der Ventile der anderen Zylinder zum Beispiel drehzahlabhängig verändert werden.
Der zur Verschiebung eines jeweiligen Nockenträgers 4, 5 dienende Schneckentrieb 6 umfasst einen ortsfest im Zylinderkopf montierten Aktuator 11, der betätigt werden kann, um einen Mitnehmerstift 12 während einer Umdrehung des Nockenträgers 4, 5 auszufahren und in eine gegenüberliegende schraubenförmige Nut 13 am benachbarten Stirnende des Nockenträgers 4, 5 einzuspuren. Die Verschiebung des Nockenträgers 4, 5 erfolgt immer dann, wenn Grundkreisabschnitte 14 der Nocken 7, 8 beider Nockenpaare gegen die Rollen 9 der Rollenschlepphebel 10 anliegen.
Um die röhrenförmigen Nockenträger 4, 5 drehfest und axial verschiebbar auf der Grundnockenwelle 3 zu führen, ist diese letztere innerhalb von jedem Nockenträger 4, 5 an ihrem äußeren Umfang abschnittsweise mit einer Außenverzahnung 15 versehen, die mit einer komplementären Innenverzahnung 16 am inneren Umfang des zugehörigen Nockenträgers 4, 5 kämmt. Wie am besten in 1 dargestellt, sind zwischen benachbarten, mit einer Außenverzahnung 15 versehenen Abschnitten jeweils Abschnitte 17 mit einer zylindrischen Umfangsfläche vorgesehen, über welche die Außenverzahnung 15 übersteht.
Jeder Nockenträger 4, 5 weist zwischen seinen beiden Paaren von Nocken 7, 8 einen zylindrischen Mittelabschnitt 18 auf, der in einem Gleitlager 19 des zugehörigen Lagerstuhls 2 gelagert ist, wie am besten in 1 dargestellt. Das Gleitlager 19 weist zwei entgegengesetzte Stirnflächen 20, 21 auf, die in den beiden Schalt- oder Verschiebestellungen des zugehörigen Nockenträgers 4, 5 jeweils als Anschlag für eine gegenüberliegende Stirnfläche 22, 23 des an den Abschnitt 18 angrenzenden Nockens 8 bzw. 7 jedes Nockenpaars dienen, um eine definierte axiale Position des Nockenträgers 4, 5 einzustellen.
Um die Nockenträger 4, 5 in ihren jeweiligen Schalt- oder Verschiebestellungen gegen die entsprechende Stirnfläche 20 oder 21 des Gleitlagers 19 anliegend festzuhalten, ist an einem der beiden Stirnenden jedes Nockenträgers 4, 5 eine Arretiervorrichtung vorgesehen. Diese Arretiervorrichtung umfasst eine radiale Sacklochbohrung in der Grundnockenwelle 3, in der eine Arretierkugel 24 (1) radial beweglich geführt ist. Zwischen die Arretierkugel 24 und einem Boden der Sacklochbohrung ist eine Schraubendruckfeder (nicht sichtbar) eingesetzt, welche die Arretierkugel 24 radial nach außen gegen eine schräge Nutflanke von einer von zwei Rastnuten 25 (3 und 4) presst, die in einem gegenüberliegenden inneren Umfangsabschnitt des Nockenträgers 4, 5 ausgespart sind. Dadurch werden die Nockenträger 4, 5 gegen eine der Anschlagflächen 20, 21 der Gleitlager 19 gedrückt, wie dies in der eingangs genannten EP 1 608 849 B1 ausführlich beschrieben ist und daher hier nicht wiederholt werden soll.
Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zur Arretiervorrichtung entgegengesetzte Stirnende von einem 4 der mehreren Nockenträger 4, 5 mit einem Geberrad 26 einer Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition der Grundnockenwelle 3 versehen. Das Geberrad 26 wirkt mit einem ortsfest im Zylinderkopf montierten Positionssensor 27 zusammen.
Bei dem Sensor 27 kann es sich zum Beispiel um einen induktiven Sensor handeln, der ein aus ferromagnetischem Material bestehendes Geberrad 26 abtastet. Alternativ dazu kann jedoch auch ein Hall-Sensor verwendet werden, der mit einem als Blendenrad ausgebildeten Geberrad 26 zusammenwirkt.
Wie in 1 und 2 dargestellt, besteht das ringförmige Geberrad 26 aus einem allgemein hohlzylindrischen inneren Befestigungsteil 28, einem äußeren Geberteil 29 mit insgesamt vier, durch Lücken 30 getrennten Winkelsegmenten 31, sowie einem den Geberteil 29 starr mit dem Befestigungsteil 28 verbindenden, radial ausgerichtete Mittelteil 32, über den der Befestigungsteil 28 und der Geberteil 29 axial nach entgegengesetzten Seiten überstehen, so dass das Geberrad 26 im Bereich der Winkelsegmente 31 einen allgemein Z-förmigen Querschnitt besitzt (vgl. 1).
Um das Geberrad 26 drehfest mit dem Nockenträger 4 zu verbinden, ist der Befestigungsteil 28 zum Beispiel mit Presspassung starr in das benachbarte hohlzylindrische Stirnende des Nockenträgers 4 eingesetzt, dessen Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser der Außenverzahnung 15 ist.
Der Innendurchmesser der Winkelsegmente 31 des Geberteils 29 ist größer als der Außendurchmesser des gegenüberliegenden Stirnendes des benachbarten Nockenträgers 5, so dass der Geberteil 29 das Stirnende des benachbarten Nockenträgers 5 ein Stück weit überlappen kann, wenn sich die beiden benachbarten Nockenträger 4, 5 in derjenigen Schalt- oder Verschiebestellung befinden, in der ihr gegenseitiger Abstand am kleinsten ist.
Der Außendurchmesser der Winkelsegmente 31 des Geberteils 29 ist so gewählt, dass sich ein inneres Stirnende des Sensors 27 durch einen Luftspalt getrennt in einem geringen radialen Abstand an der zylindrischen äußeren Umfangsfläche des Geberteils 29 bzw. der Winkelsegmente 31 entlang bewegt, so dass der Sensor 27 die scharfen Übergänge zwischen den Winkelsegmenten 31 und den dazwischen angeordneten Lücken 30 erfassen kann, durch deren Winkelabstände zum Beispiel Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten von einem der Nocken 7, 8 jedes Nockenpaars kodiert sind.
Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Übergänge zwischen den Winkelsegmenten 31 und den Lücken 30 des Geberteils 29 über dessen gesamte axiale Länge konstante Winkelabstände auf, so dass der Sensor 27 ungeachtet einer eventuellen axialen Verschiebung des Nockenträgers 4 und des mit diesem fest verbundenen Geberrades 26 diese Übergänge stets in derselben Winkelposition erfasst.
Durch die Montage des Geberrades 26 an einem der Nockenträger 4, 5 wird ein Geberrad am Stirnende der Grundnockenwelle 3 entbehrlich, wodurch der für ein solches Geberrad und den Sensor 27 benötigte Bauraum in diesem Bereich eingespart und dadurch die notwendige Baulänge der Grundnockenwelle 3 verkürzt werden kann.
Bei dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder der Nockenträger 4, 5 an seinem zur Arretiervorrichtung entgegengesetzten Stirnende mit einem Geberrad 26 (nur eines dargestellt) ausgestattet. Jedes Geberrad 26 wirkt dort mit einem zugehörigen, gegenüber vom jeweiligen Geberrad 26 im Zylinderkopf montierten Sensor 27 zusammen.
Als weiterer Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 1 und 2 ist das Geberrad 26 zudem zweispurig ausgebildet. Dazu weist der äußere Geberteil 29 zwei in axialer Richtung der Grundnockenwelle 3 nebeneinander angeordnete Spuren 33, 34 auf, von denen in jeder der beiden Verschiebestellungen des Nockenträgers 4, 5 eine dem Sensor 27 gegenüberliegt, wie in den 3 und 4 am Beispiel des Nockenträgers 4 dargestellt. Der Mittenabstand der beiden Spuren 33, 34 entspricht dabei dem Mittenabstand der beiden Nocken 7, 8 jedes Nockenpaars bzw. dem Maß der axialen Verschiebung des Nockenträgers 4, 5 zwischen seinen beiden Schalt- oder Verschiebestellungen.
Wie am besten durch Vergleich der Querschnittsansichten des Geberrades in 5 und 6 erkennbar ist, weisen die Winkelsegmente 31 der beiden Spuren unterschiedliche Umfangslängen auf bzw. sind in Umfangsrichtung durch unterschiedlich lange Lücken 30 voneinander getrennt. Die unterschiedliche Kodierung der beiden Spuren 33, 34 gestattet es, durch Auswertung des Sensorsignals neben der Winkelposition der Grundnockenwelle 3 auch die Schalt- oder Verschiebestellung des jeweiligen Nockenträgers 4, 5 zu erfassen bzw. ermitteln.
Aufgrund der festen Verbindung zwischen jedem Geberrad 26 und dem zugehörigen Nockenträger 4, 5 lässt sich aus dem Geberradsignal außerdem die Winkelposition des Nockenträgers 4, 5 und damit zum Beispiel der Zeitpunkt des Beginns des Öffnens eines Einlassventils mit größerer Genauigkeit berechnen.

1: Ventiltrieb
2: Lagerstuhl
3: Grundnockenwelle
4: Nockenträger
5: Nockenträger
6: Schneckentrieb
7: Nocken
8: Nocken
9: Rolle
10: Rollenschlepphebel
11: Aktuator
12: Mitnehmerstift
13: schraubenförmige Nut
14: Grundkreisabschnitt
15: Außenverzahnung Grundnockenwelle
16: Innenverzahnung Nockenträger
17: zylindrische Abschnitte Grundnockenwelle
18: zylindrische Mittelabschnitte Nockenträger
19: Gleitlager
20: Stirnfläche Gleitlager
21: Stirnfläche Gleitlager
22: Stirnfläche Nocken
23: Stirnfläche Nocken
24: Arretierkugel
25: Rastnuten
26: Geberrad
27: Positionssensor
28: Befestigungsteil Geberrad
29: Geberteil Geberrad
30: Lücken Geberteil
31: Winkelsegmente Geberteil
32: Mittelteil Geberrad
33: Spur
34: Spur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1608849 B1 [0003, 0022]

Claims

Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine, mit einer Grundnockenwelle und mindestens einem drehfest und axial verschiebbar auf der Grundnockenwelle angeordneten Nockenträger, sowie mit einer Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelposition der Grundnockenwelle, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Nockenträger (4, 5) ein Geberrad (26) der Vorrichtung (26, 27) trägt, das zusammen mit dem Nockenträger (4, 5) axial verschiebbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (26) an seinem äußeren Umfang mit einer Kodierung (31, 30) versehen ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (26) drehfest mit dem Nockenträger (4, 5) verbunden ist.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (26) an einem Stirnende des Nockenträgers (4, 5) angeordnet ist.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (26) eines Nockenträgers (4) einen benachbarten Nockenträger (5) in mindestens einer Schalt- oder Verschiebestellung der beiden Nockenträger (4, 5) überlappt.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition der Grundnockenwelle (3) mindestens einen das Geberrad (26) abtastenden Sensor (27) umfasst.
Ventiltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (27) ortsfest in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine montiert ist.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Nockenträger (4, 5) ein Geberrad (26) der Vorrichtung (26, 27) trägt, das zusammen mit dem Nockenträger (4, 5) axial verschiebbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Geberrad (28) mittels eines separaten Sensors (27) abtastbar ist.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (26) zwei Geberradspuren (33, 34) aufweist, die mit einer unterschiedlichen Kodierung (30, 31) versehen sind.