DE102007007758A1

DE102007007758A1 - Ventiltrieb eines Hubkolben-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102007007758A1
Application number: DE102007007758A
Authority: DE
Inventors: Hugh Warden Nr Banbur Blaxill; Falk Schneider
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2008-08-21
Also published as: JP5398548B2; EP2118454B1; US9080472B2; ATE466171T1; EP2118454A1; DE502008000602D1; JP2010518322A; WO2008098991A1; US20100212625A1

Abstract

Bei einem Ventiltrieb eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit jeweils über mindestens drei von Nocken (5, 6) einer Nockenwelle (3; 4) betätigte Ventile (1; 2) gesteuerten Motorzylindern, wobei jeweils mindestens zwei Ventile (1; 2) funktionsgleich als Einlass- oder Auslassventile (1; 2) arbeiten, soll der Motorantriebs- und/oder Bremsbetrieb verbessert werden. Zu diesem Zweck zeichnet sich ein solcher Ventiltrieb dadurch aus, dass die Nocken (3, 4) der die mindestens zwei funktionsgleich arbeitenden Ventile, die jeweils ein Primär- und Sekundärventil (1p, 1s; 2p, 2s) sind, betätigenden Nockenwelle (3, 4) gegeneinander phasenverstellbar ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb eines Hubkolben-Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und beschäftigt sich mit dem Problem, den Arbeits- und/oder Bremsbetrieb des Verbrennungsmotors durch spezielle konstruktive Ausgestaltungen des Ventiltriebes sowie der hierdurch möglichen Ventilsteuerung zu verbessern.
Gelöst wird dieses Problem bei einem gattungsgemäßen Ventiltrieb durch eine Ausgestaltung nach dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Motorzylinder mit wenigstens zwei funktionsgleich als Einlass- oder Auslassventile arbeitende Ventilen die funktionsgleichen Ventile während eines Vier-Takt-Zyklus zumindest zeitweise asynchron auf die jeweils zugeordneten Ventile einwirken zu lassen. Zur Erzielung einer derartigen asynchronen Einwirkung dient erfindungsgemäß eine Nockenwelle mit innerhalb dieser Nockenwelle gegeneinander verdrehbaren, d. h. phasenverstellbaren Nocken. Bei beispielsweise zwei funktionsgleichen Ventilen, die von einer solchen Nockenwelle zu steuern sind, kann ein Primär- und ein Sekundärnocken vorgesehen sein. Handelt es sich bei der verwendeten Nockenwelle um eine solche, die aus zwei konzentrisch ineinander gelagerten, gegeneinander verdrehbaren Wellen besteht, kann beispielsweise der Primärnocken fest mit der Außenwelle verbunden sein und der Sekundärnocken bei einer Lagerung auf der Außenwelle fest mit der Innenwelle verbunden sein. Bei einer derart aufgebauten Nockenwelle ist für den Fall, dass die Außenwelle angetrieben wird, der Sekundärnocken gegenüber dem Primärnocken verdrehbar. Solche Nockenwellen sind als sogenannte verstellbare Nockenwellen bekannter Stand der Technik, so dass zu deren Aufbau und Funktion hier keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.
Werden bei einem Motorzylinder mit wenigstens zwei funktionsgleichen Ventilen diese in bestimmten Abschnitten eines Vier-Takt-Zyklus asynchron zueinander durch entsprechend innerhalb der Nockenwelle, die auf diese Ventile einwirkt, gegeneinander phasenverstellte Primär- und Sekundärnocken gesteuert, so verändert sich der Arbeits- und/oder Bremsbetrieb eines durch solche Ventile gesteuerten Verbrennungsmotors nach gewünschten Vorgaben. Beispiele solcher Vorgaben, die sich durch derartige asynchrone Betätigungen funktionsgleicher Ventile eines Motorzylinders erreichen lassen, werden nachstehend noch im einzelnen erläutert werden.
Für diese Erläuterung sind Zeichnungen und Diagramme vorgesehen.
Im einzelnen handelt es sich hierbei um folgende Darstellungen
1 eine perspektivische schematische Darstellung eines Vierventil-Motorzylinders mit einem zwei jeweils verstellbare Nockenwellen umfassenden Ventiltrieb,
2 Ventilsteuerdiagramme mit einem Vergleich zwischen einem Motorbetrieb in Teil a der Zeichnung und einem Bremsbetrieb in Teil b der Zeichnung,
3 einen Vergleich zwischen zwei Ventilsteuerdiagrammen für einen Motorbetrieb mit mittlerer Drehzahl (Teil a der Zeichnung) und niedriger Drehzahl mit Bezug auf eine Verbesserung der Ladungsbewegung bei niedrigen Motordrehzahlen (Teil b der Zeichnung)
4 einen Vergleich von Ventilsteuerdiagrammen für eine Motordrehzahl (Zeichnungsteil a) und einen Motor-Volllastbetrieb, mit Bezug auf eine durch das Steuerdiagramm erzielbare verbesserte Motorzylinderfüllung (Zeichnungsteil b),
5 einen Vergleich von Ventilsteuerdiagrammen für einen Motorteillastbetrieb (Zeichnungsteil a) und einem Motorvolllastbetrieb mit Bezug auf eine verbesserte Motorzylinderspülung (Zeichnungsteil b).
1
Bei dem in 1 schematisch einschließlich Ventiltrieb dargestellten Vier-Ventil-Motorzylinder wirken auf zwei Einlassventile 1 sowie zwei Auslassventile 2 jeweils eine Nockenwelle als Verstellelement ein, nämlich eine erste Nockenwelle 3 auf die Einlassventile 1 und eine zweite Nockenwelle 4 auf die Auslassventile 2. Die Einlass- und Auslassventile 1, 2, die jeweils paarweise vorhanden sind, umfassen jeweils Primär- und Sekundärventile, nämlich bei den Einlassventilen 1 ein Primäreinlassventil 1p und ein Sekundäreinlassventil 1s einerseits und andererseits bei den Auslassventilen 2 ein Primärauslassventil 2p sowie ein Sekundärauslassventil 2s. Beide Nockenwellen 3, 4 besitzen jeweils zwei gegeneinander verdrehbare, das heißt phasenverstellbare Nocken, nämlich einen Primärnocken 5 sowie einen Sekundärnocken 6. Beiden Nockenwellen 3, 4 bestehen aus jeweils zwei, gegeneinander verdrehbaren, konzentrisch ineinander gelagerten Wellen, nämlich einer Innenwelle 7 und einer rohrförmigen Außenwelle 8. Die Primärnocken 5 sind jeweils fest mit der Außenwelle und die Sekundärnocken 6 fest mit der Innenwelle 7 verbunden. Die fest mit der Innenwelle 7 verbundenen Sekundärnocken 6 sind drehbar auf der Außen welle 8 gelagert und jeweils durch einen Stift 9 drehfest mit der Innenwelle 7 verbunden. Die Nockenwellen 3, 4 können beispielsweise über die jeweilige Außenwelle 8 angetrieben werden. In diesem Fall können die Sekundärnocken 6 gegenüber den mit der Antriebsdrehzahl der jeweiligen Nockenwelle rotierenden Primärnocken 5 phasenverstellt werden.
Durch eine gegenseitige Phasenverstellung zwischen jeweils einem Primär- und einem Sekundärnocken 5; 6 einer Nockenwelle lassen sich durch jeweils asynchron gegeneinander gesteuerte Einlass- oder Auslassventile 1, 2 unterschiedliche Motorsteuerungen im Antriebs- und Bremsbetrieb erzielen.
Die Erfindung besteht bei einem Motorzylinder mit einer Ventileinrichtung einschließlich Ventiltrieb nach 1 darin, dass zumindest zwei funktionsgleiche Ventile, das heißt die Einlass- oder Auslassventile 1; 2 jeweils durch eine Phasenverstellung zwischen Primär- und Sekundärnocken 5, 6 einer die funktionsgleichen Ventile 1; 2 betätigenden Nockenwellen 3 oder 4 asynchron gegeneinander betätigt werden können. Dabei kann es ausreichend sein, lediglich eine Art der funktionsgleichen Ventile 1, 2, das heißt entweder nur die Einlassventile 1 oder nur die Auslassventile 2 jeweils gegeneinander asynchron zu betätigen. Darüber hinaus ist selbstverständlich auch eine Kombination möglich, wobei für eine Verwirklichung der Erfindung jeweils funktionsgleiche Ventile 1; 2 asynchron gegeneinander antreibbar vorhanden sein und in bestimmten Motorbetriebszuständen auch tatsächlich asynchron betätigt werden müssen.
Beispiele für erfindungsgemäß erzielbare Motorantriebs- und Bremsbetriebe zeigen verschiedene Ventil-Steuerdiagramme in den nachstehend erläuterten Figuren.
2
Hier sind im Vergleich zueinander in dem Figurenteil a eine Steuerkurve für die Ventile 1, 2 eines Motorzylinders nach 1 für einen Motorbetrieb dargestellt, während der Figurenteil b eine Steuerkurve für einen erfindungsgemäßen Bremsbetrieb zeigt.
In den beiden Steuerdiagrammen sind auf der Abszisse jeweils der Kurbelwellendrehwinkel „α" für einen vollen Arbeitstakt über 360° aufgetragen, während auf der Ordinate jeweils der Hubweg „h" der Ventile 1, 2 angegeben ist. Entsprechend einer vollen Kurbelwellenumdrehung sind in den Diagrammen die zugehörigen Motortakte angegeben, nämlich die Takte „A = Arbeiten", „B = Ausstoßen", „C = Ansaugen" und „D = Verdichten".
Das Motorbetriebs-Steuerdiagramm in dem Figurenteil a zeigt, dass die maximal erzielbaren Hübe „h" der beiden Auslassventile 2p, 2s unterschiedlich sind. Danach weist das Sekundärventil 2s einen erheblich geringeren Maximalhub auf als das Primär-Auslassventil 2p. Dafür arbeitet das Sekundärauslass ventil 2s während des „Ausstoß"-Taktes nahezu während der gesamten Taktzeit mit maximalem Öffnungshub.
Für einen optimalen Bremsbetrieb wird das Sekundärauslassventil 2s gegenüber dem Primärauslassventil 2p asynchron angetrieben und zwar dahingehend, dass das Sekundärauslassventil bereits nahezu während des gesamten „Arbeits"-Taktes (A) geöffnet ist. Die Richtung der entsprechenden Phasenverschiebung im Bremsbetrieb gegenüber dem Motorbetrieb ist in dem Figurenteil b mit einem Pfeil P1 angedeutet.
Die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile 1, 2 sind durch Angabe der zugehörigen Kurbelwellenwinkel „α" in den Steuerdiagrammen angegeben.
Durch die Phasenverschiebung bei der Steuerung des Sekundärauslassventiles 2s gegenüber dem Primärauslassventil 2p, durch die das Sekundärauslassventil 2s im Bremsbetrieb bereits vorzeitig während des „Arbeits"-Taktes (A) möglichst frühzeitig öffnet, wird eine erhöhte Bremsleistung im Motor-Bremsbetrieb erreicht.
Durch die Verstellung der Phasenlage des Sekundärventils kann die Bremsleistung stufenlos eingestellt werden.
3
Die Steuerdiagramme beziehen sich im Figurenteil a auf einen Motorbetrieb mit hoher Drehzahl und im Figurenteil b auf ei nen erfindungsgemäßen Motorbetrieb mit niedriger Drehzahl. Durch die im Figurenteil 2 gezeigte Phasenverschiebung in Richtung des Pfeiles P2 des Sekundäreinlassventiles 1s wird im „Ansaug"-Takt (C) durch das späte Öffnen des Sekundärventils 2s eine verbesserte Ladungsbewegung erzielt, wodurch eine in diesem Betriebszustand bessere Verbrennung erreicht werden kann. Der Aufbau und die Bezeichnungen der Steuerdiagramme in der 3 entsprechen in ihrer Bedeutung denjenigen in 2.
4
Die Steuerdiagramme betreffen im Figurenteil a einen Motorteillastbetrieb mit hoher Drehzahl und im Figurenteil b einen Motor-Volllastbetrieb.
Während die Ein- und Auslassventile 1, 2 bei dem Motorbetrieb nach Figurenteil a, soweit diese funktionsgleich sind, synchron betrieben werden, werden die Einlassventile entsprechend der Darstellung im Figurenteil b erfindungsgemäß im Ansaug-Takt gegeneinander phasenverschoben entsprechend dem Pfeil P3.
Durch einen Motorbetrieb nach der Steuerkurve in 4b lassen sich mit dem spät schließenden Sekundärventil 2s dynamische Nachladeeffekte erreichen. Insgesamt ist hierdurch ein erhöhter volumetrischer Füllungsgrad und damit eine Steigerung der Motorleistung erreichbar.
5
Die Steuerdiagramme betreffen im Figurenteil a einen Motorteillastbetrieb und im Figurenteil b einen erfindungsgemäßen Motorvolllastbetrieb. Der Unterschied der beiden Steuerdiagramme besteht darin, dass die Auslassventile 1, 2 gegeneinander phasenverschoben betätigt werden. Das Sekundärauslassventil 2s wird gegenüber dem Primärauslassventil 2p vorzeitig geöffnet. Die Richtung der betreffenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Auslassventilen ist durch einen Pfeil P4 angedeutet. Durch die erfindungsgemäße Steuerkurve nach 5b wird insbesondere bei Volllast durch ein vorzeitiges Ausstoßen (Ausstoßtakt B) durch das Sekundärauslassventil 2s und ein langes Ausschieben an dem Primärauslassventil 2p eine verbesserte Spülung, und damit eine bessere Frischgasbefüllung erreicht. Damit wird die Verbrennung insgesamt verbessert.
Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander kombiniert erfindungswesentlich sein.

Claims

Ventiltrieb eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit jeweils über mindestens drei, von Nocken (5, 6) einer Nockenwelle (3; 4) betätigte Ventile (1, 2) gesteuerten Motorzylindern, wobei jeweils mindestens zwei Ventile (1; 2) funktionsgleich als Einlass- oder Auslassventile (1; 2) arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken (3, 4) der, die mindestens zwei funktionsgleich arbeitenden Ventile, die jeweils ein Primär- und Sekundärventil (1p, 1s; 2p, 2s) sind, betätigenden Nockenwelle (3, 4) gegeneinander phasenverstellbar ausgeführt sind.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 mit je Motorzylinder wenigstens zwei Auslassventilen (2) zur Realisierung eines Motorbremsbetriebes durch eine für den Bremsbetrieb gegenüber dem Motorbetrieb veränderbare Stellung der gegeneinander verstellbaren, die mindestens zwei Auslassventile (2) betätigenden Nocken (5, 6).
Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den gegeneinander verstellbaren Nocken (5, 6) zumindest einer das mindestens eine Auslassventil (2s) im Ver gleich zu mindestens einem weiteren Auslassventil (2p) des gleichen Motorzylinders geringer öffnet.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 zur Realisierung einer angepassten Ladungsbewegung beim Befüllen eines Motorzylinders.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 zur Realisierung einer verbesserten Spülung bei einem Motorzylinder-Ladungswechsel.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 mit einer Kombination der Realisierungsformen aus mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5.