DE19629881A1 - Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit sich an einer Exzenterwelle abstützenden Schwinghebeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit sich an einer Exzenterwelle abstützenden, von Nocken betätigten und insbesondere als Schwinghebel ausgebildeten Übertragungsgliedern, wobei der Ventil­ hubverlauf durch Verdrehen der Exzenterwelle veränderbar ist. Ein derartiger Ventiltrieb ist unter anderem aus der DE 42 23 172 C1 oder der DE 42 23 173 A1 bekannt.

Mittels dieser mehrere Exzenter aufweisenden Exzenterwelle, wobei jeweils ein Exzenter für einen Schwinghebel, welcher zumindest ein Brennkraftma­ schinen-Hubventil betätigt, vorgesehen ist und wobei zumindest zwei Brenn­ kraftmaschinen-Zylinder in Reihe angeordnet sind, kann der Ventilhubver­ lauf, d. h. insbesondere der maximal erreichbare Ventilhub aller dieser bei­ spielsweise als Einlaßventile ausgebildeten Hubventile gleichzeitig verändert werden. Da diese Hubventile jedoch wie üblich und dem Fachmann bekannt gegen die Kraft einer sogenannten Ventilschließfeder geöffnet werden müs­ sen, muß auch bei einem Verdrehen der Exzenterwelle im Sinne einer Ven­ tilhubvergrößerung stets ein gewisser Anteil dieser Ventilschließfeder-Kraft überwunden werden. Bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit einer einzigen Exzenterwelle für die in Reihe angeordneten Zylinder wird sich nämlich stets zumindest für einen dieser Zylinder der Nocken außerhalb seiner Grundkreisphase, in welcher das Hubventil geschlossen ist, befinden. Zum gewünschten Verdrehen der Exzenterwelle kann dabei ein beispiels­ weise als Elektromotor ausgebildeter Stellmotor vorgesehen sein, der von einer geeigneten Steuerelektronik entsprechend angesteuert wird. Soll nun die Exzenterwelle von diesem Stellmotor verdreht werden und zwar aus einer Position heraus, in der ein geringer Ventilhub erzeugt wird hin zu einer Position, die den maximal möglichen Ventilhub ergibt, so ist aufgrund der Ventilschließfeder-Kräfte hierfür ein relativ hohes Drehmoment vonnöten, was einen unverhältnismäßig starken und somit großen Stellmo­ tor/Elektromotor erfordert.

Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer das erforderliche Drehmoment zum Verdrehen der Exzenterwelle aus einer Position geringen Ventilhubs heraus hin zu einer Position größeren Ventilhubes verringert werden kann, ist Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß neben dem Stellmotor an der Exzenterwelle ein insbesondere als Federelement ausgebildetes Kraft­ speicherelement angreift, welches bei einer gewünschten Verdrehung der Exzenterwelle in Richtung auf einen größeren Ventilhub den Stellmotor un­ terstützt. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteran­ sprüche.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird zunächst auf Fig. 1 verwiesen, die in einem Diagramm das zum Verdrehen der Exzenterwelle erforderliche Drehmoment in Abhängigkeit von den jeweiligen Exzenterwellen-Positionen zeigt.

In Fig. 2 ist dann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darge­ stellt, und zwar eine Exzenterwelle mit integriertem Federelement, wobei Fig. 2a den Ausschnitt A und Fig. 2b den Ausschnitt B aus Fig. 2 zeigt.

Bezüglich der konstruktiven Ausgestaltung eines Ventiltriebs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird in vollem Umfang auf die beiden eingangs genannten Schriften DE 42 23 172 C1 sowie DE 42 23 173 A1 Bezug ge­ nommen, wobei sich die vorliegende Erfindung selbstverständlich auch auf andere Ventiltriebe mit zumindest einer Exzenterwelle, an der sich von Nocken betätigte Übertragungsglieder abstützen, anwendbar ist. Dabei ist - wie bereits kurz erläutert - durch Verdrehen der Exzenterwelle der Ventilhub bzw. Ventilhubverlauf der von den Schwinghebeln betätigten Hubventile ver­ änderbar. Das zum Verdrehen der Exzenterwelle erforderliche Drehmoment ist qualitativ in Fig. 1 dargestellt.

Auf der Abszisse dieses Diagrammes ist der Verdrehwinkel der Exzenter­ welle aufgetragen, wobei ein Verdrehwinkel von 0° dem minimal möglichen Ventilhub - hier kann es sich beispielsweise um einen Nullhub handeln, d. h. das Hubventil wird überhaupt nicht geöffnet - entspricht, während sich bei einem Verdrehwinkel von 180° der maximal mögliche Ventilhub ergibt. Auf der Ordinate dieses Diagrammes ist (qualitativ) das erforderliche Drehmo­ ment zum Verdrehen der Exzenterwelle in eine gewünschte Position auf-ge­ tragen. Die verschiedenen Kurvenverläufe 1 bis 5 in diesem Diagramm wer­ den im folgenden erläutert:

Die Kurve 1 gibt dasjenige Drehmoment an, welches erforderlich ist, die Ex­ zenterwelle (beispielsweise nach der DE 42 23 172 C1) ohne irgendwelche Zusatzmaßnahmen von der Position 0°, d. h. von der Position des minimal möglichen Ventilhubes, in jede andere Position bis hin zur Position 180°, d. h. derjenigen des maximal möglichen Ventilhubes, zu verdrehen. Zu über­ winden sind hierbei zunächst Reibungsverluste, so daß diese Kurve 1 zwangsläufig bei einem Drehmomentwert < "0" startet. Mit zunehmendem Verdrehwinkel und somit zunehmendem Ventilhub ist eine immer weiter ansteigende Ventilschließfeder-Kraft zu überwinden, weshalb zum Erreichen der Exzenterwellenposition von 180° ein Drehmomentwert M′_max erforderlich ist. Dieses erforderliche Drehmoment kann grundsätzlich von einem Stellmo­ tor, beispielsweise Elektromotor aufgebracht werden.

Soll anschließend ausgehend von dieser Exzenterwellenposition 180° oder auch von einer Position im Bereich zwischen 0° und 180° der Ventilhub wie­ der reduziert werden, so ist hierfür ein Drehmoment entsprechend der Kurve 2, ausgehend vom jeweiligen Startwert erforderlich. Wegen des Zurückdre­ hens der Exzenterwelle sind hierbei negative Drehmomentwerte aufzubrin­ gen, bzw. der Stellmotor oder Elektromotor dreht in der entgegengesetzten Richtung. Der Betrag des aufzubringenden Drehmomentes ist hierbei gerin­ ger, da beim Zurückdrehen der Exzenterwelle die Ventilschließfeder-Kräfte die Reibungswiderstände zumindest teilweise kompensieren, während beim Verdrehen von 0° in Richtung auf 180° die zunehmenden Ventilschließfeder-Kräfte additiv zu den Reibungswiderständen hinzukommen.

Üblicherweise sind dabei die Reibungswiderstände im System so hoch, daß die einmal positionierte Exzenterwelle ihre jeweilige Position beibehält, d. h. die Exzenterwelle wird allein durch die Ventilschließfeder-Kräfte nicht ver­ dreht.

Da der Betrag des Drehmomentwertes M′_max relativ hoch ist, wäre zum Po­ sitionieren der Exzenterwelle ohne irgendwelche Zusatzmaßnahmen ein re­ lativ starker Elektromotor vonnöten. Um den Betrag des maximal benötigen Drehmomentes zu reduzieren, ist nun erfindungsgemäß ein Federelement bzw. Kraftspeicherelement vorgesehen, welches die Exzenterwelle seiner­ seits zu verdrehen trachtet, und zwar in Richtung auf einen größeren Ventil­ hub hin. Dieses Federelement unterstützt somit den Stellmotor bei einer Verdrehbewegung der Exzenterwelle in Richtung auf einen größeren Ventil­ hub, so daß das vom Stellmotor aufzubringende Drehmoment dementspre­ chend reduziert wird. Mit einem derartigen Federelement ergeben sich dann zum Verdrehen der Exzenterwelle die Kurvenverläufe 3 und 4, und zwar mit der weiter in das Diagramm eingezeichneten Kurve 5, welche das vom Fe­ derelement auf die Exzenterwelle aufgebrachte Drehmoment für sich alleine darstellt. Eine Addition der Kurven 1 und 5 ergibt somit die Kurve 3, eine Addition der Kurven 2 und 5 die Kurve 4.

Die Kurve 3 gibt an, welches Drehmoment aufzubringen ist, um die Exzen­ terwelle von 0° auf 180° zu verdrehen, d. h. von der Position des minimalen Ventilhubes hin zur Position des maximal möglichen Ventilhubes. Man er­ kennt, daß ein gegenüber dem Betrag M′_max deutlich geringerer Betrag M_max erforderlich ist, um die Exzenterwelle beispielsweise von der Position 90° zur Position 180° zu verdrehen (diese genannten Werte sind selbstverständlich nur beispielhaft). Das vom Stellmotor zum Verdrehen der Exzenterwelle aufzubringende Drehmoment ist daher deutlich geringer, so daß ein kleinerer Stellmotor/Elektromotor zum Einsatz kommen kann.

Wie ersichtlich schneidet diese Kurve 3 bei der Position von ca. 52 Winkel­ graden die Abszisse, was bedeutet, daß auf dieser Kurve 3 von links her kommend überhaupt kein zusätzliches Drehmoment eines Stellmotores er­ forderlich ist, um die Exzenterwelle in diese Position 52° zu bringen. Bei­ spielsweise ausgehend von der Position 0° wird somit die Exzenterwelle al­ leine durch das Federelement in die Position 52° verdreht. Da diese Exzen­ terwellenposition 52° einem Ventilhub entspricht, der größer ist als der mini­ mal mögliche Ventilhub, wird somit vorteilhafterweise die Exzenterwelle al­ lein durch das Federelement in diese Position gebracht, die einen größeren als den minimalen Ventilhub ergibt. Vorteilhafterweise stellt sich somit auch bei einem Ausfall des Stellmotores zum Verdrehen der Exzenterwelle stets ein gewisser Ventilhub ein, der ausreichend ist, die Brennkraftmaschine in noch befriedigendem Maße zu betreiben. Um dann ausgehend von dieser Position des sogenannten Null-Drehmomentes den maximal möglichen Ventilhub und somit die Exzenterwellenposition 180° zu erreichen, wird ein Drehmoment M_max benötigt, welches deutlich geringer ist als das Drehmo­ ment M′_max.

Um danach ausgehend von dieser Position des maximal möglichen Ventil­ hubes wieder auf die Position des minimalen Ventilhubes zu gelangen, wird ein Drehmomentverlauf entsprechend der Kurve 4 benötigt. Der Betrag die­ ses dann negativen Drehmomentes wegen des Zurückdrehens der Exzen­ terwelle ist jedoch ebenfalls nicht größer als der Betrag M_max, da - wie be­ reits erläutert - beim Zurückdrehen der Exzenterwelle hin zu geringerem Ventilhub die Reibungsverluste teilweise durch die abnehmenden Ventil­ schließfeder-Kräfte kompensiert werden. Im übrigen muß aufgrund der Krafteinwirkung durch das Federelement ein negatives Drehmoment aufge­ bracht werden, um ausgehend von der Position des minimalen Ventilhubes bei einem Exzenterwellenwinkel von 0° die sog. Null-Drehmomentposition bei ca. 52° zu erreichen, d. h. um auf der Kurve 3 von der Stellung 0° zur Stellung 52° nach rechts zu gelangen.

Eine konstruktive Ausführungsform für das den Stellmotor der Exzenterwelle beim Verdrehen derselben hin in eine Position größeren Ventilhubes unter­ stützende Federelement bzw. Kraftspeicherelement ist zusammen mit der mit der Bezugsziffer 11 bezeichneten Exzenterwelle in den Fig. 2, 2a, 2b dargestellt, wobei die linksseitig der Bruchlinie 9 liegende geschnitten dar­ gestellte Exzenterwellen-Hälfte gegenüber der rechtsseitigen um 90° ver­ dreht ist. Der Einfachheit halber nicht dargestellt ist der beispielsweise als Elektromotor ausgebildete Stellmotor zum Positionieren der Exzenterwelle 11, jedoch kann dieser in jeder dem Fachmann geläufigen Weise angeord­ net sein.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das mit der Bezugszif­ fer 10 bezeichnete Federelement als tordierte Drehstabfeder ausgebildet und innerhalb der hohlen Exzenterwelle 11 längs deren Achse angeordnet. Diese Drehstabfeder 10 ist jeweils endseitig mittels zweier Halbschalenele­ mente 12 an der Exzenterwelle 11 einerseits und an einem starren Bauele­ ment der Brennkraftmaschine andererseits befestigt, wobei die Fixierung der Drehstabfeder 10 in den Halbschalenelementen 12 wie ersichtlich jeweils formschlüssig ausgebildet ist. Die gebogenen Enden des Federelementes 10 sind somit formschlüssig von den miteinander zusammen­ wirkenden Halbschalenelementen 12 aufgenommen.

Die gemäß Fig. 2 linksseitige Befestigung des Federelementes 10 an der Ex­ zenterwelle 11 ist als Einzelheit A in Fig. 2a nochmals detailliert dargestellt. Man erkennt die beiden Halbschalenelemente 12, welche die Drehstabfeder 10 zwischen sich aufnehmen, und mittels einer Schraube 13 miteinander verbunden sind. Dabei sind die beiden Halbschalenelemente 12 wiederum durch Madenschrauben 14 in der Exzenterwelle 11 fixiert.

Rechtsseitig gemäß Einzelheit B ragt das Federelement 10 über die Exzen­ terwelle 11 hinaus. Auch hier sind zwei durch eine Schraube 13 miteinander verbundene Halbschalenelemente 12 vorgesehen, die die Drehstabfeder 10 formschlüssig zwischen sich aufnehmen. Diese Halbschalenelemente 12 sind dann mittels eines geeigneten Halteelementes 15 in sogenannten La­ gerabschnitten 16 für die Exzenterwelle 11, welche Bestandteil der Brenn­ kraftmaschine sind, fixiert.

Rechtsseitig bezüglich der Exzenterwelle 11 nach Fig. 2 ist das Federele­ ment 10 somit drehfest mit der Brennkraftmaschine verbunden, linksseitig ist diese tordierte Drehstabfeder 10 jedoch drehfest mit der Exzenterwelle 11 verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, mittels dieses Federelementes 10 der Exzenterwelle 11 ein derartiges zumindest unterstützendes Drehmo­ ment aufzuprägen, daß die Exzenterwelle wie beschrieben in eine Position verdreht wird, welche ausgehend von der aktuellen Position einen größeren Ventilhub ergibt. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Insbesondere kann auch ein anderes Federelement bzw. allge­ mein Kraftspeicherelement als die Drehstabfeder 10 zum Einsatz kommen.

Claims (4)

1. Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit sich an einer Exzenterwelle (11) abstützenden, von Nocken betätigten und insbesondere als Schwinghebel ausgebildeten Übertragungsgliedern, wobei der Ventil­ hub durch Verdrehen der Exzenterwelle (11) veränderbar ist, gekennzeichnet durch einen die Exzenterwelle (11) positionierenden Stellmotor sowie durch ein an der Exzenterwelle (11) angreifendes, insbesondere als Federelement (10) ausgebildetes Kraftspeicher­ element, welches bei einer gewünschten Verdrehung der Exzenter­ welle (11) in Richtung auf einen größeren Ventilhub den Stellmotor unterstützt.

2. Ventiltrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das insbesondere als Federelement (10) ausgebildete Kraftspeicherelement die Exzenterwelle (11) ohne Einwirkung des Stellmotors in eine solche Position zu bewegen ver­ sucht, welche einen größeren als den minimal möglichen Ventilhub ergibt.

3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (10) als innerhalb der hohlen Exzenterwelle (11) angeordnete tordierte Drehstabfeder ausgebildet ist.

4. Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstabfeder (10) an ihren beiden Enden formschlüssig jeweils mittels zweier Halbschalenelemente (12) fixiert ist , und zwar einerseits an einem Endabschnitt der Exzenter­ welle (11) und am gegenüberliegenden Exzenterwellenende außerhalb derselben in einem Exzenterwellen-Lagerabschnitt (16).