Vorrichtung zur variablen Steuerung der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine Beschreibung Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur variablen Steuerung der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine, von wel- cKien wenigstens ein Gaswechselventil von einem Nocken einer No- ckenwelle angesteuert ist, der eine Nockenkontur mit einem Nocken- grundkreisabschnitt und einem Nockengipfelabschnitt aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Stand der Technik offenbart verschiedene Ansätze zur Realisierung einer variablen Gaswechsel- ventilsteuerung Einerseits sind tej ! variab ! e Ventiisteuerungsvorrichtungen be- kannt, bei weichen die Ventilhübe in Stufen veränderbar sind. Eine solche Ventilsteuerungsvorrichtung ist beispielsweise in der EP 0 515 520 B1 beschrieben, welche einen Stößel aus zwei konzen- trischen Tasseneiementen aufweist, von denen das innere rnit ssiner einen Stirnseite am Ventilschaft des Gaswechselventils anliegt. D. er

Stößel wirkt mit dem Nocken einer Nockenwelle zusammen, der drei Teilnocken mit unterschiedlichen Nockenbahnen aufweist. Die beiden äußeren Nockenbahnen haben den gleichen Hubverlauf und wirken auf das äußere Tassenelement. Der mittlere Teilnocken hat einen davon abweichenden Hubverlauf mit geringerer Hubhöhe und wirkt auf das innere Tassenelement. Die beiden konzentrischen Tassenelemente können durch hydraulische Beaufschlagung eines Koppelelements mit- einander gekoppelt oder in einer zweiten Schaltstellung dieses Kop- pelelements unabhängig voneinander bewegt werden. In der gekoppel- ten Stellung sind die beiden Tassenelemente miteinander verbunden, so dass diese dem Hubverlauf der Teilnocken mit größerem Hub fol- gen. Über das Koppelelement und das innere Tassenelement wird die- se Bewegung auf den Ventilschaft übertragen. In der zweiten Schalt- stellung des Koppelelements sind die beiden Tassenelemente unab- hängig voneinander beweglich. Der Ventilschaft wirkt in dieser Schalt- stellung mit dem mittleren Teilnocken mit geringerem Hub zusammen.

Das äußere Tassenelement folgt der Hubbewegung der äußeren Teil- nocken, wobei jedoch keine Verbindung zum inneren Tassenelement bzw. zum Ventilschaft besteht. Ein Vorteil solcher Ventiltriebe liegt dar- in, dass auch bei Ausfall des Schaltmechanismus weiterhin eine ord- nungsgemäße Ventilsteuerung durch die Nockenwelle gewährleistet ist, außerdem lassen sich konventionelle Brennkraftmaschinen ohne allzu großen Aufwand umrüsten. Nachteilig ist jedoch, dass die Ventil- hube. und Steuerzeiten lediglich in einer begrenzten Anzahl von Stufen veränderbar sind, wobei der stufenweise Übergang Probleme hinsicht- iich Geräusch und Stetigkeit-verursacht. Außerdem solche Systeme . mechanisch aufwendig.

Zum andern sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 39 35 218 A1, volivariable Ventilsteuerungsvorrichtungen a) s etektrohydrauiische Ventittriebe ohne Nockenwelle bekannt, bei welchen der Ventilschaft über eine Kolbenstange mit einem hydraulisch betätigbaren Differentialkolben gekoppelt ist, über den das einzelne Gaswechselventil unabhängig von den übrigen Gaswechselventilen di- rekt betätigbar ist. Infolgedessen sind für jedes Gaswechselventil stu- fenlos variable Ventilhübe und variable Steuerzeiten realisierbar. Hier- bei werden für jedes Gaswechselventil zwei Steuerventile zur Betäti- gung des Differentialkolbens eingesetzt, so dass bei derzeit gängigen Vier-Ventilmotoren je Zylinder acht solcher Steuerventile notwendig sind, was sich aufgrund der hohen Anzahl von Komponenten negativ auf den benötigten Bauraum und die Fertigungskosten auswirkt. Zu- dem sind konventionelle Brennkraftmaschinen nur mit relativ hohem Aufwand auf die neue Technik umrüstbar. Ein besonderes Problem stellen die Notlaufeigenschaften dar, da ein Ausfall des Hydrauliksys- tems in der Regel auch einen Totalausfall der Ventilsteuerunn bewirkt.

Vorteile der Erfindung Abhängig von den Druckverhältnissen des Druckmittels kann der Kolben aus dem zugeordneten Nocken aus-oder in ihn eingefahren werden. Somit ist die Nockenkontur der Nocken stufenlos veränderbar, so dass beliebige Hubkurven der-Gaswechselventile erzielbar sind.

Insbesondere sind die Hubhöhe, die Ventilöffnungszeit und- geschwindigkeit stufenlos variabel einstellbar. Da die ein-und ausfahr- baren Kolben in den ansonsten unveränderten Nocken verschieblich gelagert und an den Stößeln ohnehin keine Änderungen notwendig sind, können konventionelle Ventiitriebe mit geringen Modifikationen

umgerüstet werden. Außerdem ist wegen der Integration in die Nocken kein zusätzlicher Bauraum für die Kolben notwendig, woraus ein sehr geringer Platzbedarf resultiert. Da die Nockenwelle als Steuerorgan vollständig erhalten bleibt, ist auch bei Ausfall der Druckmittelversor- gung die Funktionstüchtigkeit der Ventilsteuerung gewährleistet. Insge- samt ist mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ein äu- ßerst kostengünstiger Ventiltrieb realisierbar.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patent- anspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.

Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme ist das nockengipfeiseitige Ende des Kolbens ballig ausgebildet. Dann kann der Nockengipfel in jeder Winkellage auf dem zugeordneten Stößel reibungsarm abwälzen.

Besonders vorteilhaft ist weiterhin, dass bei Ausfall der Druck- mittelversorgung der Kolben in einer definierten Lage gehalten ist.

Hierdurch kann die Brennkraftmaschine mit vorbestimmten Steuerzei- ten und Ventilhüben weiter betrieben werden, ohne dass sich schädi- gende Betriebszustände einstellen können.

Vorzugsweise ist am nockengipfelseitigen Ende des Kolbens ei- ne auf einer Wälzfläche eines mit dem betreffenden Nocken zusam- menwirkenden Stößels abrollbar Kugel drehbar gelagert. Hierdurch werden Reibungsverluste und Verschleiß zwischen Stößel und Nocken wesentlich reduziert. Zur Lagerung der Kugel ist am nockengipfelseiti- gen Ende des Kolbens vorzugsweise eine-dem Radius der Kugel-ent- sprechend sphärische Lagerfläche. ausgebildet, deren Rand zum Fassen der Kugel nach radial innen gebördelt ist. Die Lagerfiäche der Kugel wird dabei in vorteilhafter. Weise durch das bereits vorhandene

Schmierölsystem der Brennkraftmaschine mit Schmieröl versorgt, so dass sich zwischen Kugel und Lagerfläche ein bezüglich Reibung und Verschleiß günstiger hydrodynamischer Schmierfilm ausbilden kann.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Maßnahme wird der Kolben durch Schmieröl der Brennkraftmaschine betätigt. Da bei einer Brennkraftmaschine ohnehin unter Druck stehendes Schmieröl vorhan- den ist, kann auf eine zusätzliche hydraulische Druckmittelversorgung für die Kolbenbetätigung verzichtet werden.

In bevorzugter Weise wird der Kolben durch den Nocken linear geführt. Seine den Ventilhub und die Steuerzeiten des zugeordneten Gaswechselventils beeinflussende radiale Lage ist vorzugsweise ab- hängig vom Kräftegleichgewicht zwischen den Kolben nach radial in- nen drängenden Federkräften und ihn nach radial außen drängenden Druckkräften des Schmieröls einstellbar.

Zur Führung des Kolbens im Nocken ist eine in Richtung der Nockenmittelachse verlaufende, durchgehende Stufenbohrung vorge- sehen, wobei sich eine Schraubenfeder einerseits an einer nockengip- felseitigen Stufe der Stufenbohrung und andererseits an einer von ei- ner bodenseitigen Koibenwirkfläche weg weisenden Ringfläche des Kolbens abstützt.

Gemäß einer Weiterbildung ist zwischen der Wirkfläche des Kolbens und einem in das vom Nockengipfelabschnitt weg weisende Ende der Stufenbohrung eingesetzten Verschiussstück eine Druck- kammer für das Schmieröl ausgebildet, welche mit einem mit der No- ckenwellenachse koaxialen Schmierölkanal in Verbindung steht. Zur Realisierung einer hydrodynamischen Schmierung an der Lagerfiäche der Kugei weist der Kolben einen die Lagerfläche mit der Druckkammer verbindenden Kanat auf.

Am Verschlussstück stützt sich eine in die Stufenbohrung einge- setzte Büchse ab, die als radial innerer Anschlag für den Kolben bei ruhender Brennkraftmaschine oder bei einem Ausfall der Druckmittelversorgung dient. Dann drängt die Schraubenfeder den Kolben gegen die Büchse, so dass der Kolben in einer definierten Stel- lung gehalten wird.

Der Druckaufbau bzw. der Druckabbau in den Druckkammern der mit ein-und ausfahrbaren Kolben versehenen Nocken erfolgt vor- zugsweise durch eine Ventilanordnung, welche je ein dem Schmieröl- kanal der Nockenwelle vorgeordnetes und je ein dem Schmierölkanal der Nockenwelle nachgeordnetes Schaltventil beinhalten.

Zeichnungen Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar- gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Querschnittsdarsteilung eines NoWkens als Teil einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor- richtung zur variablen Steuerung der Gaswechseiventiie einer Brenn- kraftmaschine.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Von einer Vorrichtung zur variablen Steuerung der Gaswechsel- ventile einer Brennkraftmaschine ist in der Figur aus Maßstabsgründen nur einer von mehreren Nocken 1 einer. Nockenwelle 2 im Querschnitt gezeigt. Die Nockenkontur eines solchen Nockens 1 beinhaltet einen Nockengrundkreisabschnitt 4 mit Nockengrundkreisradius R sowie ei- nen hierzu exzentrischen Nockengipfelabschnitt-6. In der in der Figur

gezeigten Drehlage des Nockens 1 steht der Nockengipfelabschnitt 6 mit einer Wälzfiläche 8 eines Tassenstößels 10 in Kontakt, welcher die Drehbewegung des Nockens 1 als line'are Hubbewegung auf das zu- geordnete Gaswechselventil überträgt.

Erfindungsgemäß ist zur variablen Verstellung der Nockenkontur ein druckmittelbetätigter, durch den Nocken 1 geführter und radial stu- fenlos ein-und ausfahrbarer Kolben 12 vorgesehen, der endseitig zumindest einen Teil des Nockengipfelabschnitts 6 bildet. In bevorzugter Ausführungsform ist die radiale Lage des Kolbens 12 abhängig vom Kräftegleichgewicht zwischen den Kolben 12 nach radial innen drängenden Federkräften und ihn nach radial außen drängenden Druckkräften eines Druckmittels einstellbar. Als Druckmittel wird vorzugsweise das Schmieröl der Brennkraftmaschine verwendet.

Der Kolben 12 ist in einer in Richtung der Nockenmittelachse 14 verlaufenden, durchgehenden Stufenbohrung 16 des Nockens 1 ge- führt, wobei sich eine Schraubenfeder 18 einerseits an einer nocken- gipfeiseitigen Stufe 20 der Stufenbohrung 16 und andererseits an einer von einer bodenseitigen Kolbenwirkfläche 22 weg weisenden Ringflä- che 24 des Kolbens 12 abstützt, an weicher sich der Kolben 12 im Durchmesser stufenartig erweitert. Der Kolben 12 besteht daher aus einem durchmesserkleineren, in bzw. durch einen nockengipfe ! seitigen Abschnitt 26 der Stufenbohrung 16 ragenden Kopfabschnitt 28 und ei- nem die Wirkfläche 22 enthaltenden, durchmessergrößeren Bodenab- schnitt 30. Die Schraubenfeder 18 ist dann in einem Ringraum 32 zwi- schen dem äußeren Umfang des Kopfabschnitts 28 des Kolbens 12 und dem inneren Umfang des durchmessergrößeren Abschnitts 34 der Stufenbohrung 16 gehalten.

Zwischen der bodenseitigen Wirkfläche 22 des Kolbens 12 und einem in das vom Nockengipfelabschnitt 6 weg weisende Ende des durchmessergrößeren Abschnitts 34 der Stufenbohrung 16 eingesetz- ten Verschlussstück 36 ist eine Druckkammer 38 ausgebildet, welche mit einem mit der Nockenwellenachse 40 koaxialen Schmierölkanal 42 in Verbindung steht, der die Druckkammern 38 der Nocken 1 der No- ckenwelle 2 untereinander verbindet. Das Verschlussstück 36 kann in der Stufenbohrung 16 beispielsweise durch Verschraubung gehalten sein. Eine sich nockengipfeiseitig am Verschiussstück 36 abstützende, jeweils endseitig offene Büchse 44 dient als radial innerer Anschlag für den Kolben 12 bei Druckabfall in der Druckkammer 38, beispielsweise bei Ausfall der Druckmittelversorgung oder bei Stillstand der Brenn- kraftmaschine. In solchen Fällen wird der Kolben 12 durch die Wirkung der Schraubenfeder 18 gegen die Büchse 44 gedrängt und somit in ei- ner definierten Lage gehalten. Um den Zustrom von Schmieröl in die Druckkammer 38 bzw. das Weiterströmen von Schmieröl zur Druck- kammer des nächsten Nockens nicht zu behindern, weist die Büchse 44 in ihrer Umfangswandung mit den Öffnungen des Schmieröikanais 42 fluchtende Durchbrüche auf. Alternativ könnte die Büchse 44 mit dem Verschlussstück 38 ein einstückiges Bauteil bilden. Nach radial außen ist der Bewegungshub des Kolbens 12 durch das zusammenge- presste Windungspaket der Schraubenfeder 18 begrenzt, die sich ge- gen die Stufe 20 abstützt.

Um ein. gunstiges Abwäizverhaiten des Nockengipfelabschnitts 6 auf der Wälzfläche 8 des Tassenstößels 10 zu gewährleisten, ist das nockengipfelseitige. Ende 46 des-Kolbens 12 ballig ausgebildet. In be- vorzugter Weise ist am nockengipfelseitigen Ende 46 des Kolbens 12 eine auf der Wälzfläche 8 des Tassenstößels 12 abrollbar Kugel 48

drehbar gelagert. Hierzu ist am nockengipfeiseitigen Ende 46 des Kot- bens 12 eine dem Radius der Kugel 48 entsprechende sphärische La- gerfläche 50 ausgebildet, deren Rand 52 zum Fassen der Kugel 48 nach radial innen gebördelt ist. Das Lagerfläche 50 der Kugel 48 wird durch das Schmierölsystem der Brennkraftmaschine mit Schmieröl ver- sorgt, wozu der Kolben 12 einen die Lagerfläche 50 der Kugel 48 mit der Druckkammer 38 verbindenden mittigen Kanal. 54 aufweist.

Der Druckaufbau bzw. der Druckabbau in den Druckkammern 38 der mit ein-und ausfahrbaren Kolben 12 versehenen Nocken 1 erfolgt durch eine aus Maßstabsgründen nicht dargestellte Ventilanordnung, welche beispielsweise je ein dem Schmierölkanal 42 der Nockenwelle 2 vorgeordnetes und je ein dem Schmierölkanal 42 nachgeordnetes Schaltventil beinhaltet.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Funktion der erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur variablen Steuerung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine wie folgt dar : Kennlinienabhängig wird mittels der Ventilanordnung von der Motorsteuerung im Schmierölkanal 42 bzw. in den an diesen ange- schlossenen Druckkammern 38 ein Schmieröldruck zur Erzeugung von Druckkräften an den Wirkflächen 22 der Kolben 12 eingestellt, welche im Kräftegleichgewicht mit den Federkräften der Schraubenfedern 18 eine bestimmte gemeinsame radiale Position der Kolben 12 in Bezug zu den zugeordneten Nocken 1 hervorrufen. Die sich-einstellende radi- ale Position der Kolben 12 entspricht dabei den gewünschten Ventilhü-- ben, Ventilöffnungszeiten und Ventilöffnungsgeschwindigkeiten. Zur stufenlosen Verstellung dieser Parameter wird lediglich der Schmieröl- druck in den Druckkammern 38 entsprechend angepasst,. so dass sich eine neue radiale Lage der Kolben 12 einstellen kann.

Gemäß der vorangehend beschriebenen bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung werden zur Einstellung der radialen Lage der Kolben 12 einseitig wirkende Federmittel 18 verwendet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform könnten auf die Kolben 12 jedoch auch beidseitig Federmittel und zusätzlich einseitig das Druckmittel wirken.

Als weitere Variante könnten zumindest einige der Kolben als Differen- tialkolben ausgeführt sein, welche beidseitig mit Druckmittel beauf- schlagt sind. Hierbei können auch zusätzlich Federmittel vorgesehen sein, welche in einer oder beiden Bewegungsrichtungen der Kolben un- terstützend wirken sowie diese bei Ausfall der Druckmittelversorgung in eine definierte Lage drängen und sie dort halten.