DE102014225054A1

DE102014225054A1 - Verstellbare Nockenwelle

Info

Publication number: DE102014225054A1
Application number: DE102014225054.4A
Authority: DE
Inventors: Patrick Altherr; Rolf Kirschner
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-09
Also published as: JP2016109131A; US20160160709A1; US9903240B2; JP6778482B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Nockenwelle (1) einer Brennkraftmaschine (2), mit – einer Außenwelle (3) und einer koaxial dazu angeordneten und über einen bestimmten Winkelbereich verdrehbaren Innenwelle (4), – mit zumindest einem drehfest mit der Innenwelle (4) verbundenen ersten Nocken (5) und einem benachbart dazu angeordneten und drehfest mit der Außenwelle (3) verbundenen zweiten Nocken (6), die jeweils auf dasselbe zugehörige Ventil wirken und wobei eine Verdrehung des ersten Nockens (5) relativ zum zweiten Nocken (6) eine Verlängerung der Ventilöffnungszeit (t) bewirkt. Erfindungswesentlich ist dabei, – dass der erste und zweite Nocken (5,6) einen baugleich ausgebildeten Kreissegmentabschnitt (8,9) im Bereich des Maximalhubs aufweisen, – dass der erste und der zweite Nocken (5,6) so angeordnet sind, dass auch bei maximal zur Außenwelle (3) verdrehter Innenwelle (4) der Kreissegmentabschnitt (8) des ersten Nockens (5) unterbrechungsfrei in den Kreissegmentabschnitt (9) des zweiten Nockens (6) übergeht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verstellbare Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Außenwelle und einer koaxial dazu angeordneten und über einen bestimmten Winkelbereich verdrehbaren Innenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Ventiltriebssystem mit einer solchen Nockenwelle sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltriebsystem.
Aus der DE 10 2010 023 571 A1 ist eine gattungsgemäße verstellbare Nockenwelle in der Art einer gebauten Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine bekannt, umfassend eine Außenwelle sowie eine innerhalb der Außenwelle angeordnete und gegenüber dieser um einen vorbestimmten Winkel verdrehbar gelagerten Innenwelle sowie zumindest zwei Nocken, wobei ein erster Nocken in seiner Gesamtheit drehfest mit der Innenwelle und relativ zur Außenwelle verdrehbar angeordnet ist. Der zweite Nocken weist zumindest zwei Teilnockenelemente auf, derart, dass ein erstes Teilnockenelement drehfest auf der Außenwelle angeordnet und ein zweites Teilnockenelement drehfest mit der Innenwelle verbunden und relativ zu der Außenwelle verdrehbar angeordnet ist. Hierdurch soll eine möglichst variable Ansteuerung der Gaswechselventile der Brennkraftmaschine ermöglicht werden.
Aus der WO 2011/032632 A1 ist eine weitere Nockenwelle mit variierbarer Ventilöffnungsdauer bekannt.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellen ist oftmals, dass diese auf zwei verschiedene Nockenprofile zurückgreifen, die eine maximale Öffnung des Ventils ermöglichen. Hierdurch entsteht ein kleiner Peak, der dann wieder auf einen niedrigeren Hub heruntergeht. Dies bringt jedoch eine vergleichsweise große Dynamik in das zugehörige Ventiltriebsystem und ändert den Ventilhub während der Öffnung. Für beispielsweise einen Atkinson-Prozess ist es vorteilhaft, den Öffnungsvorgang unverändert zu lassen und die Ventilöffnung über einen längeren Zeitraum zu halten.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine verstellbare Nockenwelle der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere die Einsatzmöglichkeiten bei einer Brennkraftmaschine, die im Atkinson-Verfahren betrieben wird, verbessert und zudem kostengünstig ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Betätigung eines Nockenfolgers ausschließlich Nocken einer gebauten, verstellbaren Nockenwelle mit einem baugleich ausgebildeten Kreissegmentabschnitt im Bereich des Maximalhubs einzusetzen, die jeweils einen Kreissegmentabschnitt aufweisen und einerseits eine konstante Öffnung eines zugehörigen Ventils mit möglichst maximalem Hub bei andererseits maximaler Öffnungsgeschwindigkeit erreichen können. Die erfindungsgemäße verstellbare Nockenwelle besitzt dabei in bekannter Weise eine Außenwelle sowie eine koaxial dazu angeordnete und über einen bestimmten Winkelbereich verdrehbare Innenwelle. Darüber hinaus besitzt die erfindungsgemäße Nockenwelle zumindest einen drehfest mit der Innenwelle verbundenen ersten Nocken und einen benachbart dazu angeordneten und drehfest mit der Außenwelle verbundenen zweiten Nocken, die jeweils auf dasselbe zugehörige Ventil wirken und wobei eine Verdrehung des ersten Nockens relativ zum zweiten Nocken eine Verlängerung der Ventilöffnungszeit bewirkt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der erste und zweite Nocken einen baugleich ausgebildeten Kreissegmentabschnitt im Bereich des Maximalhubs aufweisen. Die beiden Nocken sind darüber hinaus erfindungsgemäß derart angeordnet, dass auch bei maximal zur Außenwelle verdrehter Innenwelle der Kreissegmentabschnitt des ersten Nockens unterbrechungsfrei in den Kreissegmantabschnitt des zweiten Nockens übergeht. Hierdurch kann insbesondere der bei den aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellen vorhandene Peak/Sprung, der dann wieder auf einen niedrigeren Ventilhub heruntergeht, zuverlässig vermieden werden. Mit der erfindungsgemäßen Nockenwelle ist es darüber hinaus möglich, eine konstante Öffnung des zugehörigen Ventils bei maximalem Hub bei gleichzeitig maximaler Öffnungsgeschwindigkeit zu erreichen, ohne dass aufgrund einer zu hohen Ventilbeschleunigung befürchtet werden muss, dass der Nockenfolger vom Nockenprofil abhebt. Eine derartige Nockenwelle eignet sich insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welche nach dem Atkinson-Verfahren arbeitet, kann aber auch für ein Abgastemperaturmanagement oder für eine Zündfolgetrennung verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Nockenwelle derart einstellbar, dass ein damit gesteuertes Ventil über einen Kurbelwellenwinkelbereich von 8° bis 25° eine konstante Öffnung aufweist. Je nach Größe des Kreissegmentabschnitts am zugehörigen Nocken kann dabei Einfluss auf den Kurbelwellenwinkelbereich genommen werden, in welchem das zugehörige Ventil geöffnet ist. Je größer der durch die beiden Kreissegmentabschnitte überdeckbare Kurbelwellenwinkelbereich ist, umso länger kann das zugehörige Ventil geöffnet werden. Der Kreissegmentabschnitt bewirkt darüber hinaus, dass bei einem Abgleiten bzw. Abrollen des Nockenfolgers auf demselben, das Ventil in einer konstanten Öffnungsstellung verharrt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist ein Ventiltriebsystem zumindest eine zuvor beschriebene Nockenwelle auf, wobei der erste und der zweite Nocken zudem eine ballige Außenkontur besitzen. Ballig bedeutet in diesem Fall tonnenförmig, wodurch die Kontaktfläche zum Nockenfolger verkleinert wird. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass keine Kantenbelastungen auftreten, die zu einer überhöhten Druckbelastung führen.
Zweckmäßig weist ein mit dem ersten und/oder dem zweiten Nocken in Wirkverbindung stehender Nockenfolger oder Stößel eine doppelt ballige Außenkontur auf. Auch dies bietet wiederum den Vorteil dass keine Kantenbelastungen auftreten, die zu einer überhöhten Druckbelastung führen.
Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einem zuvor beschriebenen Ventiltriebsystem auszustatten, wobei die Brennkraftmaschine als Atkinson-Motor ausgebildet ist, bzw. nach dem Atkinson-Verfahren betrieben wird. In diesem Fall ist beispielsweise denkbar, dass lediglich eine einzige Nockenwelle vorgesehen ist, welche sowohl die Einlassventile als auch die Auslassventile der Brennkraftmaschine betätigt. Bei nach dem Atkinson-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen weist letztere einen unterschiedlichen Kolbenhub für "Ansaugen/Verdichten" und "Expandieren/Ausstoßen" auf und verbunden damit unterschiedliche Ansaug- bzw. Ausstoßvolumina. Der Vorteil bei nach dem Atkinson-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen liegt darin, dass das Brennstoffgemisch durch den verlängerten Expansionshub des Kolbens weiter entspannt und damit eine geringer Abgastemperatur und ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Der Verdichtungsenddruck und der maximale Verbrennungsdruck und somit die maximale Verbrennungstemperatur bleiben jedoch gleich wie beim Ottomotor. Die Verkleinerung des Saughubes gegenüber dem Arbeitshub führt natürlich zu einer Verringerung der Zylinderfüllung gegenüber einem normalen Viertaktmotor. Da der Atkinson-Motor aufgrund des erhöhten Wirkungsgrades oftmals eine etwas reduzierte Leistung aufweist, könnten beispielsweise Aufladeprozesse oder eine Ladeluftkühlung initiiert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Nockenwelle sowie eine Seitenansicht auf die Nockenwelle mit verschiedenen möglichen Nockenformen,
2 ein Ventilhub-Zeit-Diagramm.
Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Nockenwelle 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2 eine Außenwelle 3 sowie eine koaxial dazu angeordnete und über einen bestimmten Winkelbereich verdrehbare Innenwelle 4 auf. Darüber hinaus besitzt die erfindungsgemäße Nockenwelle 1 zumindest einen drehfest mit der Innenwelle 4 verbundenen ersten Nocken 5 sowie einen benachbart dazu angeordneten und drehfest mit der Außenwelle 3 verbundenen zweiten Nocken 6. Beide Nocken 5, 6 wirken dabei auf dasselbe, zugehörige Ventil bzw. einen dieses Ventil betätigenden Nockenfolger 7 ein und bewirken durch eine Verdrehung des ersten Nockens 5 relativ zum zweiten Nocken 6 eine Verlängerung der Ventilöffnungszeit. Erfindungsgemäß weisen nun der erste und der zweite Nocken 5, 6 einen baugleich ausgebildeten Kreissegmentabschnitt 8, 9 im Bereich des Maximalhubs aufweisen. Die beiden Nocken 5, 6 sind dabei derart angeordnet, dass auch bei maximal zur Außenwelle 3 verdrehter Innenwelle 4 der Kreissegmentabschnitt 8 des ersten Nockens 5 unterbrechungsfrei in den Kreissegmentabschnitten 9 des zweiten Nockens 6 übergeht. Hierdurch kann die gewünschte verlängerte Ventilöffnungszeit erreicht werden, ohne dass es einen Sprung im Hub des geöffneten Ein- oder Auslassventils gibt, da die beiden Kreissegmentabschnitte 8, 9 fluchtend ineinander übergehen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der erste und zweite Nocken 5, 6 baugleich ausgebildet sind. Die reduziert die Teilevielfalt und spart dadurch Herstellungs-, Lager- und Logistikosten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Nockenwelle 1 derart einstellbar, dass ein damit gesteuertes Ventil einem Kurbelwellenwinkelbereich zwischen 8° und 25° geöffnet ist. Selbstverständlich kann auch über die Gestaltung bzw. Länge des Kreissegmentabschnitts 8, 9 in Umfangsrichtung Einfluss auf die jeweilige Ventilöffnungszeit genommen werden. Je größer dabei der Winkelbereich ist, der vom jeweiligen Kreissegmentabschnitt 8, 9 überdeckt wird, umso länger ist auch die zugehörige Ventilöffnungszeit.
Betrachtet man die mittlere Darstellung der 1, so kann man erkennen, dass der Nocken 5, 6 eine im Querschnitt ebene Mantelfläche, das heißt Lauffläche für den Nockenfolger 7, oder aber auch eine ballige Außenkontur 10 besitzen kann, wie dies in der rechten Darstellung der 1 gezeigt ist. Die Darstellung ist dabei so zu verstehen, dass selbstverständlich nach Möglichkeit ausschließlich Nocken 5, 6 mit balliger Außenkontur 10 oder mit im Querschnitt ebener Lauffläche verwendet werden, um sicherstellen zu können, dass beide Nocken 5, 6 baugleich ausgebildet sind.
Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass durch ein Verdrehen der Innenwelle 4, relativ zur Außenwelle 3 ein Zeitspanne t₁, in welcher das Ventil seinen maximalen Hub h aufweist, in Bezug auf die Öffnungsseiten t₀ der einzelnen Nocken 5, 6 verlängert werden kann, wobei der Hub h während der Öffnungszeit t₁ konstant bleibt. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Kreissegmentabschnitte 8, 9 ein Sprung in Bezug auf den Hub h während der Öffnungszeit t₁, was der Geschwindigkeit dh/dt des Nockenfolgers 7 entspricht, vermieden werden, die beiden gemäß der 2 dargestellten Kurven symbolisieren dabei die Öffnungskurven des ersten Nockens 5 und des zweiten Nockens 6. Die erfindungsgemäße Nockenwelle 1 kann beispielsweise in einer nach dem Atkinson-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine 2 eingesetzt werden bzw. Bestandteil eines Ventiltriebsystems 11 sein.
Mit der erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 ist insbesondere ein sprungfreies, maximales Öffnen eines zugehörigen Ventils aufgrund der fließend übereinander übergehenden Kreissegmentabschnitte 9 möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010023571 A1 [0002]
WO 2011/032632 A1 [0003]

Claims

Verstellbare Nockenwelle (1) einer Brennkraftmaschine (2), mit – einer Außenwelle (3) und einer koaxial dazu angeordneten und über einen bestimmten Winkelbereich verdrehbaren Innenwelle (4), – mit zumindest einem drehfest mit der Innenwelle (4) verbundenen ersten Nocken (5) und einem benachbart dazu angeordneten und drehfest mit der Außenwelle (3) verbundenen zweiten Nocken (6), die jeweils auf dasselbe zugehörige Ventil wirken und wobei eine Verdrehung des ersten Nockens (5) relativ zum zweiten Nocken (6) eine Verlängerung der Ventilöffnungszeit (t) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, – dass der erste und zweite Nocken (5, 6) einen baugleich ausgebildeten Kreissegmentabschnitt (8, 9) im Bereich des Maximalhubs aufweisen, – dass der erste und der zweite Nocken (5, 6) so angeordnet sind, dass auch bei maximal zur Außenwelle (3) verdrehter Innenwelle (4) der Kreissegmentabschnitt (8) des ersten Nockens (5) unterbrechungsfrei in den Kreissegmentabschnitt (9) des zweiten Nockens (6) übergeht.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (1) derart einstellbar ist, dass ein damit gesteuertes Ventil eine Verlängerung der Ventilöffnungszeit (t) von 8° < α < 25° Kurbelwellenwinkel erreicht.
Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass, der Kreissegmentabschnitt (8) des ersten Nockens (5) und der Kreissegmentabschnitt (9) des zweiten Nockens (9) in einem Nockenwellenwinkelbereich von mindestens 2° bis maximal 12,5° einen konstanten Radius besitzen.
Nockenwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass, der erste und zweite Nocken (5, 6) baugleich ausgebildet sind.
Ventiltriebsystem (11) mit einer Nockenwelle (1) nach Anspruch 1 bis 4.
Ventiltriebsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Nocken (5, 6) eine ballige Außenkontur (10) aufweisen.
Ventiltriebsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem ersten und/oder dem zweiten Nocken (5, 6) in Wirkverbindung stehender Nockenfolger (7) oder Stößel vorgesehen ist, der eine doppelt ballige Außenkontur (10') aufweist.
Brennkraftmaschine (2) mit einem Ventiltriebsystem (11) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Brennkraftmaschine (2) als Atkinson-Motor ausgebildet ist.