Kinematik des vollvariablen Ventiltriebs UniValve
Inverse Berechnung der Kurvengeometrien und kinematische Simulation
©2005
Diplomarbeit
125 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Ein Hauptziel bei der Entwicklung von modernen Fahrzeugmotoren ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Zur Erreichung dieser Zielsetzung existieren bei Ottomotoren verschiedene technische Lösungsansätze. Einer dieser Lösungsansätze ist die drosselfreie Laststeuerung über einen vollvariablen Ventiltrieb. Eine drosselfreie Laststeuerung zielt darauf ab, den Verbrauch durch die Absenkung der Ladungswechselverluste in der Teillast zu verringern. Der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der Universität Kaiserslautern entwickelt den mechanisch vollvariablen Ventiltrieb UniValve. Dieser hat folgende Eigenschaften: Der Ventilhub ist stufenlos einstellbar bis hin zum Nullhub und mit abnehmendem Ventilhub wird der Ventilöffnungswinkel geringer. Mit einem UniValve-Ventiltrieb kann daher eine drosselfreie Laststeuerung nach dem Prinzip des frühen Einlassschließens verwirklicht werden. Bei diesem Prinzip wird die für einen Lastpunkt erforderliche Gemischmenge durch die Wahl der Ventilöffnungszeit eingestellt.
Ventiltriebe von Ottomotoren sind im Sinne der Getriebelehre ebene Kurvengetriebe. Kurvengetriebe haben die Eigenschaft, dass eine vorgegebene Bewegung des Abtriebsglieds durch Auslegung bzw. Berechnung der Kontur des Kurvenglieds quasi zwangsläufig erzeugt werden kann. In herkömmlichen Ventiltrieben z.B. Tassenstößel-, Schlepphebel- oder Kipphebeltrieben mit konstantem max. Ventilhub ist der Nocken das Kurvenglied, dessen Kontur die Bewegung des Ventils - des Abtriebsglieds - bestimmt. Dabei wird das Bewegungsgesetz, das die die Relativlage des Ventils zum Nocken beschreibt, als Ventilhubverlauf bezeichnet. Durch die Wahl bzw. Konstruktion eines geeigneten Ventilhubverlaufs können die dynamischen Eigenschaften des Ventiltriebs und der motorische Prozess gezielt beeinflusst werden. Deshalb existieren für herkömmliche Ventiltriebe Software-Pakete, z.B. Camshaft Design System - kurz CDS - mit denen der Ventilhubverlauf modelliert werden kann und die dann aus dem Ventilhubverlauf und der Geometrie des Ventiltriebs invers kinematisch die Nockenkontur berechnen, die die vorgegebene Ventilbewegung erzeugt.
In einem vollvariablen UniValve-Ventiltrieb arbeiten zwei Kurvengliedern - Nocken und Stellhebel. Für die Berechnung der Nockenkurve und der Arbeitskurve des Stellhebels ist es daher erforderlich, zwei Bewegungsgesetze vorzugeben - den Ventilhubverlauf bei Vollhub und eine zweite Übertragungsfunktion, die die Bewegung […]
Ein Hauptziel bei der Entwicklung von modernen Fahrzeugmotoren ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Zur Erreichung dieser Zielsetzung existieren bei Ottomotoren verschiedene technische Lösungsansätze. Einer dieser Lösungsansätze ist die drosselfreie Laststeuerung über einen vollvariablen Ventiltrieb. Eine drosselfreie Laststeuerung zielt darauf ab, den Verbrauch durch die Absenkung der Ladungswechselverluste in der Teillast zu verringern. Der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der Universität Kaiserslautern entwickelt den mechanisch vollvariablen Ventiltrieb UniValve. Dieser hat folgende Eigenschaften: Der Ventilhub ist stufenlos einstellbar bis hin zum Nullhub und mit abnehmendem Ventilhub wird der Ventilöffnungswinkel geringer. Mit einem UniValve-Ventiltrieb kann daher eine drosselfreie Laststeuerung nach dem Prinzip des frühen Einlassschließens verwirklicht werden. Bei diesem Prinzip wird die für einen Lastpunkt erforderliche Gemischmenge durch die Wahl der Ventilöffnungszeit eingestellt.
Ventiltriebe von Ottomotoren sind im Sinne der Getriebelehre ebene Kurvengetriebe. Kurvengetriebe haben die Eigenschaft, dass eine vorgegebene Bewegung des Abtriebsglieds durch Auslegung bzw. Berechnung der Kontur des Kurvenglieds quasi zwangsläufig erzeugt werden kann. In herkömmlichen Ventiltrieben z.B. Tassenstößel-, Schlepphebel- oder Kipphebeltrieben mit konstantem max. Ventilhub ist der Nocken das Kurvenglied, dessen Kontur die Bewegung des Ventils - des Abtriebsglieds - bestimmt. Dabei wird das Bewegungsgesetz, das die die Relativlage des Ventils zum Nocken beschreibt, als Ventilhubverlauf bezeichnet. Durch die Wahl bzw. Konstruktion eines geeigneten Ventilhubverlaufs können die dynamischen Eigenschaften des Ventiltriebs und der motorische Prozess gezielt beeinflusst werden. Deshalb existieren für herkömmliche Ventiltriebe Software-Pakete, z.B. Camshaft Design System - kurz CDS - mit denen der Ventilhubverlauf modelliert werden kann und die dann aus dem Ventilhubverlauf und der Geometrie des Ventiltriebs invers kinematisch die Nockenkontur berechnen, die die vorgegebene Ventilbewegung erzeugt.
In einem vollvariablen UniValve-Ventiltrieb arbeiten zwei Kurvengliedern - Nocken und Stellhebel. Für die Berechnung der Nockenkurve und der Arbeitskurve des Stellhebels ist es daher erforderlich, zwei Bewegungsgesetze vorzugeben - den Ventilhubverlauf bei Vollhub und eine zweite Übertragungsfunktion, die die Bewegung […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Michael Scherer
Kinematik des vollvariablen Ventiltriebs UniValve - Inverse Berechnung der
Kurvengeometrien und kinematische Simulation
ISBN: 978-3-8366-0460-4
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2007
Zugl. Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, Deutschland, Diplomarbeit,
2005
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http://www.diplom.de, Hamburg 2007
Printed in Germany
Inhaltverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
... 1
2 Das
UniValve-System
... 3
2.
1
Aufbau und Funktionsweise... 3
2.
2
Ziel des Einsatzes einer vollvariablen Ventilsteuerung ... 8
3 Grundlagen
... 11
3.
1
Koordinatensysteme und geometrische Parameter ... 13
3.
1.1 Koordinatensysteme... 13
3.
1.2 Geometrische
Parameter ... 14
3.
2
Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz ... 21
3.
2.1
Anforderungen an Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz... 22
3.
2.2
Einlesen von Schwenkgesetz und Ventilhubverlauf ... 23
3.
2.3 Erweitertes
Schwenkgesetzes... 33
3.
2.4
Synchronisation von Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz... 33
3.
3 Wichtige
Übertragungsfunktionen ... 35
3.
3.1 Schlepphebelwinkel ... 35
3.
3.2 Nockenrollenwinkel ... 37
3.
3.3 Stellhebelwinkel... 40
3.
4 Nockensynthese... 45
3.
4.1
Relative Rollenmittenbahn des Nockens... 45
3.
4.2 Nockenkurve ... 48
3.
5 Arbeitskurvensynthese... 50
3.
5.1
Relative Rollenmittenbahn der Arbeitskurve... 51
3.
5.2
Arbeitskurve des Stellhebels ... 53
3.
5.3
Nullhubradius der Arbeitskurve ... 57
3.
6
Simulation der Kinematik ... 58
3.
6.1
Ablauf der Berechnung ... 59
3.
6.2
Darstellung der Nocken- und Arbeitskurve mit Hilfe von Splines ... 60
3.
6.3
Berechnung des Kontakts zwischen Nocken und Nockenrolle... 63
3.
6.4
Berechnung des Kontakts zwischen Arbeitskurve und Schlepphebelrolle ... 68
3.
6.5
Vergleich von Auslegung und Simulation ... 72
4 Zusammenfassung
... 76
Inhaltverzeichnis
II
Anhang
... 78
A.1 Bedienungsanleitung:
UniValve
Nocken- und Arbeitskurvensynthese... 78
A.1.1 Installation
und
Programmstart...
78
A.1.2
UniValve Ventilhub einlesen... 81
A.1.3
UniValve Schwenkgesetz einlesen... 85
A.1.4 UniValve
Ventiltriebs-Geometrie einlesen... 86
A.1.5 UniValve
Nockensynthese...
89
A.1.6 UniValve
Arbeitskurvensynthese...
93
A.1.7
UniValve kinemtische Simulation... 98
A.2 Funktionsübersicht... .108
Literaturverzeichnis
... .116
Formelzeichen
III
Formelzeichen
Formelzeichen
P
x
x-Koordinate eines Punktes P im (x, y)-System
P
y
y-Koordinate eines Punktes P im (x, y)-System
P
r
Ortsvektor eines Punktes P im (x, y)-System
N
P
x
x-Koordinate eines Punktes P im (x
N
,
y
N
)-System
N
P
y
y-Koordinate eines Punktes P im (x
N
,
y
N
)-System
N
P
r
Ortsvektor eines Punktes P im (
x
N
,
y
N
)-System
S
P
x
x-Koordinate eines Punktes P im (x
S
,
y
S
)-System
S
P
y
y-Koordinate eines Punktes P im (x
S
,
y
S
)-System
S
P
r
Ortsvektor eines Punktes P im (
x
S
,
y
S
)-System
N
Nockenwinkel
S
Stellhebelwinkel, es gilt:
,
,
, falls eine Exzenterwelle als Verstellelement dient
, falls ein Verstellstein als Verstellelement dient
S EW
S
S VS
=
NR
Nockenrollenwinkel,
es
gilt:
0
const
NR
NR
=
=
, falls die Nockenrolle in Kontakt mit
dem Nockengrundkkreis steht
NW
x
x
-Koordinate der Nockenwellenachse
NW
y
y
-Koordinate der Nockenwellenachse
GK
d
Grundkreisdurchmesser des Nockens
SH
x
x
-Koordinate der Schlepphebelachse
SH
y
y
-Koordinate der Schlepphebelachse
V
l
ventilseitige
Hebellänge des Schlepphebels
R
l
rollenseitige Hebellänge des Schlepphebels
Formelzeichen
IV
ZDH
Winkel zwischen rollen- und ventilseitigem Hebel
SH
Schlepphebelwinkel,
bei
geschlossenem Ventil gilt:
0
const
SH
SH
=
=
SH
r
ventilseitiger Kontaktradius des Schlepphebels
SH
d
Durchmesser der Schlepphebelrolle
NR
d
Durchmesser der Nockenrolle
KR
d
Durchmesser der Kulissenrolle
VR
d
Durchmesser der Verstellrolle
NV
l
direkter Abstand zwischen der Nocken- und Verstellrollenachse
K
r
Radius
der
Kulisse
EW
x
x
-Koordinate der Exzenterwellenachse
EW
y
y
-Koordinate der Exzenterwellenachse
EW
l
Länge des Exzenterhebels
EW
Exzenterwinkel, bei Vollhub gilt:
0
const
EW
EW
=
=
.
EW
d
Durchmesser der Exzenterwelle
VS
Neigungswinkel des Verstellsteins
VS
l
Verstellsteinabstand, bei Vollhub gilt:
0
const
VS
VS
l
l
=
=
NH
r
Nullhubradius
NRB
r
Radius
der
Nockenrollenbahn
(
)
N
h
Ventilhubverlauf
(
)
Sp
N
h
Ventilhub-Spline
(
)
Syn
N
h
(mit dem Schwenkgesetz) synchronisierter Ventilhubverlauf
(
)
N
s
Schwenkgesetz
(
)
Sp
N
s
Schwenkgesetz-Spline
(
)
Ew
N
s
erweiteres Schwenkgesetz
Formelzeichen
V
(
)
N
NR
r
Bahn des Nockenrollenmittelpunkts im (
x, y)-System
(
)
N
N
NR
r
Bahn des Nockenrollenmittelpunkts im (
x
N
,
y
N
)-System = relative Rollen-
mittenbahn des Nocken
(
)
N
N
NR
t
Tangenteneinheitsvektor der relativen Rollenmittenbahn des Nockens
(
)
N
N
NR
n
Normalenvektor der relativen Rollenmittenbahn des Nockens
(
)
N
N
Nocken
r
Parameterdarstellung des Nockens
(
)
N
SR
r
Bahn der Schlepphebelrolle im (
x, y)-System
(
)
N
S
SR
r
Bahn der Schlepphebelrolle im (
x
S
,
y
S
)-System = relative Rollenmittenbahn
der Arbeitskurve
(
)
N
S
SR
t
Tangenteneinheitsvektor der relativen Rollenmittenbahn der Arbeitskurve
(
)
N
S
SR
n
Normalenvektor der relativen Rollenmittenbahn der Arbeitskurve
(
)
N
S
Arbeitskurve
r
Parameterdarstellung der Arbeitskurve
1 Einleitung
1
1
Einleitung
Ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung von modernen Fahrzeugmotoren ist, den
Kraftstoffverbrauch der Motoren zu reduzieren, um die CO
2
-Emissionen zu vermindern und
die nur begrenzt vorhandenen Erdölreserven zu schonen. Zur Erreichung dieser Zielsetzung
existieren bei Ottomotoren verschiedene technische Lösungsansätze. Einer dieser
Lösungsansätze ist die drosselfreie Laststeuerung über einen vollvariablen Ventiltrieb. Eine
drosselfreie Laststeuerung zielt darauf ab, den Verbrauch durch die Absenkung der
Ladungswechselverluste in der Teillast zu verringern. Der Lehrstuhl für Verbrennungs-
kraftmaschinen der Universität Kaiserslautern entwickelt den mechanisch vollvariablen
Ventiltrieb UniValve, der folgende Eigenschaften hat: Der Ventilhub ist stufenlos einstellbar
bis hin zum Nullhub und mit abnehmendem Ventilhub wird auch der Ventilöffnungswinkel
geringer. Mit einem UniValve-Ventiltrieb kann daher eine drosselfreie Laststeuerung nach
dem Prinzip des frühen Einlassschließens verwirklicht werden. Bei diesem Prinzip wird die
für einen Lastpunkt erforderliche Gemischmenge durch die Wahl der Ventilöffnungszeit
eingestellt.
Ventiltriebe von Ottomotoren sind im Sinne der Getriebelehre ebene Kurvengetriebe.
Kurvengetriebe haben die Eigenschaft, dass eine vorgegebene Bewegung des Abtriebsglieds
durch Auslegung bzw. Berechnung der Kontur des Kurvenglieds quasi zwangsläufig erzeugt
werden kann. In herkömmlichen Ventiltrieben z.B. Tassenstößel-, Schlepphebel- oder
Kipphebeltrieben mit konstantem max. Ventilhub ist der Nocken das Kurvenglied, dessen
Kontur die Bewegung des Ventils - des Abtriebsglieds - bestimmt. Dabei wird das
Bewegungsgesetz, das die die Relativlage des Ventils zum Nocken beschreibt, als
Ventilhubverlauf bezeichnet. Durch die Wahl bzw. Konstruktion eines geeigneten
Ventilhubverlaufs können die dynamischen Eigenschaften des Ventiltriebs und der
motorische Prozess gezielt beeinflusst werden. Deshalb existieren für herkömmliche
Ventiltriebe Software-Pakete, z.B. Camshaft Design System - kurz CDS - mit denen der
Ventilhubverlauf modelliert werden kann und die dann aus dem Ventilhubverlauf und der
Geometrie des Ventiltriebs invers kinematisch die Nockenkontur berechnen, die die
vorgegebene Ventilbewegung erzeugt.
In einem vollvariablen UniValve-Ventiltrieb arbeiten zwei Kurvengliedern - Nocken und
Stellhebel. Für die Berechnung der Nockenkurve und der Arbeitskurve des Stellhebels ist es
daher erforderlich, zwei Bewegungsgesetze - den Ventilhubverlauf bei Vollhub und eine
1 Einleitung
2
zweite Übertragungsfunktion, die die Bewegung des Stellhebels bestimmt und hier als
Schwenkgesetz bezeichnet wird - vorzugeben. Bisher gab es keine speziell für UniValve
konzipierte Software mit der die Berechnung der Kurven des UniValve-Ventiltriebs schnell
und unkompliziert möglich gewesen wäre. Ziel dieser Studienarbeit ist es daher:
·
Zunächst die für Berechnung der Nocken und- Arbeitskurve eines UniValve-
Ventiltriebs erforderlichen theoretischen Grundlagen zu erarbeiten,
·
und diese Grundlagen dann in ein MATLAB-Programm zu implementieren.
Das MATLAB-Programm soll Folgendes ermöglichen:
·
Das Einlesen eines mit CDS erzeugten Ventilhubverlaufs und Schwenkgesetzes,
·
die Angabe der geometrischen Parameter, die den Ventiltrieb beschreiben,
·
die Berechnung einer Punktwolke der Nocken- und Arbeitskurve, die in das CAD-
System Pro/ENGINEER importiert werden kann und
·
die Berechnung der Ventilbewegung in den Teilhüben.
2 Das UniValve-System
3
2
Das UniValve-System
2.1
Aufbau und Funktionsweise
Ein UniValve-System ist ein mechanisch vollvariabler Ventiltrieb, der wie die BMW-
Valvetronic oder das System der FEV auf einem Rollenschlepphebeltrieb basiert. In Abb. 1
ist das CAD-Modell eines UniValve-Systems dargestellt.
Abb. 1: 3D-CAD-Modell eines UniValve- Systems
Die Ventile (1) des gezeigten Systems werden von Rollenschlepphebeln (2) ausgelenkt, die
auf HVA-Elementen (3) gelagert werden. Dabei führen die Rollenschlepphebel eine rein
rotatorische Bewegung aus - sie kippen um die Mittelpunkte der HVA-Kalotten. Bei einem
normalen Schlepphebeltrieb würden die Schlepphebel direkt von zwei Nocken betätigt
werden. Beim UniValve-System wird jeder Schlepphebel von der Arbeitskurve (4) eines
Stellhebels (5) betätigt. Zwei Stellhebel, die über eine gemeinsame Achse (6) miteinander
verbunden sind, bilden einen Doppelhebel (Abb. 2).
Exzenterwelle (13)
Rollenschlepphebel (2)
Ventil (1)
HVA-Element (3)
Kulissenrolle (8)
Schenkelfeder (14)
Nockenrolle (7)
Haltefeder (16)
Stellhebel (5)
Nocken (9)
Führungskulisse (11)
Arbeitskurve (4)
2 Das UniValve-System
4
Abb. 2: CAD-Modell eines Doppelhebels
Auf der Verbindungsachse des Doppelhebels werden 2 Nockenrollen (7) und eine
Kulissenrolle (8) gelagert. Die Nockenrollen werden von 2 Nocken (9) betätigt. Dabei bewegt
sich die Verbindungsachse des Doppelhebels samt Rollen auf einer Kreisbahn, da die
Kulissenrolle (10), die zwischen den 2 Nockenrollen angeordnet ist, in einer Führungskulisse
(11) mit einem Kreisprofil geführt wird. Jeder Stellhebel eines Doppelhebels ist zusätzlich mit
einer Verstellrolle (12) ausgestattet, die sich gegen eine Exzenterwelle (13) mit einer
Kreiskontur abstützt.
Wenn die Nockenrollen ausgelenkt werden, kippen die Stellhebel des Doppelhebels um die
Verstellrollen, die dabei eine geringe translatorische Bewegung entlang der Kreiskontur des
Exzenters ausführen. Während des Kippens betätigen die Arbeitskurven der beiden Stellhebel
die Schlepphebelrollen. Wenn die beiden Exzenter nicht gegeneinander verdreht sind,
bewegen sich die Stellhebel des Doppelhebels und damit auch die beiden Schlepphebel und
Ventile synchron. Die Exzenterwelle ist das Verstellelement des Ventiltriebs, d.h. durch
Drehen der Exzenterwelle kann der Ventilhub stufenlos bis hin zum Nullhub variiert werden.
Statt einer Exzenterwelle kann auch ein linear bewegter Verstellstein mit einer ebenen
Kontaktfläche als Verstellelement bzw. Abstützelement für die Verstellrolle verwendet
werden.
Bei dem in Abb. 1 dargestellten UniValve-System wird der Kontakt zwischen den
Ventiltriebbauteilen in jedem Betriebszustand kraftschlüssig durch 3 Federn hergestellt:
·
Die Ventilfedern drücken die Schlepphebel an die Arbeitskurven des Doppelhebels.
Nockenrolle (7)
Verstellrolle (12)
Kulissenrolle (8)
Federgleitrollen (15)
Stellhebel (5)
Arbeitskurve (4)
Verbindungsachse(6)
Federhalter (17)
2 Das UniValve-System
5
·
Die Schenkelfeder (14) gewährleistet den Kontakt von Nocken und Nockenrollen. Sie
wird direkt mit der Führungskulisse verschraubt und drückt mit ihren Schenkeln gegen
Federgleitrollen (15) auf der Achse zwischen den Stellhebeln
·
Die beiden Haltefedern (16) sind als einfache Drahtbügel ausgeführt, die an der
Exzenterwelle und an den Federhaltern (17) der Stellhebel angreifen. Sie verhindern,
dass die Verstellrollen von der Exzenterwelle abheben.
Im Folgenden wird das UniValve-System in Abbildungen häufig in Form einer stark
vereinfachten, schematischen Profilansicht dargestellt. Abb. 3 zeigt eine solche stilisierte
Darstellung des UniValve-Systems und erklärt welche Ventiltriebsbauteile sich hinter den
Abbildungselementen verbergen.
Abb. 3: Schema des UniValve-Ventiltriebs
Die Arbeitskurve eines UniValve-Stellhebels ist in einen Nullhubradius und einen Vollhub-
Bereich aufgeteilt (Abb. 4).
2 Das UniValve-System
6
Abb. 4: Schematische Darstellung eines Stellhebels
Die Wahl des Namens "Vollhubbereich" hat folgenden Hintergrund: Die Auslegung bzw.
Berechnung der Arbeitskurve erfolgt für den Vollhub, und liefert daher nur den hier
"Vollhub-Bereich" genannten Teil der Arbeitskurve. Der Nullhubradius wird nachträglich
ergänzt Bei Nullhub bewegt sich das Ventil nicht, obwohl der Nocken den Stellhebel
auslenkt. Die Tatsache, dass der Nullhub möglich ist und dass die Verstellung der
Exzenterwelle keine Ventilbewegung zur Folge hat, ist auf die speziellen Eigenschaften der
Führungskulisse und des Nullhubradius zurückzuführen:
·
Die Führungskulisse ist so positioniert, dass der Mittelpunkt des Kreisprofils der
Kulisse die gleiche Position hat wie die Schlepphebelrollenachse, wenn das Ventil
geschlossen ist, d.h. die Oberfläche der Schlepphebelrolle und die Oberfläche der
Kulisse bilden bei geschlossenem Ventil konzentrische Zylinderflächen.
·
Der Nullhubradius ist eine Kreiskurve deren Mittelpunkt auf der Nockenrollenachse
liegt und deren Radius
NH
r sich aus dem Radius der Führungskulisse
K
r , dem
Durchmessern der Schlepphebelrolle
SH
d und dem Durchmesser der Kulissenrolle
KR
d nach der nach der Formel
2
2
SH
KR
NH
K
d
d
r
r
=
-
-
ergibt.
2 Das UniValve-System
7
Abb. 5: Funktion des Nullhubradius
Abb. 5 veranschaulicht folgende, aus den genanten Eigenschaften resultierende Gegebenheit:
Wenn die Schlepphebelrolle mit dem Nullhubradius der Arbeitskurve in Kontakt steht, stimmt
die Position der Schlepphebelrollenachse unabhängig von der aktuellen Lage des Stellhebels
immer genau mit dem Mittelpunkt der Führungskulisse überein, was bedeutet, dass das Ventil
geschlossen ist.
Die Verstellung der Exzenterwelle in Richtung eines kleineren max. Ventilhubs bewirkt, dass
der Ausgangs-Kontaktpunkt (Kontakt bei nicht ausgelenktem Stellhebel) zwischen
Arbeitskurve und Schlepphebelrolle weiter vom Vollhubbereich entfernt liegt, was zur Folge
hat, dass der Ventilhub und die Ventilöffnungszeit abnimmt, da die Schlepphebelrolle
während des Hubvorgangs länger mit dem Nullhubradius und kürzer mit dem Vollhubbereich
in Kontakt steht.
Verstellt man die Exzenterwelle schrittweise in Richtung eines kleineren Ventilhubs, dann
erhält man eine Ventilhubkurvenschar (Abb. 6), die an ineinander geschachtelte russische
Puppen erinnert.
2 Das UniValve-System
8
Abb. 6: Ventilhubkurven-Schar
2.2
Ziel des Einsatzes einer vollvariablen Ventilsteuerung
Beim Ottomotor wird die Last, d.h. Masse an Benzin-Luft-Gemisch, die pro Taktzyklus in
den Zylinder gelangt, durch die Drosselung der Ansaugluft über eine Drosselklappe in der
Ansaugleitung eingestellt. Man spricht von einer Quantitätsregelung. In der Teillast herrscht
daher während des Ansaugtakts stets ein Unterdruck in der Ansaugleitung und im Zylinder.
Die Drosselung sorgt dafür, dass die Ladungswechselarbeit zu niederen Lasten hin stark
ansteigt. Durch eine ungedrosselte Laststeuerung, bei der das Benzin-Luft-Gemisch bei
näherungsweise Umgebungsdruck angesaugt wird, kann die Ladungswechselarbeit in der
Teillast verringert und damit der Verbrauch des Motors gesenkt werden.
Das Prinzip des frühen Einlassschließens stellt ein Konzept einer drosselfreien Laststeuerung
dar. Bei diesem Prinzip wird die für einen Lastpunkt erforderliche Gemischmasse durch eine
variable Ventilöffungszeit eingestellt, d.h. das Ventil wird geschlossen, wenn die
erforderliche Gemischmasse im Zylinder ist. Abb. 7 zeigt ein p-V-Diagramm, in dem die
Ladungswechselschleife einer drosselfreien Laststeuerung nach dem Prinzip des frühen
Einlassschließens mit der einer herkömmlichen Drosselsteuerung verglichen wird. Die
schraffierte Fläche im Diagramm entspricht der eingesparten Ladungswechselarbeit.
2 Das UniValve-System
9
Abb. 7: Ladungswechselschleife einer konventionellen Drosselsteuerung im Vergleich mit dem Prinzip
des frühen Einlassschließens
Mit einem vollvariablen Ventiltrieb wie dem UniValve-System, bei dem der Ventilhub
stufenlos einstellbar ist und bei dem die Absenkung des Ventilhubs mit einer Verkürzung der
Ventilöffnungsdauer verbunden ist, kann eine drosselfreie Lassteuerung nach dem Prinzip des
frühen Einlassschließens realisiert werden. In Abb. 8 sind prinzipielle Möglichkeiten den
Ventilhubverlauf zu variieren dargestellt. Das UniValve-System entspricht ohne eine Nocken-
wellenverstellung der Variante 5a.
Abb. 8: Prinzipielle Möglichkeiten variabler Ventilhubkurven
Es existieren auch Konzepte bzw. Patente von variablen Ventiltrieben, die eine Hubkurven-
Schar gemäß Variante 1 liefern, bei der bei abnehmendem Ventilhub die Öffnungszeit
2 Das UniValve-System
10
erhalten bleibt. Der Einsatz eines solchen Systems würde einer Verlagerung der
Drosselklappe hin zum Ventil entsprechen und keine Verbrauchvorteile ergeben. Das
Problem von Variante 2, bei der nur die Ventilöffnungszeit variiert und der Ventilhub erhalten
wird, ist die technische Realisierbarkeit, da mit abnehmendem Ventilöffnungszeit die
Ventilbeschleunigungen zunehmen [6].
BMW bietet Motoren an, die die Last mit einem vollvariablen Ventiltrieb - dem Valvetronic-
System - steuern. Der erste Serieneinsatz des Valvetronic-Systems erfolgte mit einem
vollständig neuen Vierzylindermotor im Frühjahr 2001. BMW gibt an, durch den Einsatz der
Valvetronic eine Verbrauchsverbesserung von 15 % gegenüber dem Vorgängermotor bei
einer gleichzeitigen Leistungssteigerung von 20% erzielt zu haben. Aufbau und
Funktionsweise des Valvetronic-Systems und des UniValve-Systems weisen Parallelen auf.
Die Hubkurven-Schar des Valvetronic-Systems entspricht, wenn man nur den mechanischen
Ventiltrieb ohne Nockenwellenversteller betrachtet, ebenfalls der Variante 5a. [7].
Verschiedene Automobilhersteller verkaufen Autos mit direkteinspritzenden Ottomotoren.
Auch bei der Direkteinspritzung wird eine Verbrauchsreduzierung zum Teil durch die
Absenkung der Ladungswechselverluste in der Teillast erreicht. Direkteinspritzende
Ottomotoren, die im Schichtladebetrieb stets und im homogen Betrieb zum Teil mit hohem
Luft-Überschuss arbeiten, haben den Nachteil, dass sie mit speziellen Katalysatoren
ausgestattet werden müssen, die Stickoxide bei Sauerstoffüberschuss reduzieren können.
Beim Einsatz einer vollvariablen Ventilsteuerung hingegen kann man bei Einsparpotentialen,
die mit denen der Direkteinspritzung vergleichbar sind, auf herkömmliche Abgasnach-
behandlungsverfahren zurückgreifen.
3 Grundlagen
11
3
Grundlagen
Das Programm UniValve Nocken- und Arbeitskurvensynthese ist ein in MATLAB
geschriebenes Programm zur invers kinematischen Berechnung der Nocken- und Arbeitkurve
eines UniValve-Ventiltriebs. Die folgende Abb. zeigt, welche Eingangsgrößen zur
Berechnung der Kurven erforderlich sind.
Abb. 9: Eingangsgrößen zur Berechnung der Nocken- und Arbeitskurve
Univalve Nocken und Arbeitskurvensynthese setzt sich aus folgenden Teilen zusammen:
1.
UniValve Ventilhub einlesen
2.
UniValve Schwenkgesetz einlesen
3.
UniValve Ventiltriebs-Geometrie einlesen
4.
UniValve Nockensynthese
5.
UniValve Arbeitskurvensynthese
6.
UniValve kinematische Simulation
In UniValve Ventilhub einlesen wird der Ventilhubverlauf bei Vollhub - ein Bewegungs-
gesetz, das die Relativlage des Ventils zum Nocken beschreibt - aus einer zuvor mit CDS
erstellten VAD-Datei rekonstruiert. Das Schwenkgesetz ist eine Übertragungsfunktion, die
die Bewegung des Stellhebels vorgibt. Es wird in UniValve Schwenkgesetz Einlesen in Form
einer VAD-Datei eingelesen. Die Ventiltriebs-Geometrie, d.h. die geometrischen
3 Grundlagen
12
Abmessungen der Ventiltriebs-Bauteile werden in UniValve Ventiltriebs-Geometrie einlesen
festgelegt. Aus den Geometrie-Daten, dem Ventilhubverlauf und dem Schwenkgesetz werden
in den Teilen Nockensynthese und Arbeitskurvensynthese Punkte der Nocken- bzw.
Arbeitskurve berechnet. Mit Hilfe der kinematischen Simulation kann die Ventilbewegung in
den Teilhüben für beliebige Exzenterwinkel bzw. Verstellsteinpositionen bestimmt werden.
In den folgenden Kapiteln werden Grundlagen und mathematische Methoden erläutert, auf
denen UniValve Nocken- und Arbeitskurvensynthese aufbaut. Das Kap. Grundlagen be-
inhaltet:
·
Die Einführung von Koordinatensystemen und geometrischen Parametern (Kap.
3.1), die zur mathematischen Beschreibung der Kinematik benötigt werden.
·
Die Definitionen von Schwenkgesetz und Ventilhubverlauf sowie das Verfahren mit
dem Schwenkgesetz und Ventilhubverlauf in UniValve Schwenkgesetz Einlesen und
UniValve Ventilhub einlesen aus den Daten einer VAD-Datei rekonstruiert werden
(Kap. 3.2).
·
Die Angabe wichtiger Übertragungsfunktionen, die sich aus Schwenkgesetz und
Ventilhub-Verlauf ableiten lassen (Kap. 3.3).
·
Die Herleitung einer Parameterdarstellung der Nockenkurve, die in UniValve
Nockensynthese die Berechnung einer Punktwolke der Nockenkurve ermöglicht
(Kap. 3.4).
·
Die Herleitung einer Parameterdarstellung der Arbeitskurve, die in UniValve
Arbeitskurvensynthese die Berechnung einer Punktwolke der Arbeitskurve ermöglicht
(Kap. 3.5).
·
Die Entwicklung eines Verfahrens, das die Simulation der Ventilbewegung in den
Teilhüben (Kap. 3.6) möglich macht.
3 Grundlagen
13
3.1
Koordinatensysteme und geometrische Parameter
3.1.1
Koordinatensysteme
Abb. 10: Koordinatensysteme
Um die Geometrie und die Bewegungsabläufe des Ventiltriebs beschreiben zu können,
werden 3 ebene, kartesische Koordinatensysteme eingeführt (Abb. 10):
·
Ein körperfestes mit dem Nocken verbundenes (x
N
, y
N
)-System,
·
ein körperfestes mit dem Stellhebel verbundenes (x
S
, y
S
)-System und
·
ein raumfestes (x, y)-System.
Die Achsen der Nockenwelle, Nockenrolle, Verstellrolle und Exzenterwelle stehen senkrecht
auf der von den Koordinatenachsen aufgespannten Ebene. Nur die Ventilachse verläuft in der
Koordinatenebene parallel zur y-Achse des raumfesten Systems. Der Ursprung des
körperfesten (x
S
, y
S
)-System liegt auf der gemeinsamen Achse der Nocken- und Kulissenrolle
und der Mittelpunkt der Verstellrolle liegt immer auf der positiven y
S
-Achse. Der Ursprung
des (x
N
, y
N
)-Systems liegt auf der Achse der Nockenwelle.
Im Folgenden ist unter
N
P
r
,
S
P
r
oder
P
r
stets der Ortsvektor eines Punktes P im (x
N
, y
N
)-, (x
S
,
y
S
)- oder (x, y)-System zu verstehen, der bzgl. des (x
N
, y
N
)-, (x
S
, y
S
)- oder (x, y)-Systems
3 Grundlagen
14
dargestellt ist. Die Lage der körperfesten Koordinatensysteme bzgl. des raumfesten Systems
wird durch die Angabe
·
des Nockenwinkels
N
,
·
des Stellhebelwinkels
S
und
·
der Ortsvektoren
=
NW
NW
y
x
NW
r
,
=
NR
NR
y
x
NW
r
eindeutig beschrieben. Zwischen den Koordinaten eines Punkts P im raumfesten System und
den Systemen N und S vermitteln folgende Transformationsformeln:
(3.1.1)
cos(
)
sin(
)
sin(
) cos(
)
( ) (
)
S
S
S
P
NR
P
S
S
S
P
NR
P
S
x
x
x
y
y
y
+
+
-
=
=
-
+
+
-
=
-
S
P
S
P
NR
r
T
r
r
,
(3.1.2)
cos(
)
sin(
)
sin(
) cos(
)
(
) (
)
N
N
N
P
NW
P
N
N
N
P
NW
P
N
x
x
x
y
y
y
+
-
=
=
-
-
=
-
N
P
N
P
NW
r
T
r
r
,
falls
N
mathematisch positiv dreht und
(3.1.2*)
cos(
)
sin(
)
sin(
)
cos(
)
(
) (
)
N
N
N
P
NW
P
N
N
N
P
NW
P
N
x
x
x
y
y
y
-
-
-
=
=
-
=
-
N
P
N
P
NW
r
T
r
r
,
falls
N
mathematisch negativ dreht.
3.1.2
Geometrische Parameter
Durch die folgenden Abbildungen (Abb. 11 - Abb. 15), in denen die wichtigsten Bauteile des
Ventiltriebs schematisch dargestellt sind, werden geometrische Parameter definiert. Bei den
Parametern handelt es sich um Funktionsmaße von Ventiltriebsbauteilen oder geometrische
Winkelgrößen, die die Ausgangspositionen der Ventiltriebsbauteile festlegen oder zur
Beschreibung von Bewegungsabläufen dienen.
3 Grundlagen
15
Nocken:
Abb. 11: Nocken-Geometrie
·
NW
x
: x-Koordinate der Nockenwellenachse
·
NW
y
: y-Koordinate der Nockenwellenachse
·
GK
d : Grundkreisdurchmesser des Nockens
Schlepphebel:
Abb. 12: Schlepphebel-Geometrie
·
SH
x : x-Koordinate der Schlepphebelachse
3 Grundlagen
16
·
SH
y : y-Koordinate der Schlepphebelachse
·
V
l : ventilseitige Hebellänge des Schlepphebels
·
R
l : rollenseitige Hebellänge des Schlepphebels
·
ZDH
: Winkel zwischen rollen- und ventilseitigem Hebel
·
SH
: Winkel zwischen ventilseitigem Hebel und der x-Achse des raumfesten Bezugs-
systems = Schlepphebelwinkel. Bei geschlossenem Ventil gilt:
0
const
SH
SH
=
=
.
·
SH
r : ventilseitiger Arbeitsradius des Schlepphebels
·
SH
d : Durchmesser der Schlepphebelrolle
Stellhebel und Kulisse:
Abb. 13: Stellhebel- und Kulissen-Geometrie
·
NR
d : Durchmesser der Nockenrolle
·
KR
d : Durchmesser der Kulissenrolle
·
VR
d : Durchmesser der Verstellrolle
·
NV
l : direkter Abstand zwischen der Nocken- und Verstellrollenachse
·
K
r : Radius der Kulisse
3 Grundlagen
17
Exzenterwelle:
Abb. 14: Exzenterwellen-Geometrie
·
EW
x : x-Koordinate der Exzenterwellenachse
·
EW
y
: y-Koordinate der Exzenterwellenachse
·
EW
l : Länge des Exzenterhebels
·
EW
: Winkel zwischen dem Exzenterhebel und der x-Achse des raumfesten Bezugs-
systems = Exzenterwinkel. Bei Vollhub gilt:
0
const
EW
EW
=
=
.
·
EW
d
: Durchmesser der Exzenterwelle
Verstellstein:
Abb. 15: Verstellstein-Geometrie
·
VS
: Winkel zwischen der y-Achse des raumfesten Koordinatensystems und der
Kontaktfläche des Verstellsteins
3 Grundlagen
18
·
VS
l : senkrechter Abstand zwischen der Nockenwellenachse und der Kontaktfläche des
Verstellsteins = Verstellsteinabstand. Bei Vollhub gilt:
0
const
VS
VS
l
l
=
=
.
Die Zahlwerte der eingeführten Parameter werden in UniValve Ventiltriebs-Geometrie
einlesen vom Benutzer festgelegt, wobei für Exzenterwinkel, Verstellsteinabstand und
Schlepphebelwinkel die Werte von
0
EW
,
0
VS
l
und
0
SH
anzugeben sind.
0
SH
definiert die
Position des geschlossenen Ventils.
0
EW
ist der Exzenterwinkel und
0
VS
l
der
Verstellsteinabstand bei Vollhub.
Aus den bisher definierten Parametern lassen sich weitere häufig benötigte Größen ableiten.
Da die Kulissenrolle des Zwischenhebels ständig mit der Kulisse in Kontakt steht, bewegt
sich die Achse der Nocken- bzw. Kulissenrolle auf einer Kreisbahn. Der Radius dieser
Kreisbahn beträgt
(3.1.3)
2
KR
K
NRB
d
r
r
-
=
.
Um die Position der Nockenrollenachse eindeutig beschreiben zu können, wird der in Abb. 16
dargestellte Nockenrollenwinkel
NR
eingeführt.
Abb. 16: Nockenrollenwinkel und Nockenrollenbahn
3 Grundlagen
19
Der Nockenrollenwinkel
NR
nimmt den konstanten Wert
0
NR
an, wenn die Nockenrolle in
Kontakt mit dem Nockengrundkreis steht.
0
NR
wird für die Berechnung der Nockenkurve
benötigt.
Abb. 17: Dreieck a, r
RNB
, c zur Berechnung des Nockenrollenwinkels
NR0
Nockenrollenachse, Kulissenmittelpunkt und Nockenwellenachse bilden die Ecken eines
Dreiecks (Abb. 17), dessen Winkel mit
, ,
und dessen Seiten bzw. Seitenlängen mit
,
,
RNB
a r
c
bezeichnet werden. Die Seitenlänge a berechnet sich aus dem Durchmesser der
Nockenrolle und dem Grundkreisdurchmesser des Nockens nach der einfachen Formel
(3.1.4)
2
NR
GK
d
d
a
+
=
.
Um die Länge c berechnen zu können, benötigt man zunächst den Ortsvektor zum
Mittelpunkte der Kulisse
(3.1.5)
0
0
cos(
)
sin(
)
SH
R
SH
ZDH
K
SH
R
SH
ZDH
K
x
l
x
y
l
y
+
+
=
=
+
+
K
r
,
3 Grundlagen
20
der die gleichen Koordinaten hat wie die Schlepphebelrollenachse bei geschlossenem Ventil.
Aus
K
r
und dem Ortsvektor zu Nockenwellenachse
NW
r
NW
NW
x
y
=
ergibt sich c nach der
Gleichung
(3.1.6)
2
2
)
(
)
(
K
NW
K
NW
y
y
x
x
c
-
+
-
=
-
=
K
NW
r
r
.
Abb. 18: Ortsvektor r
NW
zur Nockenwellenachse und zum Kulissenmittelpunkt r
K
Durch Umstellen des Kosinussatzes
)
cos(
2
2
2
2
-
+
=
c
r
c
r
a
RNB
RNB
erhält man den
Dreieckswinkel
(3.1.7)
-
+
=
c
r
a
c
r
RNB
RNB
2
arccos
2
2
2
.
Aus der Gleichung
)
sin(
=
c
d
(mit
NW
K
x
x
d
-
=
) erhält man den in Abb. 17 dargestellten
Winkel
(3.1.8)
=
c
d
arcsin
.
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2005
- ISBN (eBook)
- 9783836604604
- DOI
- 10.3239/9783836604604
- Dateigröße
- 5.2 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau – Maschinenbau, Diplomstudiengang Maschinenbau
- Erscheinungsdatum
- 2007 (Juli)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- matlab software maschinenbau verbrennungsmotor kurvengetriebe univalve
