Raumnockenventiltrieb mit einem verbesserten Ausgleich des Ventilhubes

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle, welche um eine Nockenwellenachse drehbar in einem Gehäuse, vorzugsweise in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine aufgenommen ist und mittels eines Verstellaktuators axial beweglich ist, wobei die Nockenwelle mehrere Nocken umfasst, die als Raumnocken mit einer Schrägung in Richtung der Nockenwellenachse ausgebildet sind und mit jeweils zugeordneten Ventilen über jeweilige Abgriffselemente in Wirkverbindung stehen, um mittels der axialen Verstellung der Nockenwelle eine änderung des Ventilhubes zu bewirken.

Brennkraftmaschinen, und insbesondere Ottomotoren werden zur Laststeuerung mittels Drosselklappen in ihrer Abgabeleistung gesteuert, wobei die Steuerung lastabhängig über die Gemischmenge erfolgt. Diese wird durch unterschiedliche Drosselung des Gemischstromes variiert. Dazu dient die im Ansaugtrakt angeordnete Drosselklappe. Ein Nachteil der Drosselregelung ist jedoch der entstehende Drosselverlust, der mit abnehmendem Drosselquerschnitt ansteigt, was bei sinkender Last bzw. niedrigerer Abgabeleistung der Brennkraftmaschine erfolgen muss. Dieser Verlust kann durch eine drosselfreie Laststeuerung vermieden werden. Dazu kann die Drosselklappe mit ihrem variierbaren Drosselquerschnitt durch Einlassventile mit variablem Hub und ent-

sprechend gesteuerten öffnungszeiten ergänzt oder ersetzt werden. Ein großer Ventilhub entspricht dabei einer hohen Abgabeleistung, und ein kleiner Ventilhub bewirkt folglich eine kleine Abgabeleistung.

Bei Volllast weisen die Einlassventile einen maximalen Hub auf, so dass bei Teillast oder Niedriglast nur ein mittlerer oder kleiner Ventilhub auftritt. Das Einlassventil öffnet dabei über einen Teilöffnungswinkel verglichen zum Volllastbetriebspunkt, so dass nur eine entsprechend geringe Gasmenge in den Brennraum eintreten kann. Dadurch bildet sich während des Einlasstaktes ein hoher Unterdruck im Zylinder, der im darauffolgenden Kompressionstakt verlustfrei ausgeglichen werden kann. Durch den kleinen öffnungsquerschnitt des Einlassventils und der großen Druckdifferenz zwischen dem Luftsammler vor dem Einlassventil und dem Brennraum selbst entstehen sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten des einströmenden Gemisches in den Brennraum, was zur Folge hat, dass das Gemisch eine starke Turbulenz im Zylinder aufweist. Dadurch wird die Gemischaufbereitung insbesondere bei ottomotorischer Direkteinspritzung deutlich verbessert. Im Ergebnis kann der Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen gesenkt werden und es erfolgt ein rasches Brennende des Gemisches. Beide Effekte erhöhen den Wirkungsgrad der Brennkraftma- schine.

Stand der Technik

Aus der Druckschrift EP 1 079 078 A2 ist eine mögliche Ausführungsform einer axial verstellbaren Nockenwelle bekannt. Die axiale Verstellung der Nockenwelle erfolgt über eine Druckbeaufschlagung eines kolbenartigen Elements, welches endseitig an der Nockenwelle angeordnet ist. Wie in der Druckschrift gezeigt, weisen die Nocken einen kegelförmigen Querschnitt auf, so dass das Abgriffselement zur Erzeugung des Ventilhubs entweder auf einem kleinen effektiven Nockenradius läuft, um eine niedrige Last zu steuern, und auf einen großen effektiven Nockenradius geführt wird, um eine hohe Last zu erzeugen, in dem der Ventilhub entsprechend des effektiven Nockenradius vergrößert

wird. Die änderung der Abgriffsebenen des Abgriffsei ements von der Raumno- cke erfolgt über die axiale Verstellung der Nockenwelle.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen zur Variation des Ventilhubes wird dieser zwischen 0,1...0,3mm bis zu etwa 10mm variiert. Wird im Leerlauf die Last der Brennkraftmaschine auf niedrige Werte gedrosselt, so führen die Ventile einen Hub von etwa 0,1...0,3mm aus. Um die Last der Brennkraftmaschine zu erhöhen, wird der Ventilhub stufenlos vergrößert, so dass bei Volllast ein Ventilhub von beispielsweise 9...10mm oder mehr vorliegen kann.

Bei der Anordnung der Nockenwelle im Zylinderkopf entsteht das Problem, dass aufgrund von Wärmedehnungen die Nockenwelle eine andere axiale Ausdehnung als der Zylinderkopf aufweist. Dies liegt vordergründig an der Materialwahl, so dass unterschiedliche Materialien, die für dem Zylinderkopf und der Nockenwelle vorliegen, unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der axiale Versteller der Nockenwelle bildet dabei das Festlager der Nockenwelle, so dass sich diese beginnend von der Festlagerung in einer darauffolgend schwimmenden Lagerung im Zylinderkopf erstreckt. Bei einer Temperaturdifferenz von beispielsweise 70°, welche zwischen einer Raumtemperatur von beispielsweise 20° und einer optimalen Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine von beispielsweise 90° entsteht, kann die Wärmedehnung der Nockenwelle beginnend vom Festlager bis zu der Nocke, die den größten Abstand zum Festlager aufweist, mehrere Zehntel Millimeter umfassen. Eine Nockenwelle, welche der beispielsweise genannten Temperaturdifferenz von 70° ausgesetzt ist, kann eine Wärmedehnung von bis zu 0,2...0,25mm aufweisen.

Unter Berücksichtigung einer Hebelübersetzung im Schlepphebel zwischen der Nockenwelle und dem Ventil von beispielsweise dem Faktor 2 kann die änderung des Ventilhubes, welche auf der Differenz des Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Nockenwelle und dem Zylinderkopf entsteht, bis zu 0,1...0,15mm umfassen. Damit wird deutlich, dass der Betrag der änderung des Ventilhubes, der allein auf der Wärmedehnung beruht, Werte annehmen kann, die bereits

dem minimalen Ventilhub entsprechen, der bei Niedriglast für die Brennkraft- maschine erforderlich ist. Die Nocken, die nur einen geringen Abstand zur Festlagerung der Nockenwelle aufweisen, erfahren lediglich eine geringe axiale Verlagerung aufgrund der thermischen Dehnung, wobei die Nocken, die auf der Nockenwelle mit einem großen Abstand zur Festlagerung der Nockenwelle angeordnet sind, eine große axiale Verlagerung aufgrund der thermischen Dehnung erfahren. Dieser Effekt führt zu einer Ungleichverteilung der Zylinderfüllung, so dass die Zylinder, deren Ventiltrieb durch Nocken gesteuert werden, die nahe an der Festlagerung der Nockenwelle angeordnet sind, eine geringe- re Füllung erfahren, als Zylinder, die mittels eines Ventiltriebes über die Nocken gesteuert werden, die einen großen Abstand zur Festerlagerung der Nockenwelle aufweisen. Damit kann keine ideale Zylindergleichverteilung bewirkt werden, so dass der optimale Betrieb der Brennkraftmaschine durch den Effekt der thermischen Dehnung der Nockenwelle negativ beeinträchtigt wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend genannten Probleme des Standes der Technik zu überwinden und einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer axial verstellbaren Nockenwelle zu schaffen, der eine Gleichverteilung des Füllungsgrades der Zylinder ermög- licht.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Werkstoff der No- ckenwelle und der Werkstoff des Gehäuses derart ausgebildet sind, dass eine zwischen den Raumnocken und diesen zugeordneten Abgriffselementen ent-

stehende axiale Verschiebung aufgrund einer thermischen Beeinflussung des Ventiltriebes minimal ist.

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, sowohl für die Nockenwelle als auch für das Gehäuse einen jeweiligen Werkstoff auszuwählen, deren Wärmedehnungskoeffizienten eine möglichst nur geringe oder gar keine Differenz zueinander aufweisen. Dehnt sich die Nockenwelle gemeinsam mit dem Zylinderkopf aufgrund der Erwärmung der Brennkraftmaschine aus, so bildet sich keine thermisch bedingte Verlagerung der Nocke über dem Abgriffsele- ment aus. Das Abgriffselement ist im Zylinderkopf aufgenommen, so dass dann, wenn die Brennkraftmaschine in Betrieb genommen wird und beispielsweise von einer Temperatur von 20° C auf eine Temperatur von 90° C erwärmt wird, keine oder nur eine nicht nennenswerte Verlagerung der auf der Nockenwelle angeordneten Nocke und dem Abgriffselement entsteht. Im Ergebnis ent- steht für jeden Zylinder der gleiche Ventilhub der Einlassventile, so dass kein unterschiedlicher Füllungsgrad der einzelnen Brennräume bewirkt wird. Damit wird eine Zylindergleichverteilung erreicht, so dass jeder Zylinder auch bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen beispielsweise 20° C und 90 ⁰ C den gleichen Füllungsgrad aufweisen und damit die gleiche Brennleistung erzeu- gen kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Nockenwelle ist diese aus einem Nockenwellenschaft gebildet, auf dem mehrere Nocken aufgebracht sind. Die Nockenwelle wird als sogenannte gebaute Nockenwelle ausgeführt, bei der der Werkstoff des Nockenwellenschaftes selbst ein anderer sein kann als der Werkstoff der Nocken. Die Nocken können beispielsweise durch ein Aufschrumpfverfahren (SüCO-Verfahren) aufgebracht werden, bei dem jeweils ein Nocken erhitzt wird und auf den Schaft der Nockenwelle aufgeschoben wird. Nach einer exakten Positionierung wird der Nocken abgekühlt, so dass dieser auf den Schaft der Nockenwelle aufgeschrumpft wird.

Eine weitere Möglichkeit bietet das so genante Aufweitverfahren. Hierbei werden zunächst alle Nocken auf dem Nockenwellenschaft exakt positioniert. Der als dünnwandige Hohlwelle ausgebildete Nockenwellenschaft wird dann mit Hilfe von hohen Innendrücken aufgeweitet, so dass der Presssitz der Nocken auf dem Nockenwellenschaft erreicht wird. Die Nockenwelle verformt sich dabei plastisch, während sich die Nocken lediglich elastisch verformen. Der hohe Innendruck wird entweder durch ein eingefülltes Medium erzeugt oder durch einen Festkörper, der durch die Nockenwelle geführt wird und diese von innen aufweitet. Beide Verfahren können zusätzlich mit einer formschlüssigen Ver- bindungsart kombiniert werden. Hierbei ist eine Verzahnung auf der Nockenwelle gepaart mit einer Innenverzahnung in der Nockenbohrung. Selbstverständlich sind auch weitere Fügeverfahren, wie ein Schweißen, ein Löten oder ein sonstiges formschlüssiges Verfahren als mögliches Verbindungsverfahren zwischen den Nocken und dem Schaft der Nockenwelle denkbar.

Vorteilhafterweise umfasst der Nockenwellenschaft einen Werkstoff mit einem ersten Ausdehnungskoeffizienten, wobei das Gehäuse einen Werkstoff mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten umfasst, wobei der erste Ausdehnungskoeffizient und der zweite Ausdehnungskoeffizient einen ähnlichen, vor- zugsweise einen gleichen Wert aufweisen. Die Differenz des ersten und des zweiten Ausdehnungskoeffizienten kann einen Wert von weniger als 10*10 ^"6 1/K, vorzugsweise von weniger als 4 ^* 10 ^"6 1/K und besonders bevorzugt von weniger als 1 *10 ⁶ 1/K aufweisen. Je geringer die Differenz des ersten und zweiten Ausdehnungskoeffizienten ist, desto geringer ist die thermische Verla- gerung der Nocke über dem Abgriffselement. Folglich verringert sich auch die Differenz des Ventilhubes der jeweiligen Ventile, die den einzelnen Zylindern zugeordnet sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform des Ventiltriebs umfasst ein Gehäu- se und einen Nockenwellenschaft, wobei das Gehäuse und der Nockenwellenschaft aus einem jeweils gleichen Material gefertigt ist. Das Gehäuse kann dem Zylinderkopf entsprechen, wobei das ausgewählte Material eine Aluminiumle-

gierung oder einen austenitischen Stahl umfassen kann. Abhängig von den auftretenden Temperaturen kann der Zylinderkopf sowie der Schaft der Nockenwelle jedoch auch aus einem Kunststoffmaterial oder einem Verbundwerkstoff hergestellt sein. Darüber hinaus ist ein faserverstärkter Kunststoff denk- bar, so dass sowohl das Gehäuse in Form des Zylinderkopfes als auch der Schaft der Nockenwelle aus dem Kunststoffmaterial bestehen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die geometrische Ausdehnung der Nockenwelle derart beschaffen ist, dass diese bei der für die Brennkraftmaschine optimale Betriebestemperatur eine jeweilige axiale Position der Nocken bezogen auf die zugeordneten Abgriffselemente aufweist, bei der der Ventilhub der Ventile jeweils gleiche Werte bildet. Die geometrische Ausbildung der Nockenwelle betrifft insbesondere die Bemaßung des Nockenwellenschaftes in Richtung der Nockenwellenachse, da diese Richtung die Richtung der relevanten Wärmedehnung ist. So kann beispielsweise die Nockenwelle bei einer Fertigungstemperatur von 20 ⁰ C hergestellt werden, so dass diese jedoch die Sollbemaßung bei einer Temperatur von 90 ⁰ C aufweist. Dabei muss berücksichtigt werden, dass verschiedene Fertigungstemperaturen, die auch von einer Temperatur von 20°C abweichen können, entstehen können. Mit der Fertigung und insbesondere mit der schleifenden Bearbeitung wird ein Korrekturwert bereits in die Nockenwelle eingearbeitet, so dass die Auslegungstemperatur beispielsweise 90 ⁰ C betragen kann, um somit die Zylindergleichverteilung bei einer Betriebstemperatur von 90°C hervorzurufen. Beim Betrieb der Nockenwelle bei einer von der Auslegungstemperatur abweichen- den Temperatur ergibt sich mit wachsender Temperaturdifferenz folglich eine größer werdende Zylinderungleichverteilung.

Gewöhnliche Brennkraftmaschinen weisen eine optimale Betriebstemperatur von 90°C auf, so dass bei einer Fertigung der Nockenwelle bei einer Tempera- tur < 90 ⁰ C die thermische Ausdehnung der Nockenwelle bereits in ihrer geometrischen Gestaltung berücksichtigt wird. Eine weitere Ausführungsform der geometrischen Anpassung der Nockenwelle kann darin gesehen werden, dass

die Nockenwelle auf eine Temperatur von 90 ⁰ C gebracht wird, bei der diese dann in der Endbearbeitung fertiggestellt wird und bereits die gewünschte Be- maßung bei der betreffenden Temperatur aufweist. Damit muss kein Korrekturwert berechnet werden, solange die Fertigungstemperatur der Nockenwelle der Einsatztemperatur im optimalen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine entspricht.

Vorteilhafterweise ist dabei erst bei Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine von etwa 90 ⁰ C die axiale Position in Richtung der No- ckenwellenachse der jeweiligen Nocken über den zugeordneten Abgriffselementen zueinander gleich. Dabei muss berücksichtigt werden, dass der Korrekturwert mit zunehmendem Abstand vom Festlager der Nockenwelle zunimmt, da der absolute Betrag der Wärmedehnung linear abhängig ist von der Länge der Nockenwelle.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Verstellaktuator an einer Endseite der Nockenwelle angeordnet und bildet damit das axiale Festlager der Nockenwelle. Häufig sind mehrere Nocken in Richtung der Nockenwellenachse mit einem jeweils zunehmendem Abstand vom das Festlager bildenden Verstellaktuator auf dem Nockenwellenschaft angeordnet, so dass der geometrische Korrekturwert der axialen Position der Nocken zum Ausgleich der thermischen Dehnung mit zunehmendem Abstand vom Verstellaktuator zunimmt.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend ge- meinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiel

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Nockenwelle, in der die jeweiligen geometrischen Korrekturwerte der einzelnen Nocken angedeutet sind; und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines einzelnen Korrekturwertes einer Nocke, wobei der Korrekturwert in Richtung der Nockenwellenachse gezeigt ist.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Nockenwelle ist mit dem Bezugszeichen 1 versehen und erstreckt sich in Richtung der Nockenwellenachse 2. Die Nockenwelle 1 weist beispielshaft vier Nocken 3 auf, welche mit einem zunehmendem Abstand vom Festlager der Nockenwelle angeordnet sind, wobei das Festlager durch den Verstellaktuator 6 gebildet ist. Der Verstellaktuator 6 kann die Nockenwelle in Richtung der Nockenwellenachse 2 verschieben, so dass die Nocken 3 einen axialen Versatz in Richtung der Nockenwellenachse 2 ausführen können.

Die Nocken 3 der Nockenwelle 1 sind als Raumnocken ausgebildet, welche eine Schrägung aufweisen, und von einem ersten axialen Nockenende mit ei- nem kleinen effektiven Nockenradius in einen großen effektiven Nockenradius am gegenüberliegenden Ende der Nocke übergehen. Das - nicht näher dargestellte - Abgriffselement befindet sich in kinetischer Wirkverbindung mit der Mantelfläche des Raumnockens 3, so dass sich ein kleiner Ventilhub einstellt, wenn das Abgriffselement über den kleinen effektiven Nockenradius gleitet, und sich ein großer Ventilhub einstellt, wenn das Abgriffselement über der Schrägung der Raumnocke bis zum maximalen effektiven Nockenradius bewegt wird. Die Abgriffselemente sind dabei hubbeweglich innerhalb des Zylinderkopfes geführt, so dass diese durch die geometrische Ausbildung des Zylinderkopfes in ihrer axialen Position in Richtung der Nockenwellenachse 2 festgelegt sind. Erst durch die axiale Bewegung der Nockenwelle 1 in Richtung der Nockenwellenachse 2 wird eine Relativbewegung zwischen den Abgriffs-

elementen und den Raumnocken 3 erzeugt, um die unterschiedlichen Hübe der Ventile hervorzurufen.

Die Abstände der Nocken 3 zum das Festlager bildenden Verstellaktuator 6 nehmen von Nocke zu Nocke zu. Die Wärmedehnung der Nockenwelle 1 in Richtung der Nockenwellenachse 2 nimmt dabei ebenfalls mit zunehmendem Abstand vom Verstellaktuator 6 zu. Die Wärmedehnung ist mit dem geometrischen Korrekturwert 5 dargestellt, welcher bei einem ersten Nocken 3, der an den Verstellaktuator 6 angrenzt, einen sehr kleinen Wert aufweist, wobei die Werte der geometrischen Korrektor 5 mit zunehmendem Abstand vom Verstellaktuator 6 zunehmen, so dass der Wert 5' größer ist als der Wert 5, der Wert 5" größer ist als der Wert 5' und der Wert 5'" größer ist als der Wert 5" und damit den größten Wert am Beispiel des 4 Nocken umfassenden Ventiltriebs darstellt.

Die Darstellung der geometrischen Korrekturwerte 5, 5', 5" und 5'" ist jeweils nur schematisch dargestellt, wobei der Korrekturwert nicht die geometrische Ausbildung der Nocke 3 selbst betrifft, sondern lediglich die axiale Position der Nocke 3 auf der Nockenwelle 1. Diese umfasst einen Nockenwellenschaft 4, auf dem die Nocken 3 an ihrer jeweiligen Sollposition aufgebracht sind. Die Aufbringung der Nocken 3 auf der Nockenwelle 1 erfolgt beispielhaft durch eine Aufschrumpfung, so dass der Korrekturwert 5, 5', 5" und 5'" die jeweils genaue axiale Position zur Aufschrumpfung der Nocken 3 auf dem Nockenwellenschaft 4 darstellt. Endseitig am Nockenwellenschaft 4 kann ferner ein Ag- gregateanschluss 7 vorgesehen sein, welcher ebenfalls einen Korrekturwert umfassen kann, was gemäß der Darstellung in der Figur 1 jedoch nicht näher spezifiziert ist.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Nocke 3, welche auf dem Nocken- wellenschaft 4 der Nockenwelle 1 aufgebracht ist. Dies dient hier lediglich zur

Verdeutlichung, so dass erkennbar ist, dass nicht die geometrische Ausbildung

des Nockens 3 selbst geändert wird, sondern lediglich die axiale Position des Nockens 3 in Richtung der Nockenwellenachse 2.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Es besteht die Möglichkeit, die genaue axiale Position der Nocken 3 auf dem Nockenwellenschaft 4 dadurch hervorzurufen, dass auf der Nockenwellenachse 2 zwei geometrische Stufen oder Durchmessersprünge mit einer jeweiligen axialen Plananlage vorgesehen sind. Die genaue geometrische Position der Nocken 3 kann dabei mittels eines Einfügens von Distanzblechen in ringförmiger Gestalt vorgesehen werden, so dass beispielsweise die Nocken 3 auf dem Nockenwellenschaft 4 aufgeklemmt werden. In Abhängigkeit vom geometrischen Korrekturwert 5 kön- nen die Distanzbleche entweder dünner oder dicker ausgebildet sein, so dass erst bei der Montage der Nockenwelle, welche das Aufbringen der Nocken 3 auf dem Nockenwellenschaft 4 umfasst, die axiale Position der Nocken 3 eingestellt wird.

Bezugszeichenliste

Nockenwelle

Nockenwellenachse

Nocken

Nockenwellenschaft geometrischer Korrekturwert

Verstellaktuator

Aggregateanschluss