DE102005035314B4

DE102005035314B4 - Ventiltrieb für Ladungswechselventile von Viertaktverbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102005035314B4
Application number: DE102005035314A
Authority: DE
Inventors: Andreas Werler; Jörg Wutzler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: US7412951B2; US20070022990A1; DE102005035314A1

Abstract

Ventiltrieb für Ladungswechselventile von Viertaktverbrennungsmotoren, bei dem die Ladungswechselventile (2) mittels Federkraft in Schließstellung gehalten sind und mit einem von einem Nocken (11) bewegten Schwenkhebel (30) zum taktrichtigen Öffnen eines Ladungswechselkanals im Eingriff stehen und bei dem der Nocken (11) zusätzlich mit einem Zwischenglied (5) im Eingriff steht, dessen Eingriffsbereich am Nocken (11) derart positioniert ist, dass es zusätzlich während eines anderen Arbeitstaktes von der Erhebungskurve des Nockens (11) bewegt wird und auf den Schwenkhebel (30) einstellbar einwirkt, wobei das Ladungswechselventil (2) zusätzlich, jedoch mit geringerem Zeitquerschnitt, während eines anderen Arbeitstaktes öffnet, wobei das Zwischenglied (5) an einem im Zylinderkopf (ZK) schwenkbaren und in seiner Lage einstellbaren Element (40) prismatisch geführt ist und weiterhin mit dem Nocken (11) und dem Schwenkhebel (30) im Eingriff steht, so dass unterschiedliche Untersetzungen der Hubbewegung des Nockens (11) zum Öffnen des Ladungswechselventils (2) über den Schwenkhebel (30) einstellbar sind wobei...

Description

Die Erfindung betrifft Ventiltriebe für Ladungswechselventile von Viertaktverbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches, bei denen zusätzlich zum taktrichtigen Öffnen ein wahlweises Öffnen des Ladungswechselventils während eines anderen Arbeitstaktes erfolgen kann.
Vorbekannt ist ein gattungsgemäßer Ventiltrieb für Auslassventile aus der Schrift WO 03/067067 , 2 und 4. Mittels Federkraft in Schließstellung gehaltene Auslassventile werden in üblicher Weise von einem Auslassnocken über einen Kipp- oder Schwenkhebel sowie eine auf die Schäfte der Ventile wirkende Druckplatte taktrichtig geöffnet, so dass die Abgase am Ende des Expansionstaktes und während der Bewegung des Kolbens zum oberen Totpunkt aus dem Zylinderraum über den Auslasskanal in den Abgastrakt strömen können.
Am Kipp- oder Schwenkhebel ist ein Zwischenglied schwenkbar angelenkt, welches über einen wahlweise mit Druck beaufschlagten, hydraulischen Druckzylinder gegen den Kipp- oder Schwenkhebel fest abgestützt ist oder bei unbeaufschlagtem Druckzylinder frei um seinen Anlenkpunkt schwenken kann.
Bei beaufschlagtem, hydraulischem Druckzylinder steht der Auslassnocken während des Ansaugvorganges über das Zwischenglied mit dem Kipp- oder Schwenkhebel im Eingriff, wobei dieser ausschließlich vom höchsten Bereich der Erhebungskurve des Auslassnockens bewegt wird. Das Auslassventil wird somit zusätzlich während des Ansaugvorganges geöffnet, jedoch geschieht dies mit wesentlich geringerem Zeitquerschnitt als beim Ausschieben von Abgas. Dies ist dargestellt in 1 eingangsgenannter Schrift.
Durch das zusätzliche Öffnen des Auslassventils während des Ansaugvorganges gelangt Abgas über den Auslasskanal aus dem Abgastrakt in den Zylinder und vermischt sich nachfolgend mit angesaugter Luft oder dem zugeführten Brennstoff-Luftgemisch während des Ansaugens und Verdichtens.
Um einen geringen Zeitquerschnitt zum Rückführen von Abgas während des Ansaugtaktes von Abgas zu erzielen, wird nur der höchste Bereich der Erhebungskurve des Auslassnockens genutzt, wobei dieser höchste Bereich eine optimal für das Rückführen von Abgas gestaltete Erhebungscharakteristik aufweist. Eine derartige Erhebungscharakteristik bildet einen Kompromiss zu einer optimalen Erhebungscharakteristik für den Auslassvorgang von Abgasen.
Nachteilig ist auch, dass das am Kipp- oder Schwenkhebel angelenkte Zwischenglied bei allen Auslassventilbewegungen, also auch beim Auslassvorgang der Abgase, mit bewegt wird, ohne dass dies funktionell notwendig wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem gattungsgemäßen Ventiltrieb einen üblichen, für einen bestimmten Ladungswechsel gestalteten Nocken anzuwenden und eine Übertragungseinrichtung für die von ihm bewirkten Bewegungen zu schaffen, die eine sensible Einstellung von unterschiedlichen Zeitquerschnitten beim zusätzlichen Öffnen während eines anderen Arbeitstaktes zulässt.
Erfindungsgemäß wird dies durch die im Hauptanspruch genannten Merkmale gelöst.
Die Anwendung eines Zwischengliedes, welches in an sich bekannter Weise an einem im Zylinderkopf schwenkbaren und in seiner Lage einstellbaren Element geführt ist, ermöglicht es, unterschiedliche Untersetzungen der Hubbewegung des Nockens für das zusätzliche Öffnen des Ladungswechselventils einzustellen, so dass der Nocken ausschließlich für den jeweiligen Ladungswechselvorgang – Auslassen von Abgasen oder Ansaugen von Ladung – optimiert ausgeführt werden kann.
Mittels der vorbeschriebenen Übertragungseinrichtung mit dem Zwischenglied und dem in seiner Lage einstellbaren Element wird die Hubbewegung des jeweiligen Nockens – Einlass- oder Auslassnocken – entsprechend den Anforderungen einstellbar untersetzt, so dass das zusätzliche Öffnen des jeweiligen Ladungswechselventils – Einlass- oder Auslassventil – sensibel regelbar ist.
Dies ist sowohl notwendig zum Rückführen von Abgas in den Zylinder während des Ansaugtaktes über ein Auslassventil als auch zum Rückführen von Abgas in den Ansaugtrakt über ein Einlassventil während des Ausschiebens von Abgas aus dem Zylinder.
Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung, dass beim taktrichtigen Öffnen der jeweiligen Ladungswechselventile mit großen Öffnungswegen ausschließlich der Schwinghebel bewegt wird und das Zwischenglied in seiner Ruhelage verbleibt. Das Zwischenglied mit seiner Masse wird nur für das zusätzliche Öffnen vom Nocken bewegt.
Die Merkmale der Unteransprüche werden in der Beschreibung im Zusammenhang mit ihren Wirkungen und Vorteilen erläutert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung mit schematisierten Seitenansichten des Ventiltriebs mit Blick in Richtung des Verlaufes der Nockenwellenachse und die damit erzielbaren Ventilöffnungskurven beschrieben.
Es zeigen:
1 den erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einer Stellung vor dem Öffnen des Ladungswechselventils, welches hier ein Auslassventil ist,
2 den erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einer Stellung bei voll geöffnetem Auslassventil während des Ausschiebens der Abgase,
3 den erfindungsgemäßen Ventiltrieb in einer Stellung während des
Ansaugtaktes, wobei das Auslassventil gering geöffnet ist,
4 die mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb für das Auslassventil von einem Auslassnocken bestimmte Ventilerhebungskurve und die zusätzlich einstellbaren Ventilerhebungskurven während des Ansaugtaktes.
Abweichend von 4 zeigt
5 die mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb für ein Einlassventil von einem Einlassnocken bestimmte Ventilerhebungskurve während des Ansaugtaktes und die zusätzlich einstellbaren Ventilerhebungskurven während des Taktes zum Ausschieben der Abgase.
In 1 ist eine Seitenansicht auf die Elemente eines erfindungsgemäßen Ventiltriebes mit Blick in Richtung des Verlaufes der Nockenwellenachse gezeigt. Eine von der Kurbelwelle, ggf. über eine Winkelverstelleinrichtung angetriebene Nockenwelle 1 ist im Zylinderkopf ZK ortsfest drehbar gelagert und dreht in allen Ansichten jeweils im Uhrzeigersinn. Sie weist Nocken 11 auf, deren Erhebungskurve und Winkelstellung zur Kurbelwelle dem Auslassen und Ausschieben von Abgasen angepasst ist. Demgemäss ist das vom Ventiltrieb betätigte Ladungswechselventil 2 ein Auslassventil.
Eine lagefest geführte Hubübertragungsanordnung 3 mit einem Schwenkhebel 30 ist jeweils dem im Zylinderkopf ZK angeordneten, durch Federkraft schließenden Ladungswechselventil 2 zugeordnet, von dem nur in 1 die Endpartie des Ventilschaftes dargestellt ist. Die Endfläche des Ventilschaftes liegt an einem im Schwenkhebel 30 angeordneten Spielausgleichselement 33 an, wobei durch dessen Kraft der Schwenkhebel 30 in üblicher Weise ständig mit seiner Rolle 31 spielfrei gegen die Lauffläche des Nockens 11 gedrängt wird. Die am Schwenkhebel 30 gelagerte Rolle 31 bildet somit eine erste Eingriffsfläche am Schwenkhebel 30.
Der Schwenkhebel 30 ist unter Zwischenschaltung einer Exzenterbüchse 35 einstellbar auf einer im Zylinderkopf ZK geführten Achse 34 gelagert.
Ein Zwischenglied 5 ist mit einer an ihm gelagerten Rolle 53 in der Weise zum Nocken 11 positioniert, dass die Rolle 53 während des Ansaugvorganges, also erst nach dem Ausschieben der Abgase, in Eingriff mit der Erhebungskurve des Nockens 11 gelangt. Durch diese Anordnung wird das Zwischenglied 5 ausschließlich während des Ansaugvorganges vom Nocken 11 bewegt.
Ein im Zylinderkopf ZK ortsfest, jedoch um eine fest positionierte Schwenkachse in seiner Lage einstellbares Element 40 und das Zwischenglied 5 bilden zusammen eine an sich bekannte Übertragungseinrichtung 6 – siehe 2 und 3 – zum unterschiedlich einstellbaren Untersetzen der Hubbewegung des Nockens 11 beim Übertragen auf den Schwenkhebel 30 und das Ladungswechselventil 2.
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 mittels seiner Gleitstützen 55 mit Linienberührung an einer Stützkurve 41 im Eingriff. Die Außenkontur der Stützkurven 41 bildet ein Kreisbogen um die Schwenkachse des Elementes 40 im Zylinderkopf ZK. Diese Anordnung bildet eine prismatische Abstützung des Zwischengliedes 5 auf dem in seiner Stellung veränderlichen Element 40 und sichert damit die Führung des Zwischengliedes 5 in jeder Phase einer durch den Nocken 11 bewirkten Bewegung. Unter der Wirkung der Kraft F einer am Zylinderkopf ZK ortsfest gegengelagerten und geführten, gewundenen Biegefeder 51 wird das Zwischenglied 5 ständig sowohl mit seiner Rolle 54 und seinen Gleitstützen 55 gegen das veränderliche Element 40 als auch mit seiner Rolle 53 gegen den Nocken 11 gedrängt und im Eingriff gehalten.
Das Zwischenglied 5 weist weiterhin eine Außenkontur 52 auf, die mit einer zweiten Rolle 32 am Schwenkhebel 30 im Eingriff steht. Die Rolle 32 bildet somit eine zweite Eingriffsfläche am Schwenkhebel 30, die ausschließlich zum Öffnen des Ladungswechselventils 2 während des Ansaugvorganges in Eingriff gelangt, siehe 3.
Mittels der Übertragungseinrichtung 6 kann ein sensibel steuerbares Öffnen des Ladungswechselventils 2 mit geringeren Zeitquerschnitten zum Rückführen von Abgas aus dem Abgastrakt in den Zylinder während des Ansaugvorganges erzielt werden.
Prinzipiell ist der Aufbau der Übertragungseinrichtung 6 – siehe 2 und 3 – und ihre Funktion zum Variieren des Ventilhubes bereits aus der Schrift DE 202 20 138 U1 vorbekannt und deshalb nicht Gegenstand eines Schutzes in dieser Anmeldung.
Die zwischen der ortsfest angeordneten Achse 34 und der Lagerbohrung des Schwenkhebels 30 schwenkbar angeordnete Exzenterbüchse 35 dient zum Einstellen des Eingriffspiels zwischen der Außenkontur 52 am Zwischenglied 5 und der Rolle 32 am Schwenkhebel 30. Mittels einer Klemmschraubenanordnung 36 im Schwenkhebel 30 wird nach dem Einstellen des vorgenannten Eingriffspiels die Exzenterbüchse 35 in der Lagerbohrung des Schwenkhebels 30 festgeklemmt.
Funktion und Bewegungen in der erfindungsgemäßen Einrichtung:
In 1 ist das Ladungswechselventil 2 geschlossen, die Rolle 31 des Schwenkhebels 30 und die Rolle 53 am Zwischenglied 5 stehen jeweils mit dem Grundkreis des Nockens 11 im Eingriff. Bei weiterer Drehung des Nockens 11 aus vorgenannter Stellung im Uhrzeigersinn wird zuerst die Rolle 31 von dessen Erhebung stetig bis zum Erreichen der äußersten Nockenkontur in Richtung des Ventilöffnens gedrängt, siehe 2. und das Ladungswechselventil 2 stets mit konstantem Hub geöffnet.
Die Rolle 32 am Schwenkhebel 30 entfernt sich bei voller Öffnung des Ladungswechselventils 2 um eine Strecke S von seinem Eingriffbereich an der Außenkontur 52 des sich nicht bewegenden Zwischengliedes 5, weil dessen Rolle 53 zu diesem Zeitpunkt auf dem Grundkreis des Nockens 11 läuft.
Nach der in 2 gezeigten Funktionsstellung wird nachfolgend das Ladungswechselventil 2 durch Federkraft geschlossen, wobei die Rolle 31 des Schwenkhebels 30 wieder auf den Grundkreis des Nockens 11 gelangt. Damit ist auch das mittels der Exzenterbüchse 35 eingestellte Eingriffspiel zwischen der Außenkontur 52 am Zwischenglied 5 und der Rolle 32 am Schwenkhebel 30 wieder vorhanden.
Bei weiterer Drehung des Nockens 11 bewegt dessen Erhebung die Rolle 53 und damit das Zwischenglied 5 bis zum Erreichen der äußersten Nockenkontur.
Je nach Stellung des in seiner Lage einstellbaren Elementes 40 wird das Zwischenglied 5 mittels der Steuerkurve 42 über seine Rolle 54 mit seiner Außenkontur 52 gegen die Rolle 32 des Schwenkhebels 30 mehr oder weniger in Richtung des Ventilöffnens gedrängt, siehe 3.
In 3 ist ein geringes Öffnen des Ladungswechselventils 2 zur Abgasrückführung eingestellt, welches an der Strecke A, dem Abheben der Rolle 31 des Schwenkhebels 30 vom Grundkreis des Nockens 11, erkennbar ist. Bei weiterer Verstellung des einstellbaren Elementes 40 gegen den Uhrzeigersinn aus der in 3 gezeigten Position würde das Ladungswechselventil 2 zur Abgasrückführung mehr geöffnet als in 3, weil das Zwischenglied 5 mit seiner Rolle 54 mehr auf die Steuerkurve 42 geschoben und damit das Zwischenglied 5 mit seiner Außenkontur 52 auch mehr gegen die Rolle 32 des Schwenkhebels 30 verlagert wird. Die Strecke A würde dann größer sein als jene in 3.
Nach dem Durchlauf der höchsten Erhebung des Nockens 11 an der Rolle 53 drängt die Kraft F der gewundenen Biegefeder 51 und die Rückstellkraft der Ventilfeder über das Spielausgleichselement 33 den Schwenkhebel 30 und das Zwischenglied 5 wieder in Richtung Grundkreis des Nockens 11. Letztlich gelangt die am Schwenkhebel 30 gelagerte Rolle 31 wieder in kraftschlüssigen Eingriff mit dem Grundkreis des Nockens 11.
4 zeigt mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb realisierbare Ventilerhebungskurven für ein Ladungswechselventil 2, welches in diesem Falle ein Auslassventil ist, mit ihrer Lage in den Taktbereichen eines Viertaktmotors.
Der Nocken 11 öffnet das Ladungswechselventil 2 am Ende des Expansionstaktes und während des Ausschiebens stets mit konstantem Hub, siehe ÖA.
Über das Zwischenglied 5 der Übertragungseinrichtung 4 kann das einstellbare Öffnen des Ladungswechselventil 2, siehe Kurvenschar ÖAR, auch während des Ansaugens erfolgen. Dadurch wird eine Abgasrückführung aus dem Abgastrakt in den Zylinder erreicht.
Ist eine Abgasrückführung unerwünscht, wird ein Öffnen des Ladungswechselventils 2 durch die Übertragungseinrichtung 6 unterbunden, es bleibt im geschlossenen Zustand.
In 5 sind die mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb für ein als Einlassventil wirkendes Ladungswechselventil 2 erzielbaren Ventilerhebungskurven dargestellt. Der Nocken 11 ist als Einlassnocken ausgeführt und die Nockenwelle 1 dreht im Gegensatz zur vorherbeschriebenen Ausführung gegen den Uhrzeigersinn.
Während des Taktes – Ausschieben von Abgas – gelangt die Erhebung des Nockens 11 zur Rolle 53 und verdrängt das Zwischenglied 5 bis zum Erreichen der äußersten Nockenkontur. Je nach Stellung des in seiner Lage einstellbaren Elementes 40 wird das Zwischenglied 5 mittels der Steuerkurve 42 über seine Rolle 54 mit seiner Außenkontur 52 gegen die Rolle 32 des Schwenkhebels 30 mehr oder weniger in Richtung des Ventilöffnens gedrängt, siehe 3, so dass die in 5 dargestellten Erhebungskurven ÖER für das Einlassventil eingestellt werden können. Somit kann das Rückführen von Abgas in den Ansaugtrakt über das Einlassventil während des Ausschiebens von Abgas aus dem Zylinder sensibel geregelt werden.
Bei weiterer Drehung der Nockenwelle 1 gelangt der Nocken 11 in Eingriff mit der Rolle 31 am Schwenkhebel 30 – siehe 2 – und öffnet in üblicher Weise vor Beginn des Ansaugtaktes bis zum Beginn des Verdichtungstaktes das als Einlassventil wirkende Ladungswechselventil 2 stets mit konstantem Hub, siehe ÖE in 5.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
11: Nocken (Einlass- oder Auslassnocken)
2: Ladungswechselventil (Einlass- oder Auslassnocken)
3: Hubübertragungsanordnung
30: Schwenkhebel
31: Rolle
32: Rolle
33: Spielausgleichselement
34: Achse für die Lagerung von 30
35: Exzenterbüchse
36: Klemmschraubenanordnung in 30 für 35
4: Übertragungseinrichtung
40: Element in seiner Stellung veränderlich, schwenkbar
41: Stützkurve
42: Steuerkurve
5: Zwischenglied
51: gewundene Biegefeder
52: Außenkontur
53: Rolle
54: Rolle
55: Gleitstütze
6: Übertragungseinrichtung für das von 11 bewirkte zusätzliche Öffnen von 2
A: Strecke
F: Kraft von 51, die an 5 angreift und 5 gegen 4 und 11 kraftschlüssig hält
ÖA: Öffnen von 2 (Auslassventil) zum Auslassen und Ausschieben von Abgas
ÖAR: Kurvenschar beim Öffnen von 2 (Auslassventil) zur Rückführung von Abgas während des Ansaugtaktes
ÖE: Öffnen von 2 (Einlassventil) zum Ansaugen
ÖER: Erhebungskurven beim Öffnen von 2 (Einlassventil) zur Rückführung von Abgas in den Ansaugtrakt während des Ausschiebens von Abgas
S: Strecke
ZK: Zylinderkopf

Claims

Ventiltrieb für Ladungswechselventile von Viertaktverbrennungsmotoren, bei dem die Ladungswechselventile (2) mittels Federkraft in Schließstellung gehalten sind und mit einem von einem Nocken (11) bewegten Schwenkhebel (30) zum taktrichtigen Öffnen eines Ladungswechselkanals im Eingriff stehen und bei dem der Nocken (11) zusätzlich mit einem Zwischenglied (5) im Eingriff steht, dessen Eingriffsbereich am Nocken (11) derart positioniert ist, dass es zusätzlich während eines anderen Arbeitstaktes von der Erhebungskurve des Nockens (11) bewegt wird und auf den Schwenkhebel (30) einstellbar einwirkt, wobei das Ladungswechselventil (2) zusätzlich, jedoch mit geringerem Zeitquerschnitt, während eines anderen Arbeitstaktes öffnet, wobei das Zwischenglied (5) an einem im Zylinderkopf (ZK) schwenkbaren und in seiner Lage einstellbaren Element (40) prismatisch geführt ist und weiterhin mit dem Nocken (11) und dem Schwenkhebel (30) im Eingriff steht, so dass unterschiedliche Untersetzungen der Hubbewegung des Nockens (11) zum Öffnen des Ladungswechselventils (2) über den Schwenkhebel (30) einstellbar sind wobei das Ladungswechselventil (2) ein Auslassventil ist, wobei der als Auslassnocken wirkende Nocken (11) zuerst mit seiner Erhebung mit der Hubübertragungsanordnung (3) zum taktrichtigen Öffnen und erst nachfolgend mit dem Zwischenglied (5) in Eingriff gelangt, und eine am Schwenkhebel (30) gelagerte erste Rolle (31) eine erste Eingriffsfläche am Schwenkhebel (30) bildet und das Zwischenglied (5) weiterhin eine Außenkontur (52) aufweist, die mit einer zweiten Rolle (32) am Schwenkhebel (30) im Eingriff steht wobei die Rolle (32) somit eine zweite Eingriffsfläche am Schwenkhebel (30) bildet, die ausschließlich zum Öffnen des Ladungswechselventils (2) während des Ansaugvorganges in Eingriff gelangt, wobei das Zwischenglied (5) mit einer an ihm gelagerten Rolle (53) in der Weise zum Nocken (11) positioniert ist, dass die Rolle (53) während des Ansaugvorganges, also erst nach dem Ausschieben der Abgase, in Eingriff mit der Erhebungskurve des Nockens (11) gelangt und ausschließlich während des Ansaugvorganges vom Nocken (11) bewegt ist, wobei das Zwischenglied mit seiner Masse nur für das zusätzliche Öffnen vom Nocken bewegt wird.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenglied (5) mittels der Kraft der ortsfest geführten und abgestützten, gewundenen Biegefeder (51) ständig sowohl mit dem Nocken (11), als auch mit der Stütz- (41) und der Steuerkurve (42) an dem in seiner Lage einstellbaren Element (40) im Eingriff gehalten ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkhebel (30) mittels einer einstellbaren und zur Lagerbohrung des Schwenkhebels (30) fixierbaren Exzenterbüchse (35) auf der ortsfest angeordneten Achse (34) gelagert ist, wobei über diese Exzenterbüchse (35) das Eingriffspiel zwischen der Außenkontur (52) am Zwischenglied (5) und der Rolle (32) am Schwenkhebel (30) einstellbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkhebel (30) in seiner Lagerbohrung eine Klemmschraubenanordnung (36) zum Fixieren der Exzenterbüchse (35) aufweist.