DE102004038473B4

DE102004038473B4 - Ventiltrieb für Ladungswechselventile von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102004038473B4
Application number: DE102004038473A
Authority: DE
Inventors: Lutz Stiegler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2004-08-07
Filing date: 2004-08-07
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2024-08-08
Also published as: KR20060049049A; DE102004038473A1; US7222596B2; US20060027195A1

Abstract

Ventiltrieb für Ladungswechselventile von Verbrennungsmotoren, die von Federkraft in Schließstellung gehalten und wahlweise von einem Haupt- oder zusätzlich von einem Nebennocken einer Nockenwelle über einen schwenkbar angeordneten Hebel zu betätigen sind, dabei ist der Hauptnocken mit seiner Erhebungskurve und Winkelstellung zur Kurbelwelle einem zu steuernden Ladungswechselvorgang angepasst und der Nebennocken abweichend vom Hauptnocken wirksam, wobei an dem schwenkbaren Hebel zwei Eingriffsflächen zum Einleiten von Bewegungen in unterschiedliche Positionen angeordnet sind, deren erste Eingriffsfläche mit dem Hauptnocken und deren zweite Eingriffsfläche mit einem vom Nebennocken betätigbaren Zwischenglied zum variablen einstellbaren Öffnen des Ladungswechselventils in Eingriff steht,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Schwenkhebel (30) zweiteilig ausgeführt ist und aus je einem Haupt- (301) und einem Nebenschwenkarm (302) besteht, wobei diese Schwenkarme (301; 302) unabhängig voneinander schwenkbar, jedoch in gleicher Achse angelenkt sind und je mit einem der Ladungswechselventile (2) im Eingriff stehen,
– der Hauptschwenkarm (301) einerseits die...

Description

Die Erfindung betrifft Ventiltriebe für Ladungswechselventile von Verbrennungsmotoren, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Vorbekannt ist aus der Schrift DE 694 14 386 T2 ein gattungsgemäßer Ventiltrieb für Auslassventile von Brennkraftmaschinen, bei dem ein von Federkraft in Schließstellung gehaltenes Auslassventil während des Einlasshubes geöffnet wird, so dass Abgas zu der Einlassluft zurückgeführt werden kann. Dabei ist an einer Kurbelschwinge jeweils eine Kurbelschwinge für ein Einlassventil und ein Auslassventil angebracht. Die jeweilige Kurbelschwinge für das Einlass- und das Auslassventil steht mit dem Einlass- bzw. Auslassnocken einer Nockenwelle in Wirkverbindung und steuert somit das Öffnen der entsprechenden Ventile. Parallel zu der Nockenwelle ist eine zweite Welle drehbar und axial verschiebbar angeordnet. Über einen an der zweiten Welle angeordneten ersten Schwenkarm steht der Schwinghebel des Einlassventils und über einen zweiten Schwenkarm der Schwinghebel des Auslassventils in Wirkverbindung. Die durch den Einlassnocken hervorgerufene Wippbewegung der Einlasskurbelschwinge wird durch den ersten Schwenkarm in eine wechselseitige Drehbewegung der zweiten Welle umgewandelt. Der mit der Auslasskurbelschwinge in Verbindung stehende zweite Schwenkarm weist eine geneigte Exzenterfläche auf, die mit der Auslasskurbelschwinge in Wirkverbindung steht. In Abhängigkeit von der axialen Stellung der zweiten Welle und damit des Eingriffspunktes der Exzenterfäche wird die Auslasskurbelschwinge bei Drehung der zweiten Welle in eine zusätzliche Wippbewegung versetzt, so dass das Auslassventil zusätzlich geöffnet werden kann.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Steuerung zum zusätzlichen Öffnen des Auslassventils über den Nocken des Einlassventils erfolgt. Eine separate Steuerung des Auslassventils ist nicht möglich. Durch die Anordnung einer zusätzlichen Welle zur Nockenwelle ist ein erheblicher apparatetechnischer Aufwand notwendig, der außerdem einen großen Bauraum beansprucht, der in diesem Bereich in den meisten Fällen nicht vorhanden ist. Außerdem ist zum Einstellen des zusätzlichen Öffnens des Auslassventils eine komplizierte axiale Verschiebung der Welle erforderlich. Weiterhin nachteilig ist, dass die Gesamtmasse des Motors durch die zusätzlich angeordnete Welle wesentlich erhöht wird. Außerdem muss diese Welle gelagert werden, wodurch zusätzliche Reibverluste auftreten. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die sich drehende Welle ständig schwingt und somit die Steifigkeit des Systems beeinträchtigt wird.

Soweit im Folgenden von Ladungswechselventilen gesprochen wird, können dies sowohl Einlass- als auch Auslassventile sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem mechanischen Ventiltrieb ein zusätzliches Öffnen eines Ladungswechselventils abweichend von dem direkt zu steuernden Ladungswechseltakt variabel zu steuern und die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches genannten Merkmale gelöst.

Die Anwendung eines zweiteilig ausgeführten Schwenkhebels zum Betätigen von zwei Ladungswechselventilen erlaubt bei einer erfindungsgemäßen Ausführung mit zwei unabhängig voneinander schwenkbaren Schwenkarmen das Einleiten von Hubbewegungen durch den direkten Eingriff mit einem ersten Hauptnocken, welcher ein Öffnen und Schließen von zwei Ventilen für einen Ladungswechsel – z. B. Ansaugen von Frischgas oder Ausschieben von Abgas – und einen Eingriff mit einer von einem Nebennocken angetriebenen Übertragungseinrichtung für ein Ventil für eine variable Einstellung des Ventilhubes zur Rückführung von Abgas in den Zylinderraum oder auch in das Ansaugrohr ermöglicht.

Die Merkmale der Unteransprüche werden in der Beschreibung im Zusammenhang mit ihren Wirkungen und Vorteilen erläutert.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ventiltriebes mit zweigeteiltem Schwenkhebel,
2 eine Ansicht von oben gemäß 1,
3 Ventilerhebungskurven mit erfindungsgemäßen Ventiltrieben für Einlassventile und
4 Ventilerhebungskurven mit erfindungsgemäßen Ventiltrieben für Auslassventile.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ventiltriebes dargestellt.
Eine von der Kurbelwelle ggf. über eine Winkelverstelleinrichtung angetriebene Nockenwelle 1 ist im Zylinderkopf ZK drehbar mit fester Achslage gelagert und weist eine feste Lage zu Ladungswechselventilen 2 und deren zugeordneter Hubübertragungsanordnung 3 auf. Die lagefest geführte Hubübertragungsanordnung 3 ist den im Zylinderkopf ZK angeordneten, durch Federkraft schließenden Ladungswechselventilen 2 zugeordnet. Sie ist durch einen am Zylinderkopf ZK gelagerten Schwenkhebel 30 gebildet und mit einem Spielausgleichselement 33 versehen. Über eine am Schwenkhebel 30 gelagerte Rolle 31, welche die erste Eingriffsfläche am Schwenkhebel 30 bildet, steht ein Hauptnocken 11 der Nockenwelle 1 mit dem Schwenkhebel 30 im Eingriff.
Die Nockenwelle 1 weist neben dem Hauptnocken 11, dessen Erhebungskurve und Winkelstellung zur Kurbelwelle einem zu steuernden Ladungswechselvorgang angepasst ist, weiterhin einen Nebennocken 12 auf, der in einem anderen Taktbereich als der Hauptnocken 11 wirksam ist.
Die zweite Eingriffsfläche am Schwenkhebel 30 bildet eine an ihm gelagerte Rolle 32. Sie steht mit einer von dem Nebennocken 12 angetriebenen Übertragungseinrichtung 4 für vom Nebennocken 12 bewirkte Bewegungen zum variablen Einstellen des Ventilhubes im Eingriff, die folgenden Aufbau aufweist.
Ein in seiner Stellung veränderliches Element 40 ist im Zylinderkopf ZK ortsfest, jedoch um die fest positionierte Schwenkachse A4 zur Ventilhubeinstellung schwenkbar angeordnet. Es bildet ein verstellbares Widerlager für ein Zwischenglied 5, welches sich an ihm abstützt und auf diese Weise bei seiner Verlagerung geführt wird.
Das Zwischenglied 5 steht mit dem in seiner Stellung veränderlichen Element 40 kraftschlüssig über die an ihm gelagerte Rolle 54 an dessen Steuerkurve 42 sowie mit seinen Gleitstützen an den beiderseits der Steuerkurve 42 angeordneten, radial zurückgesetzten Stützkurven 41 kraftschlüssig im Eingriff. Die Außenkontur der Stützkurven 41 ist von einem Kreisbogen um die Schwenkachse A4 gebildet (siehe hierzu 2). Durch die beidseitigen, gegenüber der Steuerkurve 42 radial zurückgesetzten Stützkurven 41 wird eine axiale Führung des Zwischengliedes 5 erreicht. Diese Anordnung ergibt bei jeglicher Lage während der Hubbewegung eine prismatische Abstützung des Zwischengliedes 5 auf dem in seiner Stellung veränderlichen Element 40.
Weiterhin steht das Zwischenglied 5 mit einer an ihm gelagerten Rolle 53 mit dem Nebennocken 12 der Nockenwelle 1 und außerdem über seine Außenkontur mit einer Rolle 32 der den Ladungswechselventilen 2 zugeordneten Hubübertragungsanordnung 3 im Eingriff.
Das Zwischenglied 5 wird unter der Wirkung der Kraft einer Feder F mit dem Nebennocken 12 und dem veränderlichen Element 40 kraftschlüssig im Eingriff gehalten. Hierzu ist die Feder F im Bereich der Rolle 53 am Zwischenglied 5 gleitend und am Zylinderkopf ZK ortsfest abgestützt und geführt, dies ist nicht dargestellt.
Der erfindungsgemäß zweiteilig ausgeführte Schwenkhebel 30 besteht aus je einem Hauptschwenkarm 301 und einem Nebenschwenkarm 302, wobei diese beiden Schwenkarme 301; 302 unabhängig voneinander, jedoch gleichachsig angelenkt sind und mit je einem der Ladungswechselventile 2 im Eingriff stehen.
Der Hauptschwenkarm 301 weist einerseits die Rolle 31 als Eingriffsfläche für den ersten Hauptnocken 11 und andererseits einen ausschließlich in Richtung „Ventilöffnen" wirkenden, mit dem Nebenschwenkarm 302 im Eingriff stehenden Mitnehmer 303 auf.
Der Nebenschwenkarm 302 steht zusätzlich über die an ihm gelagerte Rolle 32 mit der vom Nebennocken 12 angetriebenen Übertragungseinrichtung 4 im Eingriff.
Diese Ausführung eines Ventiltriebes weist folgendes grundsätzliches Funktionsverhalten auf.
Die vom Hauptnocken 11 bewirkten Bewegungen werden stets auf beide Ladungswechselventile 2 übertragen. Hingegen werden vom Nebennocken 12 bewirkte Bewegungen nur je nach Einstellung der Übertragungseinrichtung 4 an dem dem Nebenschwenkarm 302 zugeordneten Ladungswechselventil 2 wirksam.
Prinzipiell ist der Aufbau der Übertragungseinrichtung 4 und ihre Funktion zum Variieren des Ventilhubes bereits aus der Schrift DE 202 20 138 U1 vorbekannt und ist nicht Gegenstand eines Schutzes in dieser Anmeldung.
Die Ladungswechselventile 2 des Ventiltriebes sind gemäß den 1 und 2 geschlossen. Die Rollen 31 und 53 sind mit dem jeweiligen Grundkreis des Haupt- 11 bzw. Nebennockens 12 im Eingriff.
Bei weiterer Drehung der Nockenwelle 1 im Uhrzeigersinn aus der in den vorgenannten Figuren gezeigten Stellung wird zuerst die Rolle 53 von der Erhebung des Nebennockens 12 stetig bis zum Erreichen der äußersten Nockenkontur in Richtung des Ventilöffnens gedrängt, wobei das dem Nebenschwenkarm 302 zugeordnete Ladungswechselventil 2 abhängig von der Übertragungseinrichtung 4 öffnet und nachfolgend durch Federkraft geschlossen wird, nicht dargestellt.
Durch die Gestaltung und die jeweils eingestellte Winkelstellung des Elementes 40 mit der Steuerkurve 42 ist ein einstellbares variables Öffnen des vom Nebenschwenkarm 302 betätigten Ladungswechselventils 2 möglich. Während dieses Vorganges stützt sich der Hauptschwenkarm 301 weiterhin auf dem Grundkreis des Hauptnockens 11 ab. Das dem Hauptschwenkarm 301 zugeordnete Ladungswechselventil 2 bleibt geschlossen.
Bei weiterer Drehung bewegt der Hauptnocken 11 über die Rolle 31 den Hauptschwenkarm 301 mit dem Mitnehmer 303, der mit dem Nebenschwenkarm 302 in Richtung „Ventilöffnen" im Eingriff steht. In üblicher Weise werden beide Ladungswechselventile 2 stets mit konstantem Hub vom Hauptnocken 11 geöffnet.
Mögliche Ventilerhebungskurven, die mit den erfindungsgemäßen Ventiltrieben realisierbar sind, sind in den 3 und 4 dargestellt und werden nachfolgend erläutert.
3 zeigt Ventilerhebungskurven von Einlassventilen mit ihrer Lage in den Taktbereichen von Viertaktmotoren, die mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb realisierbar sind. Die Ladungswechselventile 2 sind in diesem Fall Einlassventile.
Bei einer Ausführung des Ventiltriebes nach den 1 bzw. 2 werden beide Einlassventile vom Hauptnocken 11 während des Ansaugens stets mit konstantem Hub geöffnet, siehe Ö11. Über den Nebennocken 12 und die Übertragungseinrichtung 4 erfolgt ausschließlich ein einstellbares Öffnen nur des vom Nebenschwenkarm 302 betätigten Einlassventils, entsprechend der in 3 gezeigten Kurvenschar Ö12.
Das vom Hauptschwenkarm 301 betätigte Einlassventil bleibt geschlossen. Mit dieser Ausführung, bei der nur eines der Einlassventile für die Abgasrückführung wirksam ist, lässt sich eine feinere Dosierung der rückgeführten Abgasmenge erzielen.
4 zeigt Ventilerhebungskurven von Auslassventilen mit ihrer Lage in den Taktbereichen von Viertaktmotoren, die mit erfindungsgemäßen Ventiltrieben realisierbar sind. Die Ladungswechselventile 2 sind in diesem Fall Auslassventile.
Bei Anwendung einer Ausführung des Ventiltriebes nach den 1 bzw. 2 werden beide Auslassventile vom Hauptnocken 11 am Ende des Expansionstaktes und während des Ausschiebens stets mit konstantem Hub geöffnet, siehe Ö11. Über den Nebennocken 12 und die Übertragungseinrichtung 4 erfolgt ausschließlich ein einstellbares Öffnen nur des vom Nebenschwenkarm 302 betätigten Auslassventils, entsprechend der in 4 gezeigten Kurvenschar Ö12. Das vom Hauptschwenkarm 301 betätigte Auslassventil bleibt geschlossen.
Mit dieser Ausführung, bei der nur eines der Auslassventile für die Abgasrückführung wirksam ist, lässt sich eine feinere Dosierung der rückgeführten Abgasmenge ggf. auch eine Beeinflussung der Ladungsbewegung im Zylinderraum erzielen.
Ist keine Abgasrückführung erwünscht, wird das Öffnen des Auslassventils durch den Nebennocken 12 mittels der Übertragungseinrichtung 4 verhindert.
Zum Erzielen mehrerer Hübe kann der Nebennocken 12 mehrere Erhebungen aufweisen, die abweichend vom Hauptnocken 11 wirksam sind. Sind die Erhebungen am Nebennocken 12 unterschiedlich, so ist es möglich, je nach Stellung des veränderlichen Elementes 40 die Größe der zusätzlichen Hübe einzustellen und beispielsweise auch Hübe, die aus geringen Erhebungen am Nebennocken 12 resultieren, zu unterdrücken.
Im letzteren Fall werden nicht alle Erhebungen am Nebennocken 12 für das Öffnen von Ladungswechselventilen wirksam. Eine derartige Ausführung ist jedoch in keiner der Figuren dargestellt.

1: Nockenwelle
11: Hauptnocken
12: Nebennocken
2: Ladungswechselventil
3: Hubübertragungsanordnung
30: Schwenkhebel
31: Rolle
32: Rolle
33: Spielausgleichselement
301: Hauptschwenkarm
302: Nebenschwenkarm
303: Mitnehmer an 301
4: Übertragungseinrichtung für vom Nebennocken 12 bewirkte Bewegungen
40: Element, in seiner Stellung veränderlich, schwenkbar
41: Stützkurve
42: Steuerkurve
5: Zwischenglied
53: Rolle
54: Rolle
A4: Schwenkachse
F: Feder, deren Kraft an 5 angreift und gegen 4 und 12 anlegt
ZK: Zylinderkopf
Ö11: Öffnen von Ventilen 2 durch den Hauptnocken 11
Ö12: einstellbares Öffnen von Ventilen 2 durch den Nebennocken 12

Claims

Ventiltrieb für Ladungswechselventile von Verbrennungsmotoren, die von Federkraft in Schließstellung gehalten und wahlweise von einem Haupt- oder zusätzlich von einem Nebennocken einer Nockenwelle über einen schwenkbar angeordneten Hebel zu betätigen sind, dabei ist der Hauptnocken mit seiner Erhebungskurve und Winkelstellung zur Kurbelwelle einem zu steuernden Ladungswechselvorgang angepasst und der Nebennocken abweichend vom Hauptnocken wirksam, wobei an dem schwenkbaren Hebel zwei Eingriffsflächen zum Einleiten von Bewegungen in unterschiedliche Positionen angeordnet sind, deren erste Eingriffsfläche mit dem Hauptnocken und deren zweite Eingriffsfläche mit einem vom Nebennocken betätigbaren Zwischenglied zum variablen einstellbaren Öffnen des Ladungswechselventils in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schwenkhebel (30) zweiteilig ausgeführt ist und aus je einem Haupt- (301) und einem Nebenschwenkarm (302) besteht, wobei diese Schwenkarme (301; 302) unabhängig voneinander schwenkbar, jedoch in gleicher Achse angelenkt sind und je mit einem der Ladungswechselventile (2) im Eingriff stehen, – der Hauptschwenkarm (301) einerseits die Eingriffsfläche für den Hauptnocken (11) und einen ausschließlich in Richtung „Ventilöffnen" wirkenden, mit dem Nebenschwenkarm (302) im Eingriff stehenden Mitnehmer (303) aufweist, – der Nebenschwenkarm (302) von dem Nebennocken (12) über das Zwischenglied (5) angetriebenen wird.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebennocken (12) mehrere unterschiedliche Erhebungen aufweist.