DE10148177B4

DE10148177B4 - Ventiltrieb mit Ventilhubumschaltung für die Gaswechselventiele eines 4-Takt-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10148177B4
Application number: DE2001148177
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt; Dipl.-Ing. Himsel Frank
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: DE10148177A1

Abstract

Ventiltrieb mit Ventilhubumschaltung für die Gaswechselventile (5) eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit folgenden Merkmalen: – eine Zahnwelle (1) mit axialer Außenverzahnung (7) und zumindest einem Nockenstück (2) pro Zylinder (22), das eine dazu passende Innenverzahnung aufweist und verdrehfest aber axial verschiebbar mit der Zahnwelle (1) verbunden ist, wobei die Zahnwelle (1) in Zahnwellenlagern (6) zwischen den Zylindern (22) außerhalb des Nockenstücks (2) gelagert ist; – das Nockenstück (2) weist pro Gaswechselventil (5) zumindest zwei nebeneinander liegende Nocken (8, 9) mit unterschiedlichem Hub und gleichem Grundkreisdurchmesser sowie zwei am Umfang des Nockenstücks (2) angeordnete, spiegelsymmetrisch ausgebildete Verschiebenuten (12, 13) auf, deren Endstücke (14, 15) am Umfang des Nockenstücks (2) auslaufen; – zumindest ein radial zu dem Nockenstück (2) hin bewegbarer Aktuatorstift (3), der in einem Aktuatorstiftgehäuse sitzt, das fest an einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei durch das Eingreifen des Aktuatorstifts (3) in eine der Verschiebenuten (12, 13) das Nockenstück (2) axial verschiebbar ist; dadurch gekennzeichnet, – dass das Nockenstück (2) zwei Nockenpaare (10) mit Nocken (8, 9) aufweist, wobei die Nocken (8, 9) in gleicher Weise angeordnet sind, – dass die Verschiebenuten (12, 13) zwischen beiden Nockenpaaren (10) auf einem zylindrischen Abschnitt (11) des Nockenstücks (2) angeordnet sind, – dass die Verschiebenuten (12, 13) einen so geringen axialen Abstand aufweisen, dass sie sich in einem Kreuzungsbereich (18) kreuzen und äußere Führungswände (16, 17) und außerhalb des Kreuzungsbereichs (18) einen mittigen Führungssteg (21) aufweisen, durch den die Verschiebenuten (12, 13) getrennt sind, – und dass ein einziger Aktuatorstift (3) für beide Verschieberichtungen des Nockenstücks (2) vorgesehen ist, der im Kreuzungsbereich (18) aufgrund der Massenträgheit des Nockenstücks (2) die Anlage zwischen den äußeren Führungswänden (16, 17) wechselt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb mit Ventilhubumschaltung für die Gaswechselventile eines 4-Takt-Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der DE 196 11 641 C1 ist ein Ventiltrieb mit Ventilhubumschaltung für Gaswechselventile eines 4-Takt-Verbrennungsmotors beschrieben mit folgenden Merkmalen:
Eine Zahnwelle mit axialer Außenverzahnung und zumindest einem Nockenstück pro Zylinder, das eine dazu passende Innenverzahnung aufweist und verdrehfest aber axial verschiebbar mit der Zahnwelle verbunden ist;
das Nockenstück weist pro Gaswechselventil zumindest zwei nebeneinander liegende Nocken mit unterschiedlichem Hub und gleichem Grundkreisdurchmesser sowie zwei am Umfang des Nockenstücks angeordnete, spiegelsymmetrisch ausgebildete Verschiebenuten auf, deren Endstücke am Umfang des Nockenstücks auslaufen;
zumindest ein radial zu dem Nockenstück hin bewegbarer Aktuatorstift, der fest an einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei durch dessen Zusammenwirken mit den Verschiebenuten das Nockenstück axial verschiebbar ist.
Mit diesem Ventiltrieb können unterschiedliche Ventilhübe der Einlaßventile und damit ein Entdrosseln der Einlaßseite verwirklicht werden. Dadurch werden Teillastverbrauch und Schadstoffemission, insbesondere von Ottomotoren, gesenkt.
An beiden Enden des vorgegebenen Nockenstücks ist je eine Verschiebenut mit je zwei Aktuatorstiften angeordnet. Zusätzlich sind die Platzverhältnisse und der Bauaufwand durch die mindestens doppelte Anzahl der Nocken pro Gaswechselventil belastet.
Die weiterhin bekannte EP 0 579 592 A1 beschreibt am Ende einer Nockenwelle einer 4-Zylinder Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Kulissenwalze, durch die die komplette Nockenwelle in Abhängigkeit vom Nockenwellenverdrehwinkel verschoben werden kann. Dabei greift ein Ende eines Federrings oder einer von zwei radial ausgerichteten Zapfen durch hydraulische Zylinder betätigt aus Freistellnuten in Verschiebenuten ein und bewirkt die Verschiebung der Nockenwelle.
Um die schwierige Verschiebung der kompletten Nockenwelle sicherzustellen, wird ein achsfest zur Nockenwelle im Zylinderkopf angeordneter Federring mit verschwenkbarem Ende oder zwei Zapfen, ein zylinderkopffester und ein axial zur Nockenwelle verschiebbarer Zapfen, benötigt, also ein nicht unerheblicher Aufwand. Ob die Nockenwelle auch bei höheren Drehzahlen aufgrund ihrer nicht unerheblichen Masse in der erforderlichen kurzen Schaltzeit sicher verstellt werden kann, ist zumindest fraglich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Platz- und Bauaufwand eines gattungsgemäßen Ventiltriebs für die Gaswechselventile eines 4-Takt-Verbrennungsmotors zu verringern und zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ventiltrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2.
Durch den geringen Abstand und das daraus folgende sich Kreuzen der Verschiebenuten ist deren axialer Platzbedarf auf den einer einzigen reduziert. Da zur Steuerung der axialen Bewegung der Nockenstücke nur ein Aktuatorstift genügt, ist der Bauaufwand für den erfindungsgemäßen Ventiltrieb erheblich reduziert.
Für eine sichere Führung des Aktuatorstifts in den Verschiebenuten ist es von Vorteil, daß diese nach der Ausgestaltung gemäß 1 neben den äußeren Führungswänden einen mittigen Führungssteg außerhalb ihres Kreuzungsbereichs aufweisen. Die Zahnwelle ist dabei in Zahnwellenlagern zwischen den Zylindern gelagert. Auf diese Weise ist ausreichend Platz für ein ungeteiltes Nockenstück, das beide Gaswechselventile betätigt.
Von Vorteil ist auch, daß die Nocken eines Nockenstücks jeweils ein Nockenpaar mit gleicher Anordnung der Nocken bilden und daß die Verschiebenuten zwischen beiden Nockenpaaren angeordnet sind. Dadurch wird eine besonders kompakte Anordnung von Nocken und Verschiebenuten erzielt, die eine großzügige Dimensionierung beider erlaubt. Die beiden Nockenpaare mit ihren vier Nocken können auch mehr als nur zwei verschiedene Nocken aufweisen.
Für eine einfache Herstellung der Verschiebenuten ist es von Vorteil, wenn diese nach dem Ausführungsbeispiel von 2 nur äußere Führungswände aufweisen. Diese Lösung ist möglich, da aufgrund der Massenträgheit des Nockenstücks bei einer Lageänderung desselben der Aktuatorstift ohnedies nur an den äußeren Führungswänden anliegt. Dadurch erübrigt sich ein mittiger Führungssteg.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß für die Zahnwelle ein Zahnwellenlager vorgesehen ist, das in der Mitte zwischen den Gaswechselventilen eines Zylinders angeordnet ist, wobei zu beiden Seiten des Zahnwellenlagers je ein Nockenstück vorgesehen ist. Zudem sind die Nockenstücke zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet und weisen je ein lagernahes Nockenpaar sowie je eine aus zwei Verschiebenuten zusammengefügte Nut auf. Der geringe Abstand zwischen den Nocken und dem Zahnwellenlager führt zur geringstmöglichen Biegebelastung der Zahnwelle und damit zu einem steifen Ventiltrieb.
Die Variabilität der Lösung besteht auch darin, daß die einzelnen Nockenstücke durch die Aktuatorstifte unabhängig voneinander betätigbar sind. Die zwei voneinander unabhängig verstellbaren Nockenstücke bieten die Möglichkeit, den Hub eines jeden Einlaßventils eines Zylinders einzeln zu verstellen. Bei einem Zylinder mit zwei Einlaßventilen kann man auf diese Weise durch einen unterschiedlichen Nockenhub der beiden Einlaßventile z. B. einen Luftdrall im Zylinder erzeugen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Nocken der unabhängig verstellbaren Nockenstücke Vollhubnocken sind und unterschiedlich große Vollhübe und die Teilhubnocken unterschiedlich große Teilhübe aufweisen. Wenn z. B. alle vier Einlaßnocken eines Zylinders unterschiedlich sind, ist eine vierstufige Ventiltriebverstellung möglich. Falls die Vollhub- und Teilhubnocken der beiden Einlaßventile jeweils gleich sind, ist eine Dreistufigkeit möglich, nämlich: groß/groß; klein/klein und groß/klein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen, auf denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 Eine Zahnwelle, die in Zahnwellenlagern zwischen den Zylindern gelagert ist und die zwischen den Zahnwellenlagern ein Nockenstück mit zwei Nockenpaaren und zwei Verschiebenuten sowie einem Aktuatorstift aufweist;
2 eine Zahnwelle mit einem Zahnwellenlager in der Mitte zwischen den Gaswechselventilen eines Zylinders und beidseits des Zahnwellenlagers je ein Nockenstück mit je zwei Nockenpaaren.
Bei dem vorliegenden 4-Takt-Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Otto-Motor mit getrennter Einlaß- und Auslaßnockenwelle sowie zwei Einlaß- und Auslaßventilen pro Zylinder, der einen Ventiltrieb mit Ventilhubumschaltung aufweist.
1 zeigt einen Teil des Ventiltriebs eines der Zylinder 22. Dazu gehören unter Anderem eine Zahnwelle 1 mit einem Nockenstück 2, ein Aktuatorstift 3, zwei Nockenfolger 4 und zwei Gaswechselventile 5.
Die Zahnwelle 1 ist in zwei Zahnwellenlagern 6 gelagert, die zwischen den Zylindern 22 angeordnet sind. Sie weist außerhalb der Zahnwellenlager 6 eine axiale Außenverzahnung 7 auf. Das Nockenstück 2 weist eine zu dieser passende axiale Innenverzahnung auf, die das Nockenstück 2 verdrehfest, aber axial verschiebbar mit der Zahnwelle 1 verbindet.
Im Bereich der beiden Enden des Nockenstücks 2 befindet sich je ein als Vollhubnocken ausgeführter Nocken 8 und ein als Teilhubnocken ausgestalteter Nocken 9. Diese besitzen unterschiedlichen Nockenhub, aber gleichen Grundkreisdurchmesser. Der unterschiedliche Nockenhub dient der Anpassung an unterschiedliche Betriebsverhältnisse des Motors, der gleiche Grundkreisdurchmesser ermöglicht ein axiales Verschieben der Nocken 8, 9 in deren Grundkreisphase. Zwei Nocken 8 und 9 bilden zusammen je ein Nockenpaar 10 mit gleicher Nockenfolge.
Zwischen den Nockenpaaren 10 befindet sich ein zylindrischer Abschnitt 11 des Nockenstücks 2 mit einer ersten und zweiten Verschiebenut 12, 13. Diese bewirken in Verbindung mit dem Aktuatorstift 3 ein axiales Verschieben des Nockenstücks 2 zwischen den Arbeitsstellungen der Nocken 8, 9. Deshalb sind die Verschiebenuten 12, 13 spiegelsymmetrisch, d. h. mit gegenläufiger Steigung ausgebildet. Das Steigungsmaß ist so gewählt, daß das Nockenstück 2 bei einer Umdrehung um den Abstand der Nocken 8 und 9 in die eine oder andere Richtung verschoben wird.
Die Verschiebenuten 12, 13 enden in parallel nebeneinander angeordneten Endstücken 14, 15. Während die Verschiebenuten 12, 13 eine konstante Tiefe aufweisen, laufen deren Endstücke 14, 15 am Umfang des zylindrischen Abschnitts 11 aus.
Da die Verschiebenuten 12, 13 unmittelbar nebeneinander liegen und nur durch einen mittigen Führungssteg 21 getrennt sind, müssen diese sich kreuzen. Der Kreuzungsbereich 18 liegt auf halber Länge der Verschiebenuten 12, 13. Auf der Gegenseite des zylindrischen Abschnitts 11 befinden sich deren Endstücke 14, 15, die sich aufgrund der gekreuzten Anordnung der Verschiebenuten 12, 13 immer paarweise gegenüberliegen.
Ausgelöst wird die Hin- und Herbewegung des Nockenstücks 2 durch das Eingreifen des Aktuatorstifts 3 in eine der Verschiebenuten 12, 13. Der Aktuatorstift 3 selbst sitzt in einem nicht dargestellten, zylinderkopffesten Aktuatorstiftgehäuse. Er ist radial auf die Verschiebenuten 12, 13 des Nockenstücks 2 gerichtet.
Die Nocken 8, 9 treiben über Rollen 19 von Nockenfolgern 4 die Gaswechselventile 5 an. Bei den Nockenfolgern 4 handelt es sich um konventionelle Schlepp- oder Schwinghebel. Es sind aber auch Kipphebel oder Tassenstößel denkbar.
2 zeigt ebenfalls einen Teil des Ventiltriebs eines Zylinders 22'. Dazu gehören unter anderem eine Zahnwelle 1', mit zwei Nockenstücken 2' und zwei Aktuatorstiften 3'. Der Ventiltrieb nach 2 hat die gleiche Funktion wie der Ventiltrieb von 1, besitzt jedoch eine modifizierte konstruktive Ausbildung.
Bei der Zahnwelle 1' kann es sich um eine solche für Ein- oder Auslaßventile handeln. Sie ist in einem Zahnwellenlager 6' gelagert, das in der Mitte zwischen den Gaswechselventilen 5 eines der Zylinder 22' angeordnet ist. Dadurch wird im Vergleich zur Zahnwellenlagerung zwischen den Zylindern 22 ein geringeres Biegemoment auf die Zahnwelle 1' ausgeübt, was zu einem steiferen Ventiltrieb führt.
Außerhalb des Zahnwellenlagers 6' weist die Zahnwelle 1' eine axiale Außenverzahnung 7' auf, die zu der axialen Innenverzahnung der beiden Nockenstücke 2' paßt, die auf diese Weise verdrehfest, aber axial verschiebbar mit der Zahnwelle 1' verbunden sind.
Die Nockenstücke 2' sind spiegelsymmetrisch ausgebildet. An ihrem lagerseitigen Ende sind je ein als Vollhubnocken ausgebildeter Nocken 8' und ein als Teilhubnocken ausgebildeter Nocken 9' angeordnet, die unterschiedlichen Nockenhub, aber gleichen Grundkreisdurchmesser aufweisen. Sie beaufschlagen eine Rolle 19' eines nicht dargestellten Nockenfolgers.
Am lagerfernen Ende der Nockenstücke 2' sind je eine erste und zweite Verschiebenut 12', 13' angeordnet, in die abwechselnd je ein Aktuatorstift 3' eingreifen kann. Auch die Verschiebenuten 12', 13' sind unmittelbar nebeneinander angeordnet und kreuzen sich in einem Kreuzungsbereich 18'. Dadurch verringert sich der Platzbedarf beider Verschiebenuten 12', 13' auf den einer einzigen, was der Breite des Zahnwellenlagers 6' und der Nocken 8', 9' zugute kommt.
Im Gegensatz zu den Verschiebenuten 12, 13 der 1 fehlt den Verschiebenuten 12', 13' ein mittiger Führungssteg. Dadurch wird deren Fertigung vereinfacht. Aufgrund der Massenträgheit der Nockenstücke 2' legen sich diese nach Einfahren der Aktuatorstifte 3' in die Verschiebenuten 12', 13' an deren äußeren Führungswänden 16', 17' an. Dabei wechseln die Aktuatorstifte 3' im Kreuzungsbereich 18' die Anlage zwischen den äußeren Führungswänden 16' und 17'. Selbstverständlich können die Verschiebenuten 12, 13 der 1 bei der 2 und umgekehrt angewendet werden.
Der erfindungsgemäße Ventiltrieb funktioniert folgendermaßen: Bei hoher Last und Drehzahl des Motors sind die Vollhubnocken im Eingriff und sorgen für die dann erforderlichen großen Zeitquerschnitte der Gaswechselventile 5. Bei geringer Last und Drehzahl ist es vorteilhafter, mit dem kleineren Zeitquerschnitt der Teilhubnocken zu arbeiten. Das Umschalten zwischen den beiden Nocken 8, 9 bzw. 8', 9' wird durch Einfahren des Aktuatorstiftes 3 bzw. der Aktuatorstifte 3' in die jeweils unter denselben liegenden Verschiebenuten 12, 13, bzw. 12', 13' eingeleitet. Das Verschieben der Nocken 8, 9 bzw. 8', 9' geschieht während einer Schaltumdrehung der Nockenstücke 2, 2' in der gemeinsamen Grundkreisphase der Nocken 8, 9 bzw. 8', 9'. Nach dieser Schaltumdrehung gelangen die Aktuatorstifte 3, 3' über die Endstücke 14, 15 der Verschiebenuten 12, 13, 12', 13' in ihre Ausgangsposition zurück, wo die Aktuatorstifte 3, 3' bis zum erneuten Einfahren in die jeweils anderen Verschiebenuten 12, 13, 12', 13' verharren, um einen neuerlichen Wechsel der Nockenposition einleiten zu können.
Bezugszeichenliste

1, 1': Zahnwelle
2, 2': Nockenstücke
3, 3': Aktuatorstifte
4: Nockenfolger
5: Gaswechselventile
6, 6': Zahnwellenlager
7, 7': axiale Außenverzahnung
8, 8': Nocken
9, 9': Nocken
10, 10': Nockenpaare
11: zylindrischer Abschnitt
12, 12': Verschiebenuten
13, 13': Verschiebenuten
14, 15: Endstücke
16, 16': äußere Führungswände
17, 17': äußere Führungswände
18, 18': Kreuzungsbereiche
19, 19': Rollen
20: Nockenfolger
21: mittiger Führungssteg
22, 22': Zylinder

Claims

Ventiltrieb mit Ventilhubumschaltung für die Gaswechselventile (5) eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit folgenden Merkmalen: – eine Zahnwelle (1) mit axialer Außenverzahnung (7) und zumindest einem Nockenstück (2) pro Zylinder (22), das eine dazu passende Innenverzahnung aufweist und verdrehfest aber axial verschiebbar mit der Zahnwelle (1) verbunden ist, wobei die Zahnwelle (1) in Zahnwellenlagern (6) zwischen den Zylindern (22) außerhalb des Nockenstücks (2) gelagert ist; – das Nockenstück (2) weist pro Gaswechselventil (5) zumindest zwei nebeneinander liegende Nocken (8, 9) mit unterschiedlichem Hub und gleichem Grundkreisdurchmesser sowie zwei am Umfang des Nockenstücks (2) angeordnete, spiegelsymmetrisch ausgebildete Verschiebenuten (12, 13) auf, deren Endstücke (14, 15) am Umfang des Nockenstücks (2) auslaufen; – zumindest ein radial zu dem Nockenstück (2) hin bewegbarer Aktuatorstift (3), der in einem Aktuatorstiftgehäuse sitzt, das fest an einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei durch das Eingreifen des Aktuatorstifts (3) in eine der Verschiebenuten (12, 13) das Nockenstück (2) axial verschiebbar ist; dadurch gekennzeichnet, – dass das Nockenstück (2) zwei Nockenpaare (10) mit Nocken (8, 9) aufweist, wobei die Nocken (8, 9) in gleicher Weise angeordnet sind, – dass die Verschiebenuten (12, 13) zwischen beiden Nockenpaaren (10) auf einem zylindrischen Abschnitt (11) des Nockenstücks (2) angeordnet sind, – dass die Verschiebenuten (12, 13) einen so geringen axialen Abstand aufweisen, dass sie sich in einem Kreuzungsbereich (18) kreuzen und äußere Führungswände (16, 17) und außerhalb des Kreuzungsbereichs (18) einen mittigen Führungssteg (21) aufweisen, durch den die Verschiebenuten (12, 13) getrennt sind, – und dass ein einziger Aktuatorstift (3) für beide Verschieberichtungen des Nockenstücks (2) vorgesehen ist, der im Kreuzungsbereich (18) aufgrund der Massenträgheit des Nockenstücks (2) die Anlage zwischen den äußeren Führungswänden (16, 17) wechselt.
Ventiltrieb mit Ventilhubumschaltung für die Gaswechselventile (5) eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit folgenden Merkmalen: – eine Zahnwelle (1') mit axialer Außenverzahnung (7') und zumindest einem Nockenstück (2') pro Zylinder (22'), das eine dazu passende Innenverzahnung aufweist und verdrehfest aber axial verschiebbar mit der Zahnwelle (1') verbunden ist; – das Nockenstück (2') weist pro Gaswechselventil (5) zumindest zwei nebeneinander liegende Nocken (8', 9') mit unterschiedlichem Hub und gleichem Grundkreisdurchmesser sowie zwei am Umfang des Nockenstücks (2') angeordnete, spiegelsymmetrisch ausgebildete Verschiebenuten (12', 13') auf, deren Endstücke (14, 15) am Umfang des Nockenstücks (2') auslaufen; – zumindest ein radial zu dem Nockenstück (2') hin bewegbarer Aktuatorstift (3'), der in einem Aktuatorstiftgehäuse sitzt, das fest an einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei durch das Eingreifen des Aktuatorstifts (3') in eine der Verschiebenuten (12', 13') das Nockenstück (2') axial verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verschiebenuten (12', 13') einen so geringen axialen Abstand aufweisen, dass sie sich in einem Kreuzungsbereich (18') kreuzen und nur äußere Führungswände (16', 17') aufweisen, so dass die Verschiebenuten (12', 13') auch außerhalb des Kreuzungsbereichs (18') nicht getrennt sind, – und dass ein einziger Aktuatorstift (3) für beide Verschieberichtungen des Nockenstücks (2') vorgesehen ist, der im Kreuzungsbereich (18') aufgrund der Massenträgheit des Nockenstücks (2') die Anlage zwischen den äußeren Führungswänden (16', 17') wechselt.
Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zahnwelle (1') ein Zahnwellenlager (6') vorgesehen ist, das in der Mitte zwischen den Gaswechselventilen eines Zylinders (22') und zwischen zwei Nockenstücken (2') angeordnet ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenstücke (2') zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet sind, mit je einem lagernahen, aus den Nocken (8', 9') bestehenden Nockenpaar (10') und mit je zwei Verschiebenuten (16', 17'), die sich an das Nockenpaar (10') anschließen.