DE4026264A1

DE4026264A1 - Vorrichtung fuer eine hubkolbenmaschine mit variabler nockenwelle

Info

Publication number: DE4026264A1
Application number: DE4026264A
Authority: DE
Inventors: Erich Schmid
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-08-20
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1992-02-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei herkömmlichen, serienmäßigen Motoren bestimmt im starken Maße die unveränderbaren Steuerquerschnittsflächen der Ventil erhebungskurven den Drehmomentverlauf, die Nenndrehzahl, die Leerlaufsqualität, den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemission der Maschine.

Bei quantitätsgesteuerten Motoren, mit dem System, bei dem die Ventilerhebungskurven in Hub- und Öffnungszeit variabel sind, um die Lastregelung ohne Drosselklappe zu regeln, um die Ladungs wechselarbeit zu reduzieren, öffnet das Einlaßventil herkömmlich und schließt je nach der erforderlichen Ladungsmenge frühzeitig und schnell.

Bei dieser Erfindung ändert sich der Einlaßschließpunkt nicht oder wird durch axiale Phasenverschiebung der Nockenwelle verändert, dagegen kann der Einlaßöffnungspunkt je nach Bedarf des Füllungsgrades stufenlos vorverlegt werden.

Durch eine axiale verschiebbare Nockenwelle (1) entsteht eine variable Nockenerhebungskurve, indem die Nockenbahn (12) in ihrem Grundkreis (X) zylindrisch ist, aber die Nockenkurven an den Stirnseiten I und II, Fig. 8, verschieden sind. Somit wird die Nockenbahn (12) zwischen den Stirnseiten (I und II) im Bereich des Nockengrundkreises (X) zu einer zylindrischen Walze und zwischen den Nockenkurven an den Stirnseiten (I und II) entsteht eine Fläche der Nockenbahn (12), welche konisch und asymmetrisch ist.

Wenn die Nockenwelle (1) in einer Position ist, wo die Anlauf kuppe (9) des Schlepphebels (4) auf der Seite der Nockenkurve (I) gleitet, so entsteht die größte und längste Ventilerhebung. Verändert jedoch die Nockenwelle (1) die axiale Position in Richtung zu der Nockenkurve (II), so wird die Ventilerhebung kürzer sowie niedriger und der Einlaßbeginn erfolgt später. Gleitet aber die Anlaufkuppe (9) des Schlepphebels (4) auf der Seite der Nockenkurve (II), so erfolgt der Einlaßbeginn am spätesten und es wird die kleinste und kürzeste Ventilerhebung ausgeführt.

Wenn man die Nocke (2) von der Stirnseite, Fig. 8, betrachtet, so ist z. B. zwischen °KW 600 und °KW 260 der zylindrische Teil der Nockenbahn (12), welcher auch der Nockengrundkreis (X) ist und bei Fig. 9 als die gestrichelte Linie (X) erscheint.

Schaut man aber die Nocke (2) bei Fig. 8 z. B. zwischen °KW 340 und °KW 600 an, so zeigt sich bei Fig. 9 die Nockenbahn (12) zwischen der Nockenkurve an der Stirnseite (I) und der Nocken kurve an der Stirnseite (II) als diagonale Linie, wobei bei Fig. 9 die axialen Positionen des Schlepphebels (4) (senkrechte Linien) zu der Nockenwelle (1) zu ersehen sind, sowie der Neigungswinkel der Nockenbahn und die Höhe der Nockenkurve in den radialen Positionen (°KW) und der Einlaßbeginn, welcher bei der Überschneidung der diagonalen Linie mit der gestrichelten Linie des Nockengrundkreises (X) erfolgt.

Um die Nockenerhebungskurve (Fig. 10) sichtbar zu machen, sind die Schnittpunkte der axialen Stellung des Schlepphebels (4) zu der Nocke (2) in den horizontalen Linien und den dazugehörenden Kurven von 1-8 zu sehen, indem man die horizontalen Linien als Nockengrundkreis (X) betrachtet und die Distanz der horizontalen zu den diagonalen Linien von Fig. 9 der jeweiligen senkrechten Linie von °KW 340-620 zuordnet und überträgt.

Aus den Nockenerhebungskurven von Fig. 10 ergibt sich durch die Hebelübersetzung des Schlepphebels (4) die größere Ventilerhebungs kurve von Fig. 11.

Aus den Ventilerhebungskurven von Fig. 11 ist ersichtlich, daß bei der axialen Nockenposition 1 die Ventilerhebungskurve am längsten und am größten ist, dagegen bei der axialen Nocken position 8 ist die Ventilerhebungskurve am kürzesten und kleinsten. Der Punkt an dem das Einlaßventil (3) öffnet, ist daraus zu ersehen, wenn z. B. bei der axialen Nockenposition 6 die Linie der Ventilerhebungskurve bei der senkrechten Linie °KW 500 die horizontale Linie bzw. den Nockengrundkreis (X) schneidet.

Der Schlepphebel (4) übt zwei Funktionen aus, wobei er durch eine Hebelübersetzung die Erhebung der Nockenbahn (12) über den Tassenstößel (8) auf das Einlaßventil (3) gesteigert überträgt, andererseits kann er sich durch seine Kugelpfannenlagerung (5 und 6) mit seiner Anlaufkuppe (9) den Neigungen der Nocken bahn (12) kraftschlüssig angleichen, wobei seine Bewegungen über die Teile Kugelpfanne (5), Kugel (6), Gleitstück (7), Tassen stößel (8) mit Führungsnut für Gleitstück (7) auf das Einlaß ventil (3) überträgt. Auf der Gegenseite ist der Schlepphebel (4) über die Kugelpfanne (5), der Kugel (6) auf dem Tassen stößel (10), welcher durch die Druckfeder (11) gegen den Schlepphebel (4) gedrückt wird, und die Aufgabe hat, den Schlepphebel (4) in dem Bereich wo die Nockenbahn innerhalb des Nockengrundkreises (X) verläuft, an der Nockenbahn (12) kraft schlüssig zu halten, Fig. 1. Verläuft die Nockenbahn (12), Fig. 2, 3 und 4, auf oder außerhalb des Nockengrundkreises (X), so drückt der Schlepphebel (4) den Tassenstößel (10) mit seiner Stirnfläche auf die Bodenfläche des Führungszylinders (13), wobei dann die weitere Bewegung des Schlepphebels (4) auf das Einlaßventil (3) übergeht.

Dadurch, daß bei diesem System z. B. bei einem Reihenmotor der Verstellbereich der Nockenwelle (1) auf das Raumangebot von Zylinderdurchmesser plus einmal Zylinderwand begrenzt ist, wird durch Hebelübersetzung des Schlepphebels (4) die Nocken erhebung wesentlich kleiner als die Ventilerhebung, so daß die Neigung der konisch asymmetrischen Nocke (2) gering gehalten werden kann.

Der durch den Wechsel der Nockenkurve bzw. Nockenbahn (12) von innerhalb nach außerhalb des Nockengrundkreises (X) entstehende ruckartige Übergang, welcher einen Stoß auf die mechanischen Übertragungsteile zwischen Nockenwelle (1) und dem Einlaß ventil (3) verursacht, wird durch einen im Tassenstößel (10) integrierten hydraulischen Stoßdämpfer abgebaut. Dies wird z. B. wie folgt durchgeführt: Der Zylinder (22) im Stößelgehäuse (13) hat eine Steuerkante, ist die Unterkante des Stoßdämpferkolbens (24) oberhalb von dieser Steuerkante, so wird der Zylinder (22) über die Ölleitung (17) mit Öl gefüllt. Beim Niedergang des Stoßdämpferkolbens (24), welcher an seinem Unterteil konisch ist, wird der Drosselquerschnitt (25) zwischen diesem und der Steuerkante des Zylinders (22) immer kleiner, es baut sich im Zylinder (22) ein Druck auf, so daß das Rückschlagventil (18) schließt; das Öl im Zylinder (22) wird jetzt durch den immer enger werdenden Drosselquerschnitt (25) durchgepreßt, so daß sich das Einlaßventil (3) anhebt und der Tassenstößel (10) sanft auf der Bodenfläche des Führungszylinders (13) aufsetzt. Somit erfolgt bei richtiger Auslegung des Stoßdämpfers eine weiche Öffnung des Einlaßventils (3). Nach dem Schließen des Einlaß ventils (3) wird der Tassenstößel (10) mit dem Stoßdämpferkolben (24) durch die Druckfeder (11) wieder nach oben gedrückt, so daß der Vorgang von neuem beginnt.

Zur Veränderung der Steuerzeiten des Motors wird die Nocken welle (1) mit ihren Nockenwellenlagern (20) in den länglichen Buchsen der Nockenwellenlagerböcke (21) durch einen Nocken wellenversteller axial in Bewegung gesetzt; somit kann der Einlaßöffnungspunkt stufenlos vor- und zurückverlegt werden, wobei der Einlaßschließpunkt sich nicht ändert. Zum Beispiel erfolgt im Leerlauf ein kleiner Hub und ein kurzer Öffnungs winkel des Einlaßventiles (3) um und nach dem unteren Tot punkt, durch das Vakkum, welches sich während des Ansaugtaktes im Verbrennungsraum gebildet hat, entsteht bei geöffnetem Einlaßventil (3) im Bereich des Ventiltellers eine hohe Strömung, so daß sich im Verbrennungsraum eine starke Turbulenz bildet, woraus im Leerlauf eine gute Gemischaufbereitung resultiert, andererseits wird das verbleibende Vakuum zu Ver minderung des Ladungswechsels genützt. Bei steigender Teillast wird der Hub größer, der Öffnungswinkel länger und vorverlegt, wobei sich durch das später öffnende Einlaßventil (3) je nach Lastpunkt noch genug Vakkum im Verbrennungsraum ist, um das benötigte Gemisch an dem Einlaßventil (3) vom Öffnungspunkt bis zum Schließpunkt in Turbulenz zu versetzen. Hieraus ist zu schließen, daß auch in den Teillastbereichen eine gute Gemisch bildung erfolgt.

Mit dem Erhöhen der Last werden die Verbrauchsunterschiede bei der Laststeuerung durch die variable Ventilsteuerung gegenüber der Drosselsteuerung immer kleiner, da bekanntlich die Drossel verluste sinken.

Bei Vollast ist durch die Möglichkeit des späten Schließzeit punktes des Einlaßventiles (3) und der Grundkontur der Nocken form ein guter Liefergrad und Drehmomentsteigerung erreichbar.

Ist es aber erforderlich, daß der Einlaßschließpunkt in der Phase verschoben werden muß, so kann in dem Nockenwellenversteller (axial) eine Phasenverschiebung (radial) z. B. durch Schrägver zahnung integriert werden, somit kann die Einlaßventilöffnung im Leerlauf und im Teillastbereich früher beginnen. Dies kann bewirken, daß die Expansion im Ansaugtakt früher beendet ist, wobei hiermit das niedrige Temperaturniveau im Bereich des unteren Totpunktes angehoben wird und die Ladungswechselarbeit verringert wird. Bei zunehmender Last wird der Öffnungswinkel größer und verschiebt sich zu einem früheren Öffnungspunkt im Ansaugtakt in die Richtung zum O.T., der Schließpunkt wandert dabei aber in kleinerem Maße zurück, bis sich bei Vollast der ideale Öffnungswinkel bzw. Ventilerhebungskurve eingestellt hat.

Bei dieser Konstruktion sind durch die gute Gemischbildung und Verminderung des Ladungswechsels im Leerlauf und in den Teil lastbereichen bis zur Vollast gute Werte in Verbrauch, Leistung und Emission zu erwarten.

Claims

1. Vorrichtung für eine nockengesteuerte Hubkolbenmaschine mit einer Nockenwelle (1), durch welche der Bewegungsablauf des Einlaßventils (3) variabel erfolgt.

2. Ventilsteuerung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle (1) axial verschiebbar ist.

3. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Nocke (2), Fig. 8, in ihrem Grundkreis zylindrisch ist, dagegen ist die Form der Nockenkurve an den Stirnseiten (I) und (II) verschieden, so daß die Fläche der Nockenbahn (12) konisch und asymmetrisch ist.

4. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß z. B. die Nockenkurve an der Stirnseite (I), Fig. 8, durch ihre Form z. B. °KW 340 bis 600 die größte und längste Erhebung ist, gegenüber der Nockenkurve an der Stirn seite (II), Fig. 8, welche z. B. zwischen den radialen Positionen °KW 260 bis 520 innerhalb des Nockengrundkreises (X) verläuft, dann zwischen der Position °KW 520 bis 600 über den Nocken grundkreis schwingt, wobei sie die kleinste, kürzeste und phasenverschobene Nockenerhebung ist.

5. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der axialen Position der Nockenwelle (1), wo der Schlepphebel (4) an der Stirnseite (I) der Nocke (2) gleitet, die Nockenerhebungskurve und der Öffnungswinkel am größten ist. Wandert die Nockenwelle (1) in die axiale Position, wo der Schlepphebel (4) an der Stirnseite (II) der Nocke (2) gleitet, ist die Nockenerhebungskurve im Hub, Öffnungs winkel am kleinsten und phasenverschoben gegenüber der Position an der Stirnseite (I).

6. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Schlepphebelübersetzung die Nockenerhebungskurve auf die Ventilerhebungskurve gesteigert wird.

7. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlepphebel (4) mit seinen Kugelpfannen (5) über die Kugeln (6) auf den Tassenstößeln (8) und (10) gelagert ist, somit kann sich der Schlepphebel (4) mit seiner Anlaufkuppe (9) den Neigungen der Nockenbahn (12) kraftschlüssig angleichen.

8. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Führungsnute des Tassen stößels (8), Fig. 1, 2 und 5, z. B. ein Gleitstück (7), in welchem die Kugel (6) gelagert ist, gleitet, das durch die Auf- und Abbewegungen des Schlepphebels (4) ergebende Verla gerung des Druckpunktes, sowie die seitlichen Verschiebungs kräfte, aufnimmt, welche durch die Bewegungen und Neigung der Nockenbahn (12) entstehen.

9. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß statt dem Anspruch 6, 7 und 8 ein Anpassungs element auf einem konventionellen oder in Gabelform, z. B. für zwei Einlaßventile, gestalteten Schlepphebel gelagert ist, welches sich der Nockenbahn kraftschlüssig anpaßt.

10. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß statt dem Anspruch 6, 7, 8 und 9 die Nockenerhebung hydraulisch auf die Ventilerhebung gesteigert wird.

11. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle (1), Fig. 1, 2, 5 und 6, mit ihren Nockenwellenlagern (20) in den Buchsen der Nockenwellenlagerböcke (21) die radialen und axialen Bewegungen ausführen kann.

12. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Druck feder (11), Fig. 1, 2, 3 und 4, der Tassenstößel (10) den Schlepphebel (4) mit seiner Anlaufkuppe (9) gegen die Nockenbahn (12) drückt, in dem Bereich, wo die Nockenbahn (12) innerhalb des Nockengrundkreises (X) verläuft, so daß der Schlepphebel immer kraftschlüssig ist, wobei der Tassenstößel (10) im Bereich des geöffneten Einlaßventils (3) mit seiner Stirnfläche auf der Bodenfläche des Führungszylinders (13) aufliegt.

13. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Wechsel der Nockenbahn (12) von innerhalb nach außerhalb des Nocken grundkreises (X), je nach axialer Position der Nockenwelle (1), der mehr oder weniger starke Stoß auf die Nockenwelle (1) auf das Einlaßventil (3) mit den dazugehörenden Übertragungsteilen z. B. durch den im Tassenstößel (10) integrierten hydraulischen Stoßdämpfer aufgefangen wird, Fig. 1, 2 und 7.

14. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß öffnungspunkt variabel ist, dagegen bleibt der Einlaßschließ punkt des Einlaßventils (3) in jedem Lastbereich gleich.

15. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß z. B. sich im Leerlauf der Einlaßöffnungspunkt im Bereich des unteren Totpunktes befindet, mit dem Erhöhen des Lastbereiches sich jedoch durch die axiale Verschiebung der Nockenwelle (1) stufenlos auf einen früheren Zeitpunkt verschiebt, so daß im Vollastbereich der ganze Öffnungswinkel genützt wird.

16. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem Anspruch 14 der Einlaßschließpunkt im Leerlauf und im Teillastbereich stufenlos auf einen früheren Zeitpunkt verschoben werden kann, wobei z. B. in dem Nockenwellen versteller, welcher die Nockenwelle (1) je nach Lastbereich in die benötigte, axiale Position fixiert, eine Phasenver schiebung durch Schrägverzahnung des Nockenwellenantriebs mit integriert ist, wobei der variable Öffnungswinkel in der Phasenverschiebung mitwandert.