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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle und einem Nockenfolger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb.
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Mit Hilfe eines verstellbaren, herkömmlichen Ventiltriebs, der zwei Nocken unterschiedlichen Nockenhubs umfasst, kann der Zylinder einer Brennkraftmaschine in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Wird anstelle zweier Nocken unterschiedlichen Hubs nur ein einziger Nocken und anstelle eines zweiten Nockens ein Grundkreis ohne Nockenhub verwendet, so lässt sich der Zylinder mit Hilfe des Ventiltriebs abschalten. In einem solchen, abgeschalteten Zustand wirkt ein mit einem Gaswechselventil des Zylinders gekoppelter Nockenfolger nur mit besagtem Grundkreis zusammen, wodurch das Gaswechselventil jedoch nicht betätigt wird.
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Aus der
DE 199 45 340 A1 ist ein gattungsgemäßer Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle und einem Nockenfolger bekannt. Drehfest auf der Nockenwelle angebracht sind dabei ein erster Nocken und ein axial dazu benachbarter zweiter Nocken, wobei der Nockenfolger derart axial zwischen einer ersten und einer zweiten Position verstellbar ist, dass er alternativ mit entweder dem ersten Nocken oder dem zweiten Nocken antriebsverbindbar ist.
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Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ventiltriebsystem ist jedoch, dass hierfür vergleichsweise aufwendig zu konstruierende, teure und auch bauraumintensive Aktuatoren eingesetzt werden müssen, wodurch der gesamte Ventiltrieb an sich teuer wird. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Ventiltrieb der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere kostengünstiger ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, anstelle bisher bei einem schaltbaren Ventiltrieb eingesetzter Aktuatoren, die zumindest zwei Stellungen anfahren können, erstmals eine Verstelleinrichtung einzusetzen, die mittels nur eine einzige Position anfahrender Aktuatoren über eine Wippe und zugehörige Eingriffselemente sowie zugehörige Kulissenführungen eine vergleichsweise konstruktiv einfache Axialverstellung eines Nockenfolgers bewirkt. Zur Verstellung der Wippe wird hier im Unterschied zum Stand der Technik lediglich ein Aktuator benötigt, der nur eine einzige Position einnehmen können muss. Hierdurch ist es bspw. möglich, äußerst kostengünstige Solenoid-Aktuatoren zu verwenden. Im günstigsten Fall kann dabei zur Betätigung der Wippe lediglich ein einziger, kostengünstiger Linearaktuator eingesetzt werden, während eine Rückverstellung der Wippe bspw. mittels einer Feder bewirkt werden kann. Der erfindungsgemäße Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine weist dabei in bekannter Weise eine Nockenwelle und einen Nockenfolger auf, wobei auf der Nockenwelle drehfest ein erster Nocken und axial dazu benachbart ein zweiter Nocken angeordnet sind. Der Nockenfolger selbst ist ebenfalls in bekannter Weise axial verstellbar zwischen einer ersten Position, in der er mit dem ersten Nockenantrieb verbunden ist, und einer zweiten Position, in der er mit dem zweiten Nocken antriebsverbunden ist und dessen Nockenprofil abgreift.
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Erfindungsgemäß ist nun die zuvor erwähnte Verstelleinrichtung zur axialen Verstellung des Nockenfolgers zwischen der ersten und zweiten Position vorgesehen, die ein verstellbares erstes mechanisches Eingriffselement aufweist, welches zum axialen Verstellen des Nockenfolgers von der ersten in die zweite Position mit wenigstens einer an der Nockenwelle angeordneten ersten Kulissenführung zusammenwirkt, sowie ein verstellbares zweites mechanisches Eingriffselement, das zum Verstellen des Nockenfolgers von der zweiten zurück in die erste Position mit wenigstens einer an der Nockenwelle angeordneten zweiten Kulissenführung zusammenwirkt. Das erste und zweite Eingriffselement sind dabei jeweils zwischen einer Grundposition, in welcher kein Kontakt mit der jeweils zugehörigen Kulissenführung besteht, und einer Schaltposition, in welcher das jeweilige Eingriffselement mit der zugehörigen Kulissenführung zusammenwirkt, verstellbar. Erfindungsgemäß weist nun die zuvor beschriebene Verstelleinrichtung zumindest einen Aktuator mit einer Wippe auf, wobei diese Wippe mit den beiden Eingriffselementen kraftübertragend verbunden ist und dabei je nach Drehstellung dafür sorgt, dass das erste Eingriffselement oder das zweite Eingriffselement in die jeweils zugehörige Kulissenführung eingreift, während das jeweils andere Eingriffselement aus der Kulissenführung herausgenommen ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung ist es erstmals möglich, kostengünstige, bauraumoptimierte und technisch äußerst einfache Linearaktuatoren einzusetzen, ebenso wie bspw. einen alternativen Drehaktuator, wodurch insbesondere die bislang aufwendigen aus dem Stand der Technik bekannten Aktuatoren entfallen können und sich die damit verbundenen Kosten reduzieren lassen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Aktuator einen Linearaktuator auf und ist mit einer diesem entgegen wirkenden Feder auf einer Brücke angeordnet, wobei der Linearaktuator über die Wippe mit den beiden Eingriffselementen verbunden ist. Dies stellt eine besonders günstige Ausführungsform dar, bei welcher zur Betätigung der Wippe lediglich ein einziger, kostengünstiger Linearaktuator erforderlich ist. Zur Rückverstellung der Wippe und damit auch zur Rückverstellung der axialen Position des Nockenfolgers dient die Feder, die bei der Betätigung des Linearaktuators gespannt wird und bei nicht mehr betätigtem Linearaktuator die selbsttätige Rückverstellung bewirkt. Die Feder verwirklicht dabei zugleich eine sogenannte fail safe Funktion, die auch bei defektem Linearaktuator dafür sorgt, dass die Wippe in Richtung der auf sie wirkenden Federkraft verdreht wird und dadurch die Eingriffselemente entsprechend betätigt, woraufhin diese den Nockenfolger entweder in die erste oder zweite Position, die in diesem Fall auch als fail safe Position definiert wird, verstellt.
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Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass der Aktuator zwei Linearaktuatoren aufweist, die beide auf einer Brücke angeordnet sind, wobei die Linearaktuatoren über die Wippe mit den beiden Eingriffselementen verbunden sind. Das Vorsehen von zwei solchen Aktuatoren bietet bspw. die Möglichkeit, diese beiden Linearaktuatoren kleiner und schwächer auszubilden, da im Unterschied zu dem vorherigen beschriebenen Fall, bei dem der einzige Linearaktuator nicht nur die Verstellung der Wippe und der Eingriffselemente, sondern zugleich auch noch das Spannen der Feder übernehmen musste nur die Wippe mittels der beiden Linearaktuatoren bewegt werden muss. Selbstverständlich kann auch hier eine solche Feder zusätzlich vorgesehen werden. Im vorliegenden Fall können dabei wiederum Aktuatoren, insbesondere Linearaktuatoren, verwendet werden, die lediglich eine einzige einzunehmende Position aufweisen müssen. Derartige Linearaktuatoren mit lediglich einer einzigen einzunehmenden Position können dabei insbesondere als sehr kostengünstige Solenoid-Aktuatoren ausgebildet sein und sind dadurch deutlich kostengünstiger als Linearaktuatoren, die zwei Positionen einnehmen können müssen.
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Wiederum alternativ kann der Aktuator auch als Drehaktuator ausgebildet sein und drehmomentübertragend mit der Wippe verbunden werden. Auch in diesem Fall kann zur Rückstellung der Wippe eine Feder verwendet werden, so dass auch hier ein Drehaktuator oder ein Linearaktuator mit einer entsprechenden Drehwirkung eingesetzt werden kann, der ausschließlich eine einzige einzunehmende Position aufweisen muss.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der zumindest eine Aktuator als elektrischer Aktuator, insbesondere als Solenoid-Aktuator oder als Piezoaktuator, als hydraulischer Aktuator oder als pneumatischer Aktuator ausgebildet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Möglichkeiten zur einerseits kostengünstigen und andererseits konstruktiv einfachen Gestaltung des Aktuators zur Verfügung stehen. Ein Solenoid-Aktuator stellt dabei einen kostengünstigen, in der Art einer Magnetspule elektrisch steuerbaren Aktuator dar, der nicht nur kostengünstig herstellbar und klein bauend ist, sondern zudem konstruktiv auch äußerst einfach aufgebaut ist. Selbstverständlich können alternativ auch pneumatisch aktivierbare Aktuatoren eingesetzt werden. Ebenfalls einsetzbar sind so genannte Piezoaktuatoren, deren Bewegung auf Festkörpereffekte beruhen, wodurch ihre Auflösung im Prinzip unbegrenzt ist. Ihre Steifigkeit ist dabei sehr hoch und ermöglicht auch bei äußerst kompakter Bauweise eine große Kraftentwicklung und eine hohe Dynamik. Durch die schnelle Ansprechzeit im Mikrosekundenbereich, welche eine Folge der hohen Resonanzfrequenz von mehreren hundert kHz ist, können äußerst schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Linearaktuator ein Steuerelement, insbesondere eine Stange oder eine Welle, auf, wobei dieses Steuerelement einstückig mit dem zugehörigen Eingriffselement ausgebildet ist. Hierdurch kann die Teilevielfalt erheblich reduziert werden, da das bislang separat anzuordnende und zu montierende Eingriffselement nun einstückig mit dem Linearaktuator ausgebildet und zusammen mit diesem eingebaut bzw. eingesetzt werden kann. Hierdurch verringern sich darüber hinaus auch die Lager- und Logistikkosten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist an einem Linearaktuator eine Feder vorgesehen, die das Steuerelement in seine ausgefahrene Stellung und damit das zugehörige Eingriffselement in seine Schaltposition vorspannt. Eine derartige Feder kann wiederum als so genannte fail safe Feder ausgebildet sein und einen vordefinierten Zustand bzw. eine vordefinierte Stellung der Verstelleinrichtung bei Ausfall des Linearaktuators erzwingen.
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Bei einer Ausführungsform mit zwei Linearaktuatoren können auch an entweder einem oder beiden Linearaktuatoren Permanentmagnete vorgesehen sein, welche das jeweils zugehörige Steuerelement des Linearaktuators in seine eingefahrene oder ausgefahrene Stellung und damit das zugehörige Eingriffselement in seine Grundposition oder Schaltposition verstellt. Werden zwei Linearaktuatoren mit jeweils einem Permanentmagnet eingesetzt, so ist darauf zu achten, dass die jeweilige Polung der beiden Permanentmagnete derart ausgerichtet ist, dass der eine Linearaktuator durch den Permanentmagneten in seine Grundposition verstellt wird, während der andere Linearaktuator durch den Permanentmagneten in seine Schaltposition verstellt wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine,
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2a eine Detailansicht auf eine Verstelleinrichtung des erfindungsgemäßen Ventiltriebs in einer ersten Schaltposition,
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2b eine Darstellung wie in 2a, jedoch in einer zweiten Schaltposition,
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3 eine Ausführungsform einer Verstelleinrichtung mit einem Drehaktuator.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb 1 für eine im Übrigen lediglich angedeutete Brennkraftmaschine 2 eine Nockenwelle 3 sowie einen Nockenfolger 4 auf. Auf der Nockenwelle 3 sind dabei drehfest ein erster Nocken 5a und axial dazu benachbart ein zweiter Nocken 5b angeordnet. Der Nockenfolger 4 selbst ist dabei in Axialrichtung 6 zwischen einer ersten Position, in welcher er mit dem ersten Nocken 5a antriebsverbunden ist (vgl. 1 und 2a) und einer zweiten Position, in welcher er mit dem zweiten Nocken 5b antriebsverbunden ist (vgl. 2b) verstellbar.
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Zur axialen Verstellung des Nockenfolgers 4 zwischen der ersten und zweiten Position ist nun erfindungsgemäß eine Verstelleinrichtung 7 vorgesehen, die ein verstellbares erstes mechanisches Eingriffselement 8a aufweist, welches zum axialen Verstellen des Nockenfolgers 4 von der ersten in die zweite Position mit wenigstens einer an der Nockenwelle 3 vorhandenen ersten Kulissenführung 9a zusammenwirkt, aufweist sowie ein verstellbares zweites mechanisches Eingriffselement 8b, welches zum axialen Verstellen des Nockenfolgers 4 von der zweiten zurück in die erste Position mit wenigstens einer an der Nockenwelle 3 vorhandenen zweiten Kulissenführung 9b zusammenwirkt. Das erste und zweite Eingriffselement 8a, 8b sind dabei jeweils zwischen einer Grundposition, in welcher kein Kontakt mit der zugehörigen Kulissenführung 9a, 9b besteht und einer Schaltposition, in der das jeweilige Eingriffselement 8a, 8b mit der zugehörigen Kulissenführung 9a, 9b zusammenwirkt, verstellbar.
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Erfindungsgemäß ist nun eine konstruktiv äußerst einfache, bauraumoptimierte und zugleich auch kostengünstige Verstelleinrichtung 7 vorgesehen, die zumindest einen Aktuator 10 mit einer Wippe 11 aufweist, die mit den beiden Eingriffselementen 8a, 8b kraftübertragend verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist darüber hinaus der Aktuator 10 als einfacher und insbesondere lediglich eine einzige Stellung bzw. Position aufweisender Linearaktuator 12 oder Drehaktuator 13 ausgebildet, wodurch ein derartiger Aktuator 10, 12, 13 deutlich kostengünstiger herzustellen ist, als bisherige, zwei Stellungen bzw. Positionen einnehmen müssende entsprechende Aktuatoren.
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Generell gibt es dabei unterschiedlichste alternative Ausführungsformen. Zum einen ist es denkbar, dass der Aktuator 10 einen Linearaktuator 12 aufweist und mit einer diesem entgegenwirkenden Feder 14 auf einer Brücke 15 angeordnet ist, wobei der Linearaktuator 12 über die Wippe 11 mit den beiden Eingriffselementen 8a, 8b verbunden ist. In diesem Fall ist zum Verstellen des Nockenfolgers 4 zwischen der ersten und zweiten Position ausschließlich noch ein einziger Aktuator 10, nämlich ein einziger Linearaktuator 12 oder Drehaktuator 13 vorzusehen, der die Wippe 11 in die erste oder zweite Stellung überführt, während eine Rückführung in die zweite oder erste Stellung ausschließlich von der Feder 14 übernommen wird (vgl. 2a).
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Alternativ hierzu ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Aktuator 10 zwei Linearaktuatoren 12 aufweist, die beide auf der Brücke 15 angeordnet sind und wobei beide Linearaktuatoren 12 über die Wippe 11 mit den beiden Eingriffselementen 8a, 8b verbunden sind. Eine derartige Ausführungsform ist bspw. gemäß den 1 und 2b dargestellt. Auch in diesem Fall kann eine solche Feder 14 vorgesehen sein, welche als so genannte fail safe Feder ausgebildet ist und bei einem Ausfall eines oder beider Linearaktuatoren 12 eine vordefinierte Stellung der Wippe 11 und damit auch eine vordefinierte Stellung der Eingriffselemente 8a, 8b ohne Energiezufuhr erzwingt.
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Betrachtet man den Aktuator 10 gemäß der 3, so kann man erkennen, dass dieser als Drehaktuator 13 ausgebildet ist und somit lediglich wiederum ausschließlich ein einziger Aktuator 10 erforderlich ist. Eine Rückstellung wird hier wiederum durch eine Feder 14, die im vorliegenden Fall als Drehfeder 16 ausgebildet ist, übernommen. Die Federn 14 bzw. die Drehfeder 16 sind dabei im vorliegenden Fall immer mit der Wippe 11 gekoppelt, wobei diese selbstverständlich auch eine Bewegung eines Steuerelements 17, insbesondere einer Stange oder einer Welle des Linearaktuators 12 übernehmen und hierüber die Stellung der Wippe 11 und damit auch der Eingriffselemente 8a, 8b bewirken.
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Betrachtet man die 1 und 2 weiter, so kann man erkennen, dass das Steuerelement 17 separat zum jeweils zugehörigen Eingriffselement 8a, 8b ausgebildet ist, wobei gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung auch vorgesehen werden kann, dass das Steuerelement 17 einstückig mit dem zugehörigen Eingriffselement 8a, 8b ausgebildet ist und in diesem Fall wesentlich dazu beiträgt, die Teilevielfalt und darüber auch die Lager- und Logistikkosten sowie die Montagekosten zu reduzieren. Ist die Feder 14 direkt am Linearaktuator 12 angeordnet, so kann diese derart ausgebildet oder angeordnet sein, dass sie das Steuerelement 17 in seine ausgefahrene Stellung und damit das zugehörige Eingriffselement 8a, 8b in seine Schallposition vorspannt.
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Ebenfalls als fail safe Funktion kann ein Permanentmagnet 18 vorgesehen sein, der das Steuerelement 17 des jeweils zugehörigen Linearaktuators 12 in seine eingefahrene Stellung und damit das zugehörige Eingriffselement 8a, 8b in seine Grundposition vorspannt. Ein derartiger Permanentmagnet 18 kann dabei wahlweise lediglich an einem einzigen Linearaktuator 12 oder beim Vorsehen von zwei Linearaktuatoren 12 auch an beiden Linearaktuatoren 12 vorgesehen werden. Die 2a stellt dabei eine Ausführungsform dar, die besonders bevorzugt ist, weil sie ausschließlich einen einzigen, besonders kostengünstigen, da lediglich eine einzige anzufahrende Position einnehmen müssenden Linearaktuator 12 aufweist.
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Unabhängig von der Ausführungsform des Aktuators 10 kann dieser bspw. als elektrischer Aktuator, insbesondere als Solenoid-Aktuator oder als Piezoaktuator, als hydraulischer Aktuator oder als pneumatischer Aktuator ausgebildet sein. Besonders die Ausführungsform als Solenoid-Aktuator mit einer Magnetspule stellt dabei eine Ausführungsform dar, die einerseits kostengünstig und andererseits bauraumoptimiert und schnell schaltend ist. Ein gleichwertiger Aktuator stellt dabei auch der Piezoaktuator dar.
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Darüber hinaus kann die Kulissenführung 9a noch eine nicht näher bezeichnete Rampenstruktur aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass das erste Eingriffselement 8a außer Eingriff mit der ersten Kulissenführung 9a und damit in seine Grundposition gebracht wird. In gleicher Weise kann auch die zweite Kulissenführung 9b eine Rampenstruktur aufweisen, die das zweite Eingriffselement 8b außer Eingriff mit der zweiten Kulissenführung 9b und damit in seine Grundposition bringt. Eine derartige Rampenstruktur kann bspw. durch eine sich beim Auslaufen der jeweiligen Kulissenführung 9a, 9b verringernde Nuttiefe realisiert werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 und insbesondere auch mit einem solchen erfindungsgemäßen Ventiltrieb 1 ausgeschalteten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2 lässt sich eine Ventilsteuerung deutlich kostengünstiger realisieren als dies mit herkömmlichen Linearaktuatoren der Fall war, die zwei Stellungen einnehmen können mussten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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