DE102011075537A1

DE102011075537A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Nockenwellenverstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102011075537A1
Application number: DE201110075537
Authority: DE
Inventors: Andreas Nendel; Mathias Boegershausen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15
Also published as: WO2012152456A1

Abstract

Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse, in dem zumindest ein Zylinder (4) und ein Kolben (3) angeordnet sind, wobei der Kolben (3) mittels eines mit einer Kurbelwelle (2) verbundenen Pleuels geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder (4) verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem als Ein- (8) und Auslassventil (9) ausgebildeten Gaswechselventil beherrscht sind, die durch Nocken (22, 23) zumindest einer Nockenwelle (6, 7) und von diesen angetriebenen Übertragungselementen betätigbar sind, wobei im Antrieb zumindest einer der Nockenwellen (6 oder 7) eine Drehwinkelverstelleinrichtung (10) vorgesehen ist, die von einer Druckmittelquelle mittels eines Steuerventils mit Druckmittel beaufschlagt ist, und wobei die Druckmittelquelle mit einem in einem Hohlraum der Nockenwelle (6 oder 7) angeordneten Druckspeicher (19) in Wirkverbindung steht, der einen einerseits mit dem Druckmittel und andererseits mit einer gehäusefest abgestützten Druckfeder (13) in Wirkverbindung stehenden Speicherkolben (12) aufweist, wobei die Nocken (22, 23) als Schiebenocken mit zumindest zwei Nocken (22, 23) pro Schiebenockeneinheit (21) ausgebildet sind, die auf der Nockenwelle (6 oder 7) drehfest aber axial verschiebbar angeordnet sind, wobei zumindest eine, zumindest einen ausfahrbaren Aktorstift (27 oder 28) aufweisende elektromagnetisch betätigbare Vorrichtung zur Verstellung der Schiebenocken in unterschiedliche axiale Positionen mittels mit dem Aktorstift (27 oder 28) zusammenwirkenden Verschiebenuten (24) am Umfang der Schiebenockeneinheit (21) vorgesehen ist, wobei die Verstellvorrichtung (26) ortsfest an einem Bauteil der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und dass eine Vorrichtung zur Fixierung der Schiebenocken in den unterschiedlichen Positionen vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse, in dem zumindest ein Zylinder und ein Kolben angeordnet sind, wobei der Kolben mittels eines mit einer Kurbelwelle verbundenen Pleuels geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem als Ein- und Auslassventil ausgebildeten Gaswechselventil beherrscht sind, die durch Nocken zumindest einer Nockenwelle und von diesen angetriebenen Übertragungselementen betätigbar sind, wobei im Antrieb zumindest einer der Nockenwellen eine Drehwinkelverstelleinrichtung vorgesehen ist, die von einer Druckmittelquelle mittels eines Steuerventils mit Druckmittel beaufschlagbar ist, und wobei die Druckmittelquelle mit einem in einem Hohlraum der Nockenwelle angeordneten Druckspeicher in Wirkverbindung steht, der einen einerseits mit dem Druckmittel und andererseits mit einer gehäusefest abgestützten Druckfeder in Wirkverbindung stehenden Speicherkolben aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Drehwinkelverstelleinrichtung ist aus der DE-10 2009 034 804 A1 bekannt. Bei dieser Ausgestaltung sind nur eine Drehwinkelverstelleinrichtung und ein zugeordneter Druckspeicher beschrieben. Die Nocken auf der Nockenwelle zur Betätigung der Übertragungselemente und der Ein- und Auslassventile sind starr auf der Nockenwelle befestigt, so dass nur eine Drehverstellung der Nockenwelle und damit eine Änderung der Steuerzeiten möglich ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine und insbesondere den Ventiltrieb so zu verbessern, dass auch eine Verstellung des Hubes der Gaswechselventile während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine möglich und vorgesehen ist. Es soll daher eine Verbesserung dahingehend vorgenommen werden, dass mit einfachen Mitteln ein Ventiltrieb zur Verfügung gestellt wird, der einem voll variablem Ventiltriebsystem möglichst nahe kommt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Nocken als Schiebenocken mit zumindest zwei Nocken pro Schiebenockeneinheit ausgebildet sind, die auf der Nockenwelle drehfest aber axial verschiebbar angeordnet sind, dass pro Schiebenockeneinheit eine, zumindest einen ausfahrbaren Aktorstift aufweisende elektromagnetisch betätigbare Vorrichtung zur Verstellung der Schiebenocken in unterschiedliche axiale Positionen mittels mit dem Aktorstift zusammenwirkenden Verschiebenuten am Umfang der Schiebenockeneinheit eingebaut ist, wobei die Verstellvorrichtung ortsfest an einem Bauteil der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und dass eine Vorrichtung zur Fixierung der Schiebenocken in den unterschiedlichen Positionen vorgesehen ist, die zumindest je eine der axialen Position zugeordnete Ausnehmung aufweist.
Die Betätigung der Verstellvorrichtung kann entweder elektromagnetisch oder pneumatisch oder hydraulisch oder auch kombiniert, z. B. elektrohydraulisch vorgenommen werden.
Ein derartiges Schiebenockensystem ist aus der EP-0 798 451 A1 bekannt. Dabei weist die Schiebenockeneinheit Schiebenuten auf. Die als Arretierung ausgebildete Fixierung der Schiebenocken in den unterschiedlichen Positionen wird durch einen federbelasteten Arretierkörper zwischen der Nockenwelle und der Schiebenockeneinheit bewirkt, wobei in dem Innenmantel der Schiebenocken Ausnehmungen vorgesehen sind, die mit den Arretierkörpern zusammenwirken.
Bei diesem Schiebenockensystem wird davon ausgegangen, dass sowohl unterschiedliche Hübe für die Gaswechselventile als auch unterschiedliche Lagen der Nocken bezüglich der Nockenwelle zur Verstellung der Steuerzeiten durch die Schiebenockeneinheiten zur Verfügung stehen. Dies führt jedoch zu kaum mehr zu beherrschenden Einzelnocken und deren Verschiebung.
Erfindungsgemäß wird daher zur Erreichung einer einem voll variablen Ventiltriebsystem möglichst nahekommenden Gaswechselventilverstellung eine getrennte Drehwinkelverstellung als Steuerzeitenvariation und eine getrennte Hubverstellung vorgenommen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Ausnehmungen zur Arretierung der Schiebenockeneinheit in den unterschiedlichen Positionen als Arretiernuten am Umfang der Schiebenocken ausgebildet sind und der Ein- und der Ausfahrbereich der Verschiebenuten in den Ebenen zweier benachbarter Arretiernuten liegen. Dadurch kann die Arretiereinrichtung mit federbelasteten Arretierkörpern entfallen.
Dabei sind die Verschiebenuten in einem gegenüber den Arretiernuten tiefer liegenden Umfangsbereich der Verschiebenuten angeordnet, was zu einer optimalen Raumausnutzung führt. Die Aktorstifte stehen dabei in einer Basisstellung mit den Arretiernuten in Wirkverbindung und in einer Ausfahrstufe mit den Verschiebenuten, so dass die Arretier- und die Verschiebenuten in dergleichen Radialebene der Nockenwelle liegen. Die Arretiernuten sind dabei durch scheibenförmige Führungskonturen gebildet. Dadurch kann die Verstelleinrichtung Arretierelemente aufweisen, die als Hülsen ausgebildet und feststehenden ausgeführt sind, wobei die Arretierelemente die Aktorstifte umschließen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Druckspeicher ein Kartuschengehäuse aufweist, das mittels zumindest einer dem Druckmittelzu- und -abfluss benachbarten Konusabstützung am Hohlraum der Nockenwelle geführt ist. Dadurch ergibt sich trotz Mantelführung des Kartuschengehäuses in dem zylindrischen Hohlraum der Nockenwelle, die als zentrale Bohrung ausgeführt sein kann, eine optimale Zentrierung, die sowohl an dem Ende zum Druckmittelzu- und -abfluss, als auch an dem anderen Ende des Kartuschengehäuses ausgeführt sein kann.
Der Druckspeicher ist an dem der Konusabstützung abgewandten Ende an einem Verschlussstopfen abgestützt, der im Hohlraum der Nockenwelle fixiert ist. Diese Fixierung kann beispielsweise über eine Presspassung des Verschlussstopfens im Hohlraum erfolgen. Der Verschlussstopfen kann dabei dem Druckspeicher bzw. Kartuschengehäuse zugewandten Ende ebenfalls eine Konusabstützung aufweisen.
Da verschiedene Bauarten von Drehwinkelverstelleinrichtungen, z.B. mittels einer innen und außen schräg verzahnten Hülse, bekannt sind, wird vorgeschlagen, dass die Drehwinkelverstelleinrichtung eine Flügelzellennabe aufweist, die mit der Nockenwelle fest verbunden ist und von einem mit der Kurbelwelle drehverbundenen Gehäuse umschlossen ist und mit diesem Kammern bildet, deren durch das Druckmittel verursachten Volumenänderungen eine Drehwinkelverstellung der Nockenwellen bewirkt.
Das die Drehwinkelverstelleinrichtung beherrschende Steuerventil ist als Zentralventil ausgebildet und in einer zentrischen Öffnung der Nockenwelle und/oder der Drehwinkelverstelleinrichtung angeordnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist.
Es zeigen:
1: eine sehr vereinfachte schematische Darstellung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine,
2: eine perspektivische Außenansicht einer Nockenwelle mit Schiebenockeneinheiten und Verstellvorrichtung der Schiebenockeneinheiten und
3: eine Darstellung ähnlich 2 mit Schnitt durch die Nockenwelle.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist eine allgemein mit 1 bezeichnete Hubkolbenbrennkraftmaschine skizziert, wobei ein von einer Kurbelwelle 2 mittels eines Pleuels geführter Kolben 3 in einem Zylinder 4 gleitend geführt ist. Die Kurbelwelle 2 steht über je einem Zugmitteltrieb 5 mit einer Einlassnockenwelle 6 und einer Auslassnockenwelle 7 in Verbindung, wobei jede der Nockenwellen 6 und 7 eine Drehwinkelverstelleinrichtung 10 im Antrieb zugeordnet ist. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass mehrere Einlassnockenwellen 6 und mehrere Auslassnockenwellen 7 pro Brennkraftmaschine 1 vorgesehen sein können und dass nicht jeder oder jeder Gruppe von Nockenwellen eine Drehwinkelverstelleinrichtung 10 zugeordnet sein muss, sondern beispielsweise nur den Einlassnockenwellen oder nur den Auslassnockenwellen. Auf jeder der Nockenwellen sind Nocken 22, 23 drehfest angeordnet, die zumindest ein Einlassventil 8 und zumindest ein Auslassventil 9 steuern. Selbstverständlich können auch mehrere Ein- und Auslassventile pro Zylinder 4 vorgesehen sein.
In den 2 und 3 ist die Nockenwelle mit 6 und 7 bezeichnet, da sie sowohl als Einlass- 6 als auch als Auslassnockenwelle 7 ausgebildet sein kann. Die Nockenwelle 6 oder 7 ist hohl ausgebildet, wobei in dem Hohlraum ein Kartuschengehäuse 11 eingebaut ist, in dem ein Speicherkolben 12 dichtend geführt ist, der mittels einer Druckfeder 13 abgestützt ist, die am freien Ende des Kartuschengehäuses 11 mittels eines Stützringes festgelegt ist. Das Kartuschengehäuse 11 ist mittels einer Konusabstützung 14 am inneren Ende des Hohlraums der Nockenwelle dichtend geführt. Am anderen Ende des Kartuschengehäuses 11 ist ein Verschlussstopfen 15 vorgesehen, der mittels Presssitz in der Nockenwelle festgelegt ist. Das Kartuschengehäuse 11 steht im Bereich der Konusabstützung 14 mit einer zentralen Bohrung 16 der Nockenwelle in Verbindung, die sich zur Aufnahme eines nicht dargestellten Zentralventils zum Ende der Nockenwelle hin erweitert. Die Nockenwelle 6 oder 7 weist im Bereich der zentralen Bohrung 16 benachbarte Anschlagflansche 17 auf, zwischen denen eine Lagerfläche vorgesehen ist, die mit einem zumindest axial festgelegten Lager in Wirkverbindung sehen. Zwischen der zentralen Bohrung 16 und der Lagerfläche sind Radialbohrungen 18 vorgesehen, über die Druckmittel von einer nicht dargestellten Druckmittelquelle, beispielsweise der Ölpumpe der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeführt werden kann, so dass das nicht dargestellte Zentralventil und der allgemein mit 19 bezeichnete Druckspeicher mit Druckmittel versorgt werden kann. Die Nockenwellen 6 oder 7 weisen an mehreren Stellen Außenverzahnungen 20 auf, auf denen Schiebenockeneinheiten 21 drehfest aber axial verschiebbar geführt sind. An den Schiebenockeneinheiten 21 sind je zwei Paare von zwei Nocken 22 und 23 vorgesehen, wobei Verschiebenuten 24 eingearbeitet sind, denen Arretiernuten 25 zugeordnet sind.
Die Verschiebe- 24 und Arretiernuten 25 stehen mit Verstelleinrichtungen 26 in Wirkverbindung, die je zwei nebeneinander angeordnete Aktorstifte 27 und 28 aufweisen, die zum Verschieben der Schiebenockeneinheiten 21 mit den Verschiebenuten 24 in Wirkverbindung treten können. Um die Aktorstifte 27 und 28 herum sind Hülsen vorgesehen, die den Arretiernuten 25 zugeordnet sind.
Durch Aktivieren der Verstelleinrichtungen 26 und Ausfahren der Aktorstifte 27 und 28 können mit Hilfe der Verschiebenuten 24 die Schiebenockeneinheiten auf der jeweiligen Nockenwelle 6 oder 7 um den Abstand eines Nockens axial verschoben werden, wobei die Verschiebung dann aber erfolgt, wenn die Übertragungselemente mit dem jeweiligen Grundkreis der Nocken 22 und 23, die bei allen Nocken die gleiche radiale Lage aufweisen, in Wirkverbindung stehen.
Zwischen den Außenverzahnungen 20 sind auf der jeweiligen Nockenwelle 6 oder 7 Lagerstellen 29 vorgesehen, die von nicht dargestellten in dem Zylinderkopf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordneten Lagern geführt sind.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenbrennkraftmaschine
2: Kurbelwelle
3: Kolben
4: Zylinder
5: Zugmitteltriebe
6: Einlassnockenwelle
7: Auslassnockenwelle
8: Einlassventil
9: Auslassventil
10: Drehwinkelverstelleinrichtungen
11: Kartuschengehäuse
12: Speicherkolben
13: Druckfeder
14: Konusabstützung
15: Verschlussstopfen
16: zentrale Bohrung
17: Anschlagflansche
18: Radialbohrungen
19: Druckspeicher
20: Außenverzahnung
21: Schiebenockeneinheiten
22, 23: Nocken
24: Verschiebenuten
25: Arretiernuten
26: Verstelleinrichtungen
27, 28: Aktorstifte
29: Lagerstellen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009034804 A1 [0002]
EP 0798451 A1 [0006]

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach dem Vier-Takt-Verfahren mit einem Kurbelgehäuse, in dem zumindest ein Zylinder (4) und ein Kolben (3) angeordnet sind, wobei der Kolben (3) mittels eines mit einer Kurbelwelle (2) verbundenen Pleuels geführt ist, mit zumindest einem den Zylinder (4) verschließenden Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem als Ein- (8) und Auslassventil (9) ausgebildeten Gaswechselventil beherrscht sind, die durch Nocken (22 oder 23) zumindest einer Nockenwelle (6 oder 7) und von diesen angetriebenen Übertragungselementen betätigbar sind, wobei im Antrieb zumindest einer der Nockenwellen (6 oder 7) eine Drehwinkelverstelleinrichtung (10) vorgesehen ist, die von einer Druckmittelquelle mittels eines Steuerventils mit Druckmittel beaufschlagbar ist, und wobei die Druckmittelquelle mit einem in einem Hohlraum der Nockenwelle (6 oder 7) angeordneten Druckspeicher (19) in Wirkverbindung steht, der einen einerseits mit dem Druckmittel und andererseits mit einer gehäusefest abgestützten Druckfeder (13) in Wirkverbindung stehenden Speicherkolben (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken als Schiebenocken mit zumindest zwei Nocken (22 und 23) pro Schiebenockeneinheit (21) ausgebildet sind, die auf der Nockenwelle (6 oder 7) drehfest aber axial verschiebbar angeordnet sind, dass pro Schiebenockeneinheit eine, zumindest einen ausfahrbaren Aktorstift (27 oder 28) aufweisende vorzugsweise elektromagnetisch betätigbare Vorrichtung zur Verstellung der Schiebenockeneinheit (21) in unterschiedliche axiale Positionen mittels mit dem Aktorstift (27 oder 28) zusammenwirkenden Verschiebenuten (24) am Umfang der Schiebenockeneinheit (21) vorgesehen ist, wobei die Verstellvorrichtung (26) ortsfest an einem Bauteil der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und dass eine Vorrichtung zur Fixierung der Schiebenocken in den unterschiedlichen axialen Positionen vorgesehen ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiereinrichtung Arretiernuten (25) am Umfang der Schiebenockeneinheiten (21) aufweist, die mit der Verstellvorrichtung (26) in Wirkverbindung stehen und dass der Ein- und der Ausfahrbereich der Verschiebenuten (24) in den Ebenen zweier benachbarter Arretiernuten (25) liegen.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebenuten (24) in einem gegenüber den Arretiernuten (25) tiefer liegenden Umfangsbereich der Verschiebenockeneinheiten (21) angeordnet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorstifte (27, 28) in einer Basisstellung mit den Arretiernuten (25) in Wirkverbindung stehen und in einer Ausfahrstufe die Verschiebenuten (24) kontaktieren.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiernuten (25) durch scheibenförmige Führungskonturen gebildet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (26) Arretierelemente aufweist, die als Hülsen (29) ausgebildet sind und die Aktorstifte (27, 28) umschließen.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (19) ein Kartuschengehäuse (11) aufweist, das mittels zumindest einer dem Druckmittelzuund -abfluss benachbarten Konusabstützung (14) am Hohlraum der Nockenwelle (6 oder 7) geführt ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Konusabstützung (14) abgewandte Ende des Kartuschengehäuses (11) an einem Verschlussstopfen (15) abgestützt ist, der im Hohlraum der Nockenwelle (6 oder 7) fixiert ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelverstelleinrichtung (10) eine Flügelzellennabe aufweist, die mit der Nockenwelle (6 oder 7) fest verbunden ist und von einem mit der Kurbelwelle (2) dreh verbundenen Gehäuse umschlossen ist und mit diesem Kammern bildet, deren durch das Druckmittel verursachten Volumenänderungen die Drehwinkelverstellung der Nockenwelle (6 oder 7) bewirkt.
Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil als Zentralventil ausgebildet ist und in einer zentralen Öffnung der Nockenwelle (6 oder 7) und/oder der Drehwinkelverstelleinrichtung (10) angeordnet ist.