Hintergrund der Erfindung Ottomotoren arbeiten überwiegend mit quantitativer Laststeuerung, das heißt, mit lastabhängiger Änderung der Gemischmenge. Diese wird durch unter- schiedliche Drosselung des Gemischstroms variiert. Dazu dient in der Regel eine in der Ansaugleitung angeordnete Drosselklappe.

Ein Nachteil der Drosselregelung ist der Drosselverlust, der mit abnehmendem Droselquerschnitt, das heißt, mit sinkender Last, ansteigt. Dieser Verlust kann durch eine drosselfreie Laststeuerung vermieden werden.

Dazu wird die Drosselklappe mit ihrem variierbaren Drosselquerschnitt durch Ein- lassventile mit variablem Hub und entsprechend gesteuertem Zeitquerschnitt er- setzt. Ein großer Ventilhub entspricht einer hohen, ein kleiner einer niedrigen Last.

Der kleine Venti ! hub bei Niedrigiast bewirkt, dass der Öffnungswinkel des Ein- jaßventiis dann nur einen Bruchteil des bei Vollast üblichen ausmacht. Dadurch bildet sich während des Einlasstaktes ein hoher Unterdruck im Zylinder, der im

darauf folgenden Kompressionstakt verlustfrei ausgeglichen wird. Während der Öffnungsdauer des Einlaßventils herrscht auf Grund dieses hohen Unterdrucks im Ventilsitzbereich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und als Folge davon eine stark turbulente Strömung im Zylinder. Dadurch wird die Gemischaufberei- tung insbesondere bei ottomotorischer Direkteinspritzung deutlich verbessert.

Das führt zu einer Senkung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas und zu einem raschen Brennende des Gemisches. Beides erhöht den Wir- kungsgrad des Motors.

Bei höheren Lasten kann die Ladungsbewegung durch ein späteres Öffnen des Einlassventils wegen des dann herrschenden höheren Unterdrucks ebenfalls intensiviert werden. Die dadurch bedingte hohe Brenngeschwindigkeit bewirkt auch bei höheren Lasten trotz späteren Brennbeginns ein rechtzeitiges Bren- nende. Dadurch ergeben sich ein niedrigerer Spitzendruck, geringere Klopfnei- gung und geringere Stickoxydbildung, ohne Verbrauchsnachteile in Kauf neh- men zu müssen.

Die dazu erforderliche Verschiebung der Öffnungs-und Schließzeiten der Ein- lass-und gegebenenfalls der Auslassventile lassen sich durch bekannte im Antriebsstrang zwischen Kurbel-und Nocl<enwelle angeordnete Phasensteller verwirklichen.

Das gleiche gilt für den Teillastbetrieb, wenn z. B. bei den dort vorliegenden kleinen Offnungswinkeln eine Totpunktüberschneidung (z. B. für interne Abgas- rückführung) angestrebt wird.

Die Ventillhubverstellung kann mit Hilfe eines Raumnockens in Verbindung mit einer axial verschiebbaren Nockenwelle erfolgen. Ein so ausgebildeter dreidi- mensionaler Nocken, auf dem die Hubinformation abgelegt ist, ermöglicht in Verbindung mit einem entsprechend gestaltenden Abgriffselement einen Li- nienkontakt. Dadurch wird die Flächenpressung zwischen Raumnocken und Abgriffselement auf ein tolerable Maß reduziert.

Bei der Auslegung des Raumnockens kann auch eine Änderung der Phasenla- ge berücksichtigt werden. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass die Variation von Ventilhub und Phasenlage nicht unabhängig voneinander möglich ist und, dass nur eine Punktberührung zwischen der Raumnockenkontur und dem Ab- griffselement möglich ist. Außerdem ergeben sich bei gekoppelter Phasen-und Axialverstellung in niedrigen Drehzahlbereichen bei vorgegebenen Drehmo- ment thermodynamisch ungünstige Verhältnisse.

Diese Nachteile werden bei einer unabhängigen Verstellung der Phasen-und Axiallage der Raumnocken vermieden. Außerdem ist dadurch eine bessere Anpassung des Ventiltriebs an den jeweiligen Motortyp möglich.

Ein weiterer Vorteil von getrennten Phasen-und Axialstellern ist die Möglich- keit, die Höhe des Drehmomentmaximums und dessen Lage im nutzbaren Drehzahlbereich zu beeinflussen.

In der DE 100 20 119 A1 ist eine Vorrichtung zur unabhängigen Verstellung der Phasen-und der Axiallage der Raumnocken der Nockenwelle eines Verbren- nungsmotors offenbart, die hydraulisch betrieben wird. Hydraulische Systeme hängen vom Öldruck des Verbrennungsmotors ab, der aber nur bei laufendem Motor zur Verfügung steht. Er baut sich nach dem Motorstart allmählich auf und hängt von der Öltemperatur bzw. Ölviskosität sowie von der Motordrehzahl ab.

Dadurch werden Motorstart, Lastannahme und Versteiigeschwindigkeit sowie die Einstellgenauigkeit der Last generell ungünstig beeinflusst.

Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verstellung der Phasen-und Axiallage von Raumnocken der Nockenwelle eines Verbren- nungsmotors zu schaffen, die in dessen gesamten Betriebsbereich eine für drosselfreie Laststeuerung erforderliche, hohe Einstellgeschwindigkeit und <BR> <BR> <BR> <BR> Einsteitgenauigkeit der Raumnocken mit möglichst geringem Bauaufwand ver- wirklicht.

Zusammenfassung der Erfindung Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein entscheidender Vorteil elektromechanischer Verstellsysteme liegt in ihrer raschen und präzisen Verstellbarkeit, die eine Voraussetzung für eine vom Einlassventilhub abhängige Laststeuerung ist.

Da außerdem im Fahrzeug auch bei stehendem Motor durch den Akkumulator elektrische Energie zur Verfügung steht, kann die Nockenwelle durch elektro- mechanische Verstellsysteme schon vor dem Start beziehungsweise unmittel- bar nach Startbeginn in die optimale Startposition gebracht werden. Dadurch sind ein sicherer Start, rascher Hochlauf und spontane Lastannahme des Verbrennungsmotors gewährleistet. Unter Verzicht auf einige Vorteile der elekt- romechanischen Phasen-und Ventilhubverstellung kann z. B. auch ein vor- handener hydraulischer Phasenversteller genutzt werden oder im Extremfall sogar ganz entfallen, so dass nur ein elel<tromechanischer Axialsteller für die Ventilhubverstellung vorliegt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass jeder der e- lektromechanischen Steller einen hochdrehenden, bürsteniosen Gteichstrom- Verste mit einem vorzugsweise gehäusefesten Stator und einem nach- geschalteten, hochuntersetzenden Verstellgetriebe aufweist.

Der hochdrehende Verstellmotor benötigt wenig Platz und belastet das Strom- netz nur geringfügig. Die bürstenlose Ausführung ist weitgehend verschleißfrei und reibungsarm. Der gehäusefeste Stator zeichnet sich durch einfache Strom- zuführung aus. Die hochuntersetzenden Verste ! ! getriebe können mehr oder weniger selbsthemmend oder durch Wälzlagerung reibungsarm ausgeführt werden. Selbsthemmung erleichtert die Einhaltung der Regelstellung der No-

ckenwelle, geringe Reibung erhöht die Versteligeschwindigkeit der Nockenwei- le und den Wirkungsgrad des Stellers.

Die Vielzahl geeigneter Verstellgetriebe wie z. B. Einfach-oder Doppelinnen- exzentergetriebe, Taumel-, Wolfrom-, Harmonicdrive-, Kegelrad-und Schnek- kengetriebe erleichtert die Anpassung der Steller an unterschiedliche Einbauverhältnisse des Motors.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Verstellvorrichtung besteht darin, dass der Phasensteller am Antriebsende und der Axialsteller am freien Ende der No- ckenwelle angeordnet sind.

Die getrennte Anordnung der Steller an beiden Nockenwellenenden bietet bau- liche Vorteile und die Möglichkeit den Axialsteller nachzurüsten und damit den Verbrennungsmotor nachträglich auf drosselfreien Betrieb umzustellen. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, falls ein Nockenwellenende schon an- derweitig besetzt ist, beide Steller an einem Nockenwellenende anzubringen.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass das am freien Ende der Nockenwelle angeordnete Verste ! ! getriebe des Axialstellers als Schneckenradgetriebe mit nachgeschalteter Gewindespindel ausgebildet ist und dass die Verstellmotorwelle senkrecht zur Nockenwelle steht.

Die senkrecht zur Nockenwelle stehende Verstellmotorwelle ergibt eine geringe Baulänge des Axiaisteiiers. Anstelle des Schneckenradgetriebes kann auch ein solches mit Kegel- oder Kronenräder eingesetzt werden. Die Verzahnung mit Kegelräder kann als Spiralverzahnung ohne Achsversatz oder als Hypoidver- zahnung mit Achsversatz ausgeführt werden. Es ist auch möglich, diese Rad- getriebestufen durch ein Riemenradgetriebe oder durch ein Kardanwellenge- triebe oder ähnliches zu ersetzen. Dabei muss zum Konstanthalten der Ge- samtübersetzung die Übersetzung der Gewindespindel angepasst werden.

Es ist vorteilhaft, wenn das Verstellgetriebe des Axialstellers eine Gesamtüber- setzung von 1 : 15 bis 1 : 150 und die Gewindespindel ein Kugelgewinde und

deren rotatorische Entkopplung von der Nockenwelle vorzugsweise ein doppel- reihiges Schrägkugellager aufweisen.

Das Verstellgetriebe des Axialstellers kann durch eine Gewindespindel mit Trapezgewinde selbsthemmend ausgeführt werden, wodurch die Fixierung von Regellagen der Nockenwellen erleichtert wird. Durch Verwendung eines Ku- gelgewindes oder eines Transroligewindes kann die Reibung und damit die Selbsthemmung der Gewindespindel verringert werden.

Zur Reibungsminderung dient auch das doppelreihige Schrägkugellager, das zur rotatorischen Entkopplung der Gewindespindel von der Nockenwelle dient.

Auf die Gewindespindel wirken dann noch die axiale Verstellkraft und die aus den Raumnocken resultierenden Axialkräfte.

Als Schiebeführung der Nockenwelle im Zylinderkopf dienen die Nockenwel- lengleitlager. Auch hier können zur Reibungsminderung Wälzlager in Loslage- rung eingesetzt werden.

Als Variante des Axialstellers sind jegliche Art elektromechanischer Phasen- steller denkbar, deren rotatorische Abtriebsbewegung durch eine nachgeschal- tete Schrägverzahnung in eine translatorische gewandelt wird.

Eine Reduzierung der axialen Reibung des Axialstellers wird dadurch erreicht, daß zwischen dem Phasensteller bzw. dessen Bauteil und der axia ! verschieb- baren Nockenwelle eine Schiebeführung vorgesehen ist, die als Vielkeilwellen- kupplung oder als Kugellagerkupplung ausgebildet ist.

Bei getrennter Anordnung von Phasen-und Axialsteller ist eine Entkopplung der Axialbewegung der Nockenwelle vom Phasensteller erforderlich. Die dazu notwendige Schiebeführung muss das Nockenwellendrehmoment übertragen.

Dazu eignet sich z. B. eine spielarm Vielkeilwellenkupplung. Deren geringes <BR> <BR> <BR> Spiel wird durch genaue Fertigung oder durch getrennte und gegeneinander verspannbare oder einstellbare Verzahnungen erreicht. Die reibungsminimierte

Kugellagerkupplung, die als Übertragungselement ein Kugellager aufweist, ermöglicht einen leistungsreduzierten und dadurch bauraumsparenden Axial- steller.

Es ist auch denkbar, anstelle der nur kuppelnden Geradverzahnung eine Schrägverzahnung einzusetzen. Dadurch werden Hub-und Phasenverstellung in einem gewissen Verhältnis gekoppelt, was bei gewissen Anwendung zur vorteilhaften Eingrenzung, Erweiterung oder Verschiebung des Winkelverstell- bereichs genutzt werden kann.

Zur Kostenreduzierung ist es vorteilhaft, dass der Phasen-und Axialsteller ein gemeinsames Steuergerät aufweisen. Dadurch können z. B. Elektromagnetbe- schaltung, Mikrokontroller und Kommunikationsbausteine gemeinsam genutzt werden.

Zur Regelung des Ventilhubs ist die Erfassung der axialen Lage der Nocken- welle erforderlich. Dazu können eigene Sensoren oder, bei Verwendung bürs- tenloser Gleichstrommotoren die Signale der Hallsensoren des Verstellmotors des Axialstellers verwendet werden. Durch Auswertung der Anzahl und Rich- tung der Kommutierungssignale ist bei Kenntnis der Lage eines mechanischen Endanschlags (gleich Zählbeginn) die Ermittlung der axialen Lage der No- ckenwelle unter Berücksichtigung des Wertes der Gesamtübersetzung einfach zu berechnen. In gleicher Weise kann die Phasenlage der Nockenwelle durch einen eigenen Sensor oder durch die Signale der Halisensoren des Verstehmo- tors des Phasenstellers folgen.

Ourse Beschreibung der Zeichnungen Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Dabei zeigen :

Figur 1 einen Ventiltrieb mit Ventilhubverstellung mittels Raumnockens einer axial verschiebbare Nockenwelle in Niedriglaststellung ; Figur 1 a den Ventiltrieb nach Figur 1, jedoch in Volllaststellung ; Figur 2 einen schematisch dargestellten Phasensteller mit gehäusefes- tem Stator des elektrischen Verstellmotors ; Figur 3 einen schematisch dargestellten Phasensteller, dessen elektri- scher Verstellmotor komplett mitrotiert ; Figur 4 einen schematisch dargestellten Phasensteller, der mit einem Axialsteller über eine rotatorische Entkopplung verbunden ist und dessen Verstellmotor einen gehäusefesten Stator aufweist ; Figur 5 einen schematisch dargestellten Axialsteller, der über eine ro- tatorische Entkopplung mit der Nockenwelle verbunden ist, und dessen Verstellmotor einen gehäusefesten Stator aufweist ; Figur 6 einen Schnitt durch den Stellmotor und den Schneckentrieb ei- nes Axialstellers ; Figur 7 einen Schnitt B-B durch einen Spindeltrieb des Axialstellers von Figur 6 in Niedriglaststellung ; Figur 7a den Schnitt B-B von Figur 7 in Volllaststellung ; Figur 8 eine Axialentkopplung zwischen einem Phasensteller und einer axial verschiebbaren Nockenwelle in Gestalt einer Vielkeilwel- lenkupplung ; Figur 9 eine Axialentkopplung ähnlich Figur 8, jedoch mit einer Kugel- lager-Wellenkupplung

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen In Figur 1 ist ein Ventiltrieb 1 mit Ventilhubverstellung über Raumnocken 2 ei- ner axial verschiebbaren Nockenwelle 3 dargestellt. Die Nockenwelle 3 befin- det sich im Niedrighubbereich des Raumnockens 2 und damit im Niedriglastbe- reich des Verbrennungsmotors.

Der Raumnocken 2 steht im Kontakt mit einem Abgriffselement 4, das eine e- bene Kontaktfläche 5 für den Raumnocken 2 und eine halbkugelförmige Lager- fläche 6 für ein Zwischenelement 7 eines Ventilstößels 8 aufweist. Dieser steht in Druckverbindung mit einem Einlaßventil 9, das in einer Führung 10 geführt und durch eine Ventilfeder 11 auf ihren Ventilsitz 12 in den Zylinderkopf 13 pressbar ist.

Die Figur 1a zeigt den Ventiltrieb 1 der Figur 1 mit der in den Vollhubbereich des Raumnockens 2 verschobenen Nockenwelle 3. Der Vollhubbereich des Raumnockens 2 entspricht der Vollast des Verbrennungsmotors, der Niedrig- hubbereich der Teillast desselben.

In Figur 2 ist das Schema eines Phasenstellers 43 dargestellt, mit einem No- ckenwellenantriebsrad 14, das ein Verstellgetriebe 15 antreibt. Das Verstellge- triebe 15 ist mit der Nockenwelle 3 und einer Verstellwelle 16 verbunden. Die <BR> Verstellwelle 16 wird von einem Rotor 17 eines Verstellmotors 18 angetrieben, dessen Stator 19 mit dem Gehäuse 20 fest verbunden ist.

Im Gegensatz zu Figur 2 zeigt Figur 3 das Schema eines Phasenstellers 43' mit einem Verstellmotor 18', der als Ganzes mit dem Stator 19'und dem Rotor 17'rotiert. Der Verstellmotor 18 hat gegenüber dem Verstellmotor 18'den Vor- teil einer problemlosen Stromzuführung zum gehäusefesten Stator 19.

Als Verstellgetriebe 15, 15'der Phasensteller 43, 43'kommen vorzugsweise Einfach-oder Doppelinnenezentergetriebe sowie Taumel-, Wolfrom-, Plane- ten-oder Harmonicdrivegetriebe in Frage.

In Figur 4 ist das Schema eines Phasenstellers 43"dargestellt, der aus einem Axialsteller 21 mit Verstellmotor 18 und einem Bewegungswandler 22 besteht, die über eine rotatorische Entkopplung 23 verbunden sind. Bei dem Bewe- gungswandler 22 kann es sich um den Mechanismus einer Schrägverzahnung handeln. Umgekehrt ist es auch möglich für einen Axialsteller jegliche Bauform eines elektromechanischen Phasenstellers 43,43'zu benutzen, bei dem die rotatorische Abtriebsbewegung über den Mechanismus der Schrägverzahnung in eine axiale Verstellbewegung verwandelt wird.

Figur 5 zeigt das Schema eines elektromechanischen Axialstellers 21 der über eine rotatorische Entkopplung 23 mit der Nockenwelle 3 verbunden ist. Der Axialsteller 21, der einen Verstellmotor 18 aufweist, kann am freien Ende der Nockenwelle 3 separat oder am Antriebsende derselben in Baueinheit mit dem Phasensteller 43 angeordnet sein.

In Figur 6 ist ein Querschnitt durch den Verstellmotor 18 und durch ein Schnek- kengetriebe 24 eines Axialstellers 21 dargestellt. Der Verstellmotor 18 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor. Er weist eine Verstellmotorwelle 25 auf, die in einem als Festlager ausgebildeten Rillenkugellager 26 und in einem als Losla- ger ausgebildeten Nadellager 27 gelagert ist. Mit der Verstellmotorwelle 25 sind der Rotor 17 und ein Schneckenritzel 28 fest verbunden. Der Stator 19 ist im Gehäuse 20 fest angeordnet. Das Gehäuse 20 wird durch einen Deckel 29 verschlossen. Das Schneckengetriebe 24 weist neben dem Schneckenritze 28 ein Schneckenrad 30 auf, das, wie aus den Figuren 7, 7a hervorgeht, in einem als Festlager ausgebildeten Doppelrillenlager 31 gelagert ist und mit dem Schneckenritzet 28 in Eingriff steht.

Die Figuren 7,7a zeigen den Schnitt B-B der Figur 6 in Niedrig-und Vollast- stellung der Nockenwelle 3. In der Achse des Schneckenrades 30 befindet sich eine Gewindespindel 32, mit einem Trapezgewinde 33, das sich in einem ent- sprechenden Innengewinde des Schneckenrades 30 bei dessen Drehbewe- gung axial bewegt.

Am anderen Ende der Gewindespindel 32 befindet sich ein als Festlager aus- gebildetes, doppelreihiges Schrägkugellager 34. Dieses ist in einem Sackloch 35 der Nockenwelle 3 angeordnet und dient zur Übertragung der axialen Ver- stellkräfte desselben und als rotatorischen Entkopplung der Nockenwelle 3 von der Gewindespindel 32.

In der Gewindespindel 32 befindet sich ein Längsschlitz 36 von der Länge der Axialverschiebung der Nockenwelle 3. In diesem ist ein Führungsstift 37 mit Spiel angeordnet, der in nicht dargestellten Bohrungen des Gehäuses 20 steckt. Er verhindert ein Mitdrehen der Gewindespindel 32 und ermöglicht so deren axiale Bewegung.

Die Nockenwelle 3 ist in Gleitlagern 38 des Zylinderkopfes 13 gelagert, der vorzugsweise in Aluminiumdruckguss gefertigt ist, das gute Lagereigenschaf- ten aufweist.

In den Figuren 8 und 9 sind das Antriebsende der Nockenwelle 3 mit den Raumnocken 2 dargestellt. Dabei werden das Antriebsrad und der Phasenstel- ler nur durch ein Bauteil 39 angedeutet. Dieses ist an einem als Festlager aus- gebildeten Gleitlager 38 im Zylinderkopf 13 gelagert.

Die Bauteile 39 sind über Schiebeführungen 40,41 mit der Nockenwelle 3 drehspielfrei verbunden und azial entkoppelt. Die Schiebeführung 40 basiert auf einer Vietkeitwehenkupptung 44, die Schiebeführung 41 arbeitet mit einem Kugellager 42 und ist deshalb besonders reibungsarm.

Der erfindungsgemäße hialsteller 21 funktioniert folgendermaßen : Bei der Lastvariation über die Ventilhubverstellung mittels Raumnockens 2 muss die Nockenwelle 3 axial verschoben werden. Dazu dient der elektrome- chanische Axiatsteher 21. Dessen hochdrehender bürstenloser Verstellmotor 18 treibt über das Schneckenritzet 28 das Schneckenrad 30 an. Die in diesem befindliche Gewindespindel 32 wird, da sie durch denn Führungsstift 37 an

einer Drehung gehindert wird, durch die Drehung des Schneckenrades 30 aus demselben heraus-bzw. in dasselbe hineingeschraubt. Diese Axialbewegung der Gewindespindel 32 wird über das doppelreihige Schrägkugellager 34 auf die Nockenwelle 3 übertragen, die sich dank der Schiebeführungen gegenüber dem feststehenden Phasensteller axial verschieben lässt.

Bezugszahlenliste 1 Ventilhub 32 Gewindespindel 2 Raumnocken 33 Trapezgewinde 3 Nockenwelle 34 Schrägkugellager 4 Abgriffselement 35 Sackloch 5 Kontaktfläche 36 Längsschlitz 6 Lagerfläche 37 Führungsstift 7 Zwischenelement 38 Gleitlager Ventilstößel 39 Bauteil 9 Einlaßventil 40 Schiebeführung 10 Führung 41 Schiebeführung 11 Ventilfeder 42 Kugellager-Wellenkupplung 12 Ventilsitz 43,43', 43"Phasensteller 13 Zylinderkopf 44 Vielkeilwellenkupplung 14 Nockenwellenantriebsrad 15 Verstellgetriebe 16 Verstellwelle 17, 17'Rotor 18, 18'Verstellmotor 19, 19'Stator Gehäuse <BR> <BR> 2acialsteller<BR> 21 Axialsteller 22 Bewegungswandler 23 Rotatorische Entkopplung 24 Schneckengetriebe 25 Verstellmotorwelle 26 Rillenkugellager 27 Nadellager 28 Schneckenritzel 29 Deckel 30 Schneckenrad 31 Doppelrillenlager