DE102016106090A1

DE102016106090A1 - Nockenwelle mit unabhängig konfigurierten Nocken

Info

Publication number: DE102016106090A1
Application number: DE102016106090.9A
Authority: DE
Inventors: Phil John Whiston; Neil Haynes; Anthony Bernard Demots
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2016-10-13
Also published as: RU2705497C2; GB2537167A; GB2537167B; RU2016109482A; MX2016004395A; GB201506108D0; RU2016109482A3

Abstract

Eine Nockenwelle (203) für eine Kraftmaschine, wobei die Nockenwelle (203) dazu konfiguriert ist, von einem mit einer Kurbelwelle (107) der Kraftmaschine gekoppelten Synchronantrieb (101) drehangetrieben zu werden, wobei der Synchronantrieb (101) ein oder mehrere nicht kreisförmige Antriebsglieder (105, 109) umfasst, die dazu konfiguriert sind, Schwankungen des Drehmoments entgegenzuwirken, wobei die Nockenwelle (203) mehrere Nockennasen (215a, 215b, 215c) umfasst, die jeweils dazu konfiguriert sind, ein Ventil jeweiliger Zylinder der Kraftmaschine zu betätigen, wobei der Phasenwinkel (θa, θb, θc) jeder Nockennase (215a, 215b, 215c) und/oder das Profil (217a, 217b, 217c) jeder Nockennase (203) unabhängig ausgewählt wird, um einer Änderung des Ventilhubprofils jeweiliger Ventile, die durch das eine oder die mehreren nicht kreisförmigen Antriebsglieder (105, 109) verursacht wird, entgegenzuwirken.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Nockenwelle für eine Kraftmaschine, wobei die Nockenwelle einen oder mehrere Nocken umfasst, die zur Optimierung des Ventilhubprofils jeweiliger Ventile der Kraftmaschine unabhängig konfiguriert sind, insbesondere, aber nicht ausschließlich, betrifft die Offenbarung einen oder mehrere Nocken, die zur Optimierung der Steuerzeit und/oder des Ventilhubs jeweiliger Ventile der Kraftmaschine konfiguriert sind.
Einführung
Eine moderne Brennkraftmaschine weist Einlass- und Auslassventile auf, die durch Nockennasen einer mit einem Synchronantrieb, zum Beispiel einem Riementrieb oder einem Kettentrieb, der mit einer Kurbelwelle drehgekoppelt ist, gekoppelten Nockenwelle betätigt werden. In der Regel werden die Einlassventile und Auslassventile durch getrennte Nockenwellen angetrieben, was bedeutet, dass der Synchronantrieb ein Antriebsglied, zum Beispiel eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad, das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, und weitere Antriebsglieder, die mit jeweiligen Nockenwellen gekoppelt sind, aufweist. Die Antriebsglieder sind deshalb dazu konfiguriert, die Drehmomentlast zwischen der Kurbelwelle, der Nockenwelle und dem/der Antriebsriemen/-kette zu übertragen. Der Synchronantrieb kann auch dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere Zusatzvorrichtungen der Kraftmaschine, zum Beispiel eine Wasserpumpe und/oder einen Auflader, anzutreiben, und eine Spannvorrichtung kann verwendet werden, um Schwankungen der Riemenspannung Rechnung zu tragen.
Mit immer stärker werdenden Anforderungen an die Maximierung von Leistungsabgabe und Kraftstoffökonomie ist es wünschenswert, Schwingungen der Drehmomentlast, die an der Nockenwelle und der Kurbelwelle erzeugt werden und auf den/die Antriebsriemen/-kette und jegliche andere Vorrichtung, die mit dem Synchronantrieb gekoppelt ist, übertragen werden, zu mindern. Dazu kann der Synchronantrieb ein oder mehrere nicht kreisförmige Antriebsglieder, zum Beispiel nicht kreisförmige Riemenscheiben und/oder Kettenräder, aufweisen. Die nicht kreisförmigen Antriebsglieder können dazu verwendet werden, den Schwingungen der Drehmomentlast entgegenzuwirken und Schwankungen der Riemen-/Kettenspannung auf ein Minimum zu reduzieren.
Darstellung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Nockenwelle für eine Kraftmaschine bereitgestellt. Die Nockenwelle ist dazu konfiguriert, von einem mit einer Kurbelwelle der Kraftmaschine gekoppelten Synchronantrieb drehangetrieben zu werden. Der Synchronantrieb umfasst ein nicht rundes, zum Beispiel ein nicht kreisförmiges, Antriebsglied, das dazu konfiguriert ist, Schwankungen, zum Beispiel Schwingungen, des auf den Synchronantrieb übertragenen Drehmoments, zum Beispiel periodischen Schwankungen einer durch die Kurbelwelle und/oder die Nockenwelle auf den Synchronantrieb übertragenen Drehmomentlast, entgegenzuwirken. Die Nockenwelle umfasst mehrere Nockennasen, die jeweils dazu konfiguriert sind, ein Ventil jeweiliger Zylinder der Kraftmaschine zu betätigen. Die Konfiguration jeder Nockennase, zum Beispiel der Phasenwinkel jeder Nockennase und/oder des Nockenprofils jeder Nockennase, wird unabhängig ausgewählt, um einer Änderung des Ventilhubprofils jeweiliger Ventile, die durch die nicht kreisförmigen Antriebsglieder verursacht wird, entgegenzuwirken. Die Konfiguration jeder Nockennase kann unabhängig ausgewählt werden, um das Ventilhubprofil der jeweiligen Ventile zu optimieren, zum Beispiel um die Leistungsabgabe von der Kraftmaschine zu erhöhen, die Kraftstoffökonomie der Kraftmaschine zu erhöhen und/oder Abgasemissionen aus der Kraftmaschine zu reduzieren.
Die Nockenwelle kann eine oder mehrere Nockennasen umfassen, die starr mit der Nockenwelle gekoppelt sind, zum Beispiel eine oder mehrere Nockennasen, die sich bezüglich der Drehachse der Nockenwelle nicht drehen und/oder translatorisch verschieben können.
Das nicht kreisförmige Antriebsglied kann eine oder mehrere Nasen umfassen, die sich radial von der Drehachse des nicht kreisförmigen Antriebsglieds erstrecken. Das nicht kreisförmige Antriebsglied kann ein Profil aufweisen, das bezüglich der Drehachse des nicht kreisförmigen Antriebsglieds rotationssymmetrisch ist, zum Beispiel kann sich jede der Nasen in einem gleichen Ausmaß radial von der Drehachse des nicht kreisförmigen Antriebsglieds erstrecken. Das nicht kreisförmige Antriebsglied kann ein Profil aufweisen, das bezüglich der Drehachse des nicht kreisförmigen Antriebsglieds nicht rotationssymmetrisch ist, zum Beispiel kann sich jede der Nasen in einem unterschiedlichen Ausmaß radial von der Drehachse des nicht kreisförmigen Antriebsglieds erstrecken. Das nicht kreisförmige Antriebsglied, zum Beispiel die Nasen des nicht kreisförmigen Antriebsglieds, können periodische Schwankungen der Drehzahl der Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle verursachen. Die Drehzahl der Nockenwelle ist möglicherweise nicht konstant proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle. Das Profil und/oder die Exzentrizität des nicht kreisförmigen Antriebsglieds kann/können das Ausmaß bestimmen, in dem die Drehzahl der Nockenwelle möglicherweise nicht konstant proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle ist. Die Nockenwelle, zum Beispiel die Nasen der Nockenwelle, können dazu konfiguriert sein, zu gewährleisten, dass die Ventilhubprofile gegenüber der Kurbelwelle, einem Zündsystem der Kraftmaschine und/oder einem Kraftstoffeinspritzsystem der Kraftmaschine ordnungsgemäß zeitgesteuert werden.
Der Phasenwinkel jeder Nockennase kann unabhängig ausgewählt werden, um den Fehler der jeweiligen Ventilhubprofile infolge des Ausmaßes einer Nichtproportionalität zwischen den Drehzahlen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu korrigieren. Das Profil jeder Nockennase kann unabhängig ausgewählt werden, um den Fehler jeweiliger Ventilhubprofile infolge des Ausmaßes einer Nichtproportionalität zwischen den Drehzahlen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu korrigieren. Der Phasenwinkel jeder Nockennase kann um die Differenz zwischen dem Winkel der durch das nicht kreisförmige Antriebsglied angetriebenen Nockenwelle und dem Winkel der durch ein kreisförmiges Antriebsglied angetriebenen Nockenwelle unabhängig versetzt werden. Zum Beispiel kann der Phasenwinkel jeder Nockennase unabhängig versetzt werden, um das Ausmaß einer Nichtproportionalität zwischen den Drehzahlen der Nockenwelle und der Kurbelwelle in verschiedenen Stadien während eines Zylinderzyklus der Kraftmaschine, zum Beispiel während zweier vollständiger Umdrehungen der Kurbelwelle eines Viertaktmotors, zu korrigieren.
Die Nockennasen der Nockenwelle brauchen nicht gleichwinklig um die Drehachse der Nockenwelle verteilt zu sein. Jede der Nockennasen kann um eine den Scheitel der Nockennase und die Drehmitte der Nockennase durchquerende Achse asymmetrisch sein, zum Beispiel kann die Nockennase um die den Scheitel der Nockennase und die Drehmitte der Nockennase durchquerende Achse schief sein.
Der Synchronantrieb kann mehrere nicht kreisförmige Antriebsglieder umfassen. Der Synchronantrieb kann ein nicht kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied umfassen. Das nicht kreisförmige Kurbelwellenantriebsglied kann mit der Kurbelwelle gekoppelt, zum Beispiel daran befestigt, sein. Das nicht kreisförmige Kurbelwellenantriebsglied kann dazu konfiguriert sein, die Drehmomentlast von der Kurbelwelle auf den Synchronantrieb zu übertragen. Der Synchronantrieb kann ein nicht kreisförmiges Nockenwellenantriebsglied umfassen. Das nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglied kann mit der Nockenwelle gekoppelt, zum Beispiel daran befestigt, sein. Das nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglied kann durch ein oder mehrere Zwischenantriebsglieder mit der Nockenwelle gekoppelt sein. Das nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglied kann durch ein System zur variablen Nockenwellensteuerung (VCT-System, VCT – variable camshaft timing), das zwischen dem nicht kreisförmigen Nockenwellenantriebsglied und der Nockenwelle vorgesehen ist, mit der Nockenwelle gekoppelt sein. Das nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglied kann dazu konfiguriert sein, die Drehmomentlast vom Synchronantrieb auf die Nockenwelle zu übertragen. Der Synchronantrieb kann einen Riementrieb oder einen Kettentrieb, zum Beispiel einen Riemen- oder einen Kettentrieb, der zur Ineingriffnahme der nicht kreisförmigen Antriebsglieder konfiguriert ist, umfassen.
Das Ventil des Zylinders kann ein Einlassventil, zum Beispiel ein Einlassventil, das zur Steuerung des Stroms von Gas und/oder Dampf von einem Einlasskrümmer der Kraftmaschine in den Zylinder der Kraftmaschine konfiguriert ist, sein. Das Ventil des Zylinders kann ein Auslassventil, zum Beispiel ein Auslassventil, das zur Steuerung des Stroms von Gas und/oder Dampf von einem Zylinder der Kraftmaschine in einen Auslasskrümmer der Kraftmaschine konfiguriert ist, sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Kraftmaschine bereitgestellt, die eine Nockenwelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, durch einen mit einer Kurbelwelle der Kraftmaschine gekoppelten Synchronantrieb drehangetrieben zu werden. Der Synchronantrieb umfasst ein oder mehrere nicht kreisförmige Antriebsglieder, die dazu konfiguriert sind, einer auf den Synchronantrieb übertragenen Drehmomentschwankung entgegenzuwirken. Die Nockenwelle umfasst mehrere Nockennasen, die jeweils dazu konfiguriert sind, ein Ventil jeweiliger Zylinder der Kraftmaschine zu betätigen. Die Konfiguration jeder Nockennase, zum Beispiel der Phasenwinkel jeder Nockennase und/oder das Nockenprofil jeder Nockennase, wird unabhängig ausgewählt, um einer durch ein oder mehrere nicht kreisförmige Antriebsglieder verursachten Änderung des Ventilhubprofils jeweiliger Ventile entgegenzuwirken.
Zur Vermeidung eines unnötigen Doppelaufwands und von Textwiederholung in der Beschreibung werden bestimmte Merkmale in Bezug auf lediglich einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass in Bezug auf irgendeinen Aspekt oder irgendeine Ausführungsform der Erfindung beschriebene Merkmale auch bei irgendeinem anderen Aspekt oder irgendeiner anderen Ausführungsform der Offenbarung Verwendung finden können, sofern dies technisch möglich ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und zur besseren Veranschaulichung ihrer möglichen Ausführung wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen; darin zeigen:
1 eine schematische Zeichnung eines Synchronantriebs für eine Kraftmaschine, eine erste und zweite Nockenwelle der Kraftmaschine und eine Kurbelwelle der Kraftmaschine;
2a eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Winkelausrichtung der Kurbelwelle und der Winkelausrichtung der ersten oder zweiten Nockenwelle, die durch einen kreisförmige Antriebsglieder umfassenden Synchronantrieb angetrieben werden;
2b eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Winkelausrichtung der Kurbelwelle und der Winkelausrichtung der ersten oder zweiten Nockenwelle, die durch einen ein nicht kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied umfassenden Synchronantrieb angetrieben werden;
2c eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Winkelausrichtung der Kurbelwelle und der Winkelausrichtung der ersten oder zweiten Nockenwelle, die durch einen ein nicht kreisförmiges Nockenwellenantriebsglied umfassenden Synchronantrieb angetrieben werden;
3a bis 3e schematische Zeichnungen eines Synchronantriebs, der ein nicht kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied und zwei nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglieder umfasst, bei verschiedenen Intervallen während eines Zylinderzyklus einer Kraftmaschine;
4 eine Nockenwelle gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 eine Darstellung der Stirnseite einer ersten, einer zweiten, und einer dritten Nockennase der Nockenwelle gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
6 eine Nockennase und eine versetzte Nockennase.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine vereinfachte Zeichnung eines Synchronantriebs 101 für eine Kraftmaschine mit zwei Nockenwellen 103, zum Beispiel eine Kraftmaschine mit zwei oben liegenden Nockenwellen (DOHC-Kraftmaschine, DOHC – double overhead camshaft). Die Nockenwelle 103 gemäß der vorliegenden Offenbarung kann jedoch in irgendeine geeignete Art von Kraftmaschine, zum Beispiel eine Kraftmaschine mit oben hängenden Ventilen (OHV-Kraftmaschine, OHV – overhead valve) oder eine Kraftmaschine mit oben liegender Nockenwelle (SOHC-Kraftmaschine, SOHC – single overhead camshaft) installiert sein.
Der Synchronantrieb 101 umfasst ein mit einer Kurbelwelle 107 der Kraftmaschine gekoppeltes Kurbelwellenantriebsglied 105, zwei jeweils mit einer jeweiligen Nockenwelle 103 gekoppelte Nockenwellenantriebsglieder 109 und ein längliches Antriebsglied 111, zum Beispiel einen Riemen oder eine Kette, die dazu konfiguriert sind, dass Kurbelwellenantriebsglied 105 mit den beiden Nockenwellenantriebsgliedern 109 zu koppeln. Der Synchronantrieb 101 kann auch eine Spannvorrichtung 113 umfassen, die dazu konfiguriert ist, die Spannung in dem länglichen Antriebsglied 111 aufrechtzuerhalten und/oder einzustellen. Der Synchronantrieb 101 ist dazu konfiguriert, die Kurbelwelle 107 der Kraftmaschine mit den Nockenwellen 103 der Kraftmaschine drehzukoppeln, so dass die Kurbelwelle 107 für den Antrieb der Nockenwellen 103 Antriebsdrehmoment bereitstellen kann.
In dem in 1 gezeigten Beispiel umfassen das Kurbelwellenantriebsglied 105 und jedes der Nockenwellenantriebsglieder 109 ein Kettenrad mit mehreren Zähnen, die dazu konfiguriert sind, das längliche Antriebsglied 111, bei dem es sich um einen Zahnriemen handeln kann, in Eingriff zu nehmen. Aufgrund der Konfiguration der DOHC-Kraftmaschine umfasst jedes der Nockenwellenantriebsglieder 109 doppelt so viele Zähne wie das Kurbelwellenantriebsglied 105. Auf diese Weise sind die Nockenwellenantriebsglieder 109 so verzahnt, dass sie sich durchschnittlich mit der halben Drehzahl des Kurbelwellenantriebsglieds 105 drehen. Somit befindet sich die Drehzahl der Nockenwellen 103 während des Betriebs der Kraftmaschine durchschnittlich auf der halben Drehzahl der Kurbelwelle 107. 2a zeigt die Winkelstellung (θ_CAM) der Nockenwellen 103 bezüglich der Winkelstellung (θ_CK) der Kurbelwelle 107, und zeigt, dass bei einem Synchronantrieb 101, der kreisförmige Antriebsglieder 105, 109 umfasst, die Drehung der Nockenwelle 103 konstant proportional zu der Drehung der Kurbelwelle 107 ist. In dieser Beschreibung zeigt eine Winkelausrichtung von 0° oder 180° eine vertikale Ausrichtung an, und eine Winkelausrichtung von 90° oder 270° zeigt eine horizontale Ausrichtung an, es sei denn, es wird etwas anderes angegeben.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist eine der Nockenwellen 103a dazu konfiguriert, die Einlassventile der Zylinder der Kraftmaschine zu betätigen, und die andere der Nockenwellen 103b ist dazu konfiguriert, die Auslassventile der Zylinder der Kraftmaschine zu betätigen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Einlassventil" und "Auslassventil" auf Ventile, die zur Steuerung des Zeitpunkts und der Menge des Gas- und/oder Dampfstroms aus dem Einlasskrümmer in den Zylinder bzw. aus dem Zylinder der Kraftmaschine in den Auslasskrümmer verwendet werden. Der Kürze halber konzentriert sich die nachfolgende Beschreibung auf den Betrieb der Einlassnockenwelle 103a. Es versteht sich jedoch, dass die/der beschriebene Implementierung und Betrieb der vorliegenden Offenbarung gleichermaßen für die Auslassnockenwelle 103b oder in der Tat jegliche Nockenwelle einer Kraftmaschine gilt.
In dem in 1 gezeigten Beispiel umfasst die Nockenwelle 103a drei Nockennasen 115, die jeweils dazu konfiguriert sind, das Einlassventil eines jeweiligen Zylinders der Kraftmaschine, zum Beispiel einer dreizylindrigen Kraftmaschine, zu betätigen. Die Nockennasen 115 sind in gleichmäßigen Abständen um die Drehachse der Nockenwelle 103a beabstandet, so dass die Betätigung jedes Einlassventils ordnungsgemäß zeitgesteuert wird, zum Beispiel können die Nockennasen 115 in einem Abstand von 0°, 120° und 240° um die Drehachse der Nockenwelle 103a angeordnet sein. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch gleichermaßen für eine Kraftmaschine gelten, die eine beliebige geeignete Anzahl von Zylindern umfasst, und die Nockenwelle 103a kann eine beliebige geeignete Anzahl von Nockennasen 115 umfassen. In einem Beispiel kann die Nockenwelle 103a vier Nockennasen 115 umfassen, die jeweils dazu konfiguriert sind, das Einlassventil jeweiliger Zylinder einer vierzylindrigen Kraftmaschine zu betätigen. In einem anderen Beispiel kann die Nockenwelle 103a vier Paare von Nockennasen 115 umfassen, wobei jedes Paar dazu konfiguriert ist, ein Paar Einlassventile jeweiliger Zylinder einer vierzylindrigen Kraftmaschine zu betätigen.
Der Synchronantrieb 101 kann mit einem oder mehreren nicht runden, zum Beispiel nicht kreisförmigen, Antriebsgliedern, zum Beispiel einem nicht kreisförmigen Kurbelwellenantriebsglied 105 und/oder einem nicht kreisförmigen Nockenwellenantriebsglied 109, versehen sein. Die nicht kreisförmigen Antriebsglieder können dazu konfiguriert sein, durch auf den Synchronantrieb 101 übertragene Torsionsschwingungen verursachten Schwankungen der Riemenspannung entgegenzuwirken. Zum Beispiel können periodische Schwankungen der Drehmomentlast durch Torsionsbelastung und -entlastung der Kurbelwelle 107 während des Betriebs der Kraftmaschine auf den Synchronantrieb 101 übertragen werden. Zum Beispiel wird jedes Mal dann, wenn ein Zylinder der Kraftmaschine zündet, eine Drehmomentlast an die Kurbelwelle 107 angelegt, und eine Torsionsschwingung wird auf das Kurbelwellenantriebsglied 105 und den Rest des Synchronantriebs 101 übertragen, während jeder der Zylinder der Kraftmaschine einer nach dem anderen zündet.
In einem Beispiel einer Kraftmaschine mit drei Zylindern, kann das Kurbelwellenantriebsglied 105 ein mit drei Nasen versehenes Kettenrad sein, das dazu konfiguriert ist, den durch die Torsionsbelastung und -entlastung der Kurbelwelle 107 während des Betriebs der Kraftmaschine auf den Synchronantrieb 101 übertragenen periodischen Schwankungen der Drehmomentlast entgegenzuwirken. Das mit drei Nasen versehene Kettenrad-Kurbelwellenantriebsglied 105 kann ein nicht kreisförmiges Profil mit drei Nasen aufweisen, die in gleichmäßigen Abständen um den Umfang des Kettenrads angeordnet sind, zum Beispiel kann jede Nase so ausgerichtet sein, dass sie der periodischen Erhöhung des während des Zündens eines jeweiligen Zylinders der Kraftmaschine auf das Kurbelwellenantriebsglied 105 übertragenen Drehmoments entgegenwirkt, wodurch Schwankungen der Spannung des Riemens des Synchronantriebs 101 auf ein Minimum reduziert werden. Infolge des Antriebs des Riemens 111 durch das nicht kreisförmige Kurbelwellenantriebsglied 105 ist die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle 103a nicht konstant proportional zu der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 107, zum Beispiel kann die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 103a während jeder Umdrehung der Kurbelwelle 107 infolge des nicht konstanten Radius des mit drei Nasen versehenen Kurbelwellenantriebsglieds 105 periodisch zunehmen und/oder abnehmen. Bei dem Beispiel eines nicht runden, zum Beispiel nicht kreisförmigen, gezahnten Antriebsglieds 105, 109 bezieht sich der Begriff "nicht rund" oder "nicht kreisförmig" auf einen durch den Scheitel oder den Fuß der Zähne definierten Bogen.
2b zeigt die Winkelstellung (θ_CAM) der Nockenwelle 103a bezüglich der Winkelstellung (θ_CK) der Kurbelwelle 107, wenn die Nockenwelle 103a durch das nicht kreisförmige Kurbelwellenantriebsglied 105 angetrieben wird. 2b veranschaulicht, dass die Beziehung zwischen der Winkelstellung der Nockenwelle 103a bezüglich der Kurbelwelle 107 nicht konstant proportional ist, wie sie es für einen Synchronantrieb 101 mit runden Antriebsgliedern, wie in 2a gezeigt, ist. Mit periodischer Zunahme und Abnahme der Winkelgeschwindigkeit des nicht kreisförmigen Kurbelwellenantriebsglieds 105 und somit wiederum des Riemens 111 und der Nockenwelle 103a sind die Ventilhubprofile eines oder mehrerer der Einlassventile zur Berücksichtigung von Schwankungen des Drehmoments möglicherweise nicht ordnungsgemäß. 2b veranschaulicht, dass für jeglichen Punkt während eines Zylinderzyklus der Kraftmaschine, das heißt zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, die Winkelausrichtung der Nockenwelle 103a bezüglich der Kurbelwelle 107 durch einen Winkel ∆θ_CAM nach früh oder nach spät verstellt sein kann. Während zum Beispiel das Einlassventil des ersten Zylinders bezüglich der Drehstellung der Kurbelwelle 107 ordnungsgemäß zeitgesteuert sein kann, ist das Einlassventil des zweiten und/oder dritten Zylinders infolge der periodischen Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit des nicht kreisförmigen Kurbelwellenantriebsglieds 105 möglicherweise nicht ordnungsgemäß zeitgesteuert. Darüber hinaus oder als Alternative dazu kann die Öffnungs- und/oder Schließrate des Ventils während eines Ventilhubereignisses durch die periodischen Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit des nicht kreisförmigen Kurbelwellenantriebsglieds 105 beeinflusst werden.
Die Wirkung der Nockennasen 115 kann auch zu Drehmomentschwankungen beitragen. Auf ähnliche Weise wie das Kurbelwellenantriebsglied 105 kann jedes der Nockenwellenantriebsglieder 109 ein mit drei Nasen versehenes Kettenrad sein, das dazu konfiguriert sein kann, durch jede der auf die Einlassventile jeweiliger Zylinder wirkenden Nockennasen 115 verursachten Schwankungen der Riemenspannung entgegenzuwirken. Das mit drei Nasen versehene Nockenwellenantriebsglied 109 kann ein nicht kreisförmiges Profil mit drei Nasen aufweisen, die in gleichmäßigen Abständen um den Umfang des Kettenrads angeordnet sind, zum Beispiel kann die Spitze jeder Nase bei 0°, 120° und 240° um die Drehachse des Nockenwellenantriebsglieds 109 ausgerichtet sein. Auf diese Weise kann jede Nase in ungefähr der gleichen Winkelausrichtung wie jede der Nockennasen 115 bezüglich der Nockenwelle 103a ausgerichtet sein. Jede Nase der mit drei Nasen versehenen Nockenwellenantriebsglieder 109 kann dazu konfiguriert sein, durch jede der Nockennasen 115, die auf die Einlassventile wirken, verursachter periodischer Widerstandstorsionseingabe entgegenzuwirken und deshalb Schwankungen der Spannung des Riemens des Synchronantriebs 101 auf ein Minimum zu reduzieren. Infolgedessen, dass die Nockenwelle 103a durch das nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglied 109 angetrieben wird, ist die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle 103a nicht konstant proportional zu der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 107. Zum Beispiel kann die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle 103a während jeder Umdrehung der Kurbelwelle 107 infolge des nicht konstanten Radius des mit drei Nasen versehenen Nockenwellenantriebsglieds 109 periodisch zunehmen und/oder abnehmen.
2c zeigt die Winkelstellung (θ_CAM) der Nockenwelle 103a bezüglich der Winkelstellung (θ_CK) der Kurbelwelle 107, wenn die Nockenwelle 103a durch das nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglied 109 angetrieben wird. 2c zeigt, dass für jeden Punkt während eines Zylinderzyklus der Kraftmaschine, das heißt, einer Umdrehung der Kurbelwelle, die Winkelausrichtung der Nockenwelle 103a bezüglich der Kurbelwelle 107 um den Winkel ∆θ_CAM nach früh oder nach spät verstellt werden kann.

In einem anderen Beispiel kann der Synchronantrieb 101 ein nicht kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied 105 zusätzlich zu einem oder mehreren nicht kreisförmigen Nockenwellenantriebsgliedern 109 umfassen. In solch einem Beispiel kann sich die Beziehung zwischen der Winkelstellung der Nockenwelle 103 und der Winkelstellung der Kurbelwelle 107 von den in den 2b und 2c gezeigten Beispielen unterscheiden, da die Beziehung zwischen der Winkelstellung der Nockenwelle 103a und der Kurbelwelle 107 von der Konfiguration sowohl des Kurbelwellenantriebsglieds 105 als auch des einen oder der mehreren nicht kreisförmigen Nockenwellenantriebsglieder 109 abhängig sein kann. Tabelle 1 und 3 veranschaulichen, wie sich die Winkelstellung (θ_CAM) der Nockenwelle 103a bezüglich der Winkelstellung (θ_CK) der Kurbelwelle 107 für Beispiele des Synchronantriebs 101, die i) ein kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied 105 und kreisförmige Nockenwellenantriebsglieder 109; und ii) ein nicht kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied 105 und nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglieder 109 umfassen, unterscheiden kann. Tabelle 1

Winkelstellung (θ_CK) der Kurbelwelle (Grad)	Winkelstellung (θ_CAM) der durch ein kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied 105 und kreisförmige Nockenwellenantriebsglieder 109 angetriebenen Nockenwelle (Grad)	Winkelstellung (θ_CAM) der durch ein nicht kreisförmiges Kurbelwellenantriebsglied 105 und nicht kreisförmige Nockenwellenantriebsglieder 109 angetriebenen Nockenwelle (Grad)	Gezeigt in
0	0	0	Figur 3a
180	90	92	Figur 3b
360	180	179	Figur 3c
540	270	273	Figur 3d
720	360	360	Figur 3e

Aus den 2a bis 2c geht hervor, dass der Winkel (θ_CAM) der Nockenwelle 103a für einen Synchronantrieb 101 mit nicht kreisförmigen Kurbelwellen- und/oder Nockenwellengliedern 105, 109 eine Funktion des Winkels (θ_CK) der Kurbelwelle 107 ist, das heißt, θ_CAM = f(θ_CK), wobei die Funktion f(x) von dem Maß abhängig ist, zu dem die Kurbelwellen- und/oder Nockenwellenantriebsglieder 105, 109 von einer Kreisform abweichen. Infolgedessen kann der Versatz (∆θ_CAM) der Drehstellung der Nockenwelle 103a von der Nockenwelle eines Synchronantriebs mit kreisförmigen Antriebsgliedern, wie beispielsweise in 2 gezeigt, wie folgt dargestellt werden: ∆θ_CAM = f(θ_CK) – (θ_CK/2)
In einem anderen Beispiel können die Nasen des nicht kreisförmigen Kurbelwellenantriebsglieds 105 und/oder die Nasen der nicht kreisförmigen Nockenwellenantriebsglieder 109 ungleichmäßig um den Umfang des Kettenrads verteilt sein, zum Beispiel kann die Spitze jeder Nase des Nockenwellenantriebsglieds 109 in irgendeiner geeigneten Ausrichtung ausgerichtet sein, die mit dem Spitzenwert einer an den Synchronantrieb 101 angelegten schwankenden Drehmomentlast zusammenfällt oder ungefähr zusammenfällt. Darüber hinaus oder als Alternative dazu können sich alle Nasen des nicht kreisförmigen Kurbelwellenantriebsglieds 105 und/oder die Nasen der nicht kreisförmigen Nockenwellenantriebsglieder 109 um einen verschiedenen radialen Abstand von der Drehachse des Antriebsglieds 105, 109 erstrecken, so dass jede Nase des Antriebsglieds 105, 109 dahingehend konfiguriert ist, einem anderen Ausmaß der an den Synchronantrieb 101 angelegten schwankenden Drehmomentlast entgegenzuwirken. Zum Beispiel kann das Nockenwellenantriebsglied 109 dazu konfiguriert sein, der durch eine Nockenwelle 103 mit Nockennasen 115, die verschiedene Nockennasenprofile aufweisen, und/oder eine Nockenwelle 103 mit zusätzlichen Nockennasen, die dazu konfiguriert sind, eine Hilfsvorrichtung, zum Beispiel eine Kraftstoffpumpe, zu betätigen, verursachten periodischen Torsionseingabe entgegenzuwirken.
4 zeigt eine Nockenwelle 203 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung. Die Nockenwelle 203 umfasst eine erste Nockennase 215a, eine zweite Nockennase 215b und eine dritte Nockennase 215c, die jeweils dazu konfiguriert sind, ein Ventil jeweiliger Zylinder der Kraftmaschine zu betätigen. In dem Beispiel von 4 ist jede der Nockennasen 215a, 215b, 215c integral, zum Beispiel einteilig, mit der Nockenwelle 203, so dass sich die Nockennasen 215a, 215b, 215c bezogen auf die Drehachse der Nockenwelle 203 nicht bewegen, zum Beispiel drehen und/oder translatorisch verschieben, können. In anderen Beispielen können jedoch eine oder mehrere der Nockennasen 215a, 215b, 215c von der Nockenwelle 203 getrennt gefertigt und anschließend an der Nockenwelle 203 befestigt, zum Beispiel beweglich befestigt oder starr befestigt, werden. In einem Beispiel kann die Nockenwelle einen Teil eines variablen Ventilsteuerungssystems (VVT-Systems, VVT – variable valve timing) und/oder Ventildeaktivierungssystems bilden. In dem in 4 gezeigten Beispiel weist jede Nockennase 215a, 215b, 215c ein Nockenprofil 217a, 271b, 217c und einen Phasenwinkel θa, θb, θc auf. Das Nockenprofil 217a, 271b, 217c jeder der Nockennasen 215a, 215b, 215c kann als der radiale Abstand der Nockenfläche von der Drehachse der Nockennase 215a, 215b, 215c als Funktion eines Winkels definiert sein, wodurch die Form, zum Beispiel eine Querschnittsform in einer Axialrichtung, der Nockennase 215a, 215b, 215c bestimmt wird. Der Phasenwinkel θa, θb, θc der Nockennase 215a, 215b, 215c kann als der Winkel zwischen einem Bezugswinkel, zum Beispiel einer vertikalen Stellung (0°), und dem Vorderteil/Scheitel der Nockennase 215a, 215b, 215c, gemessen um die Drehachse der Nockennase 215a, 215b, 215c, definiert werden, wodurch die Winkelstellung des Scheitels der Nockennase 215a, 215b, 215c um die Achse der Nockenwelle 103a bestimmt wird.
5 ist eine Darstellung der Stirnseite der Nockennasen 215a, 215b, 215c, die das Nockenprofil 217a, 271b, 217c und den Phasenwinkel θa, θb, θc jeder der Nockennasen 215a, 215b, 215c zeigt. In dem Beispiel von 5 wird der Phasenwinkel θa, θb, θc jeder der Nockennasen 215a, 215b, 215c unabhängig ausgewählt, um einer durch das nicht kreisförmige Antriebsglied 105, 109 verursachten Änderung des Ventilhubprofils jeweiliger Ventile entgegenzuwirken. Der Phasenwinkel θb der zweiten Nockennase 215b wird unabhängig ausgewählt, um einer durch das nicht kreisförmige Antriebsglied 105, 109 verursachten Änderung des Ventilhubprofils entgegenzuwirken. Insbesondere wird der Phasenwinkel θb der zweiten Nockennase 215b unabhängig ausgewählt, das heißt, von dem Standardphasenwinkel (120°) verstellt, um das Ventilhubereignis des Einlassventils des zweiten Zylinders der Kraftmaschine nach früh zu verstellen und so die durch das nicht kreisförmige Antriebsglied 105, 109 verursachte nicht ordnungsgemäße Zeitsteuerung des Einlassventils des zweiten Zylinders zu korrigieren. Die Nockenwelle 203 weist deshalb zwischen der ersten Nockennase 215a und der zweiten Nockennase 215b einen verringerten Nasenabstand auf. Zum Beispiel: ∆θ_CAM,120 = f(240) – (240/2).
Ähnlich wie bei der zweiten Nockennase 215b wird der Phasenwinkel θc der dritten Nockennase 215c unabhängig ausgewählt, um einer durch das nicht kreisförmige Antriebsglied 105, 109 verursachten Änderung des Ventilhubprofils entgegenzuwirken. Insbesondere wird der Phasenwinkel θc der dritten Nockennase 215c unabhängig ausgewählt, das heißt von dem Standardphasenwinkel (240°) verstellt, um das Ventilhubereignis des Einlassventils des dritten Zylinders der Kraftmaschine nach spät zu verstellen, um so die durch das nicht kreisförmige Antriebsglied 105, 109 verursachte nicht ordnungsgemäße Zeitsteuerung des Einlassventils des dritten Zylinders zu korrigieren. Die Nockenwelle 203 weist deshalb zwischen der zweiten Nockennase 215b und der dritten Nockennase 215c einen vergrößerten Nasenabstand auf. Zum Beispiel: ∆θ_CAM,240 = f(480) – (480/2).
5 zeigt, dass die Änderung des Phasenwinkels ∆θb, ∆θc der zweiten und der dritten Nockennase 215b, 215c –5° bzw. +5° beträgt. Die Änderung des Phasenwinkels θb, θc der zweiten und der dritten Nockennase 215b, 115c kann jedoch irgendein geeigneter Winkel zum Entgegenwirken einer durch das nicht kreisförmige Antriebsglied 105, 109 verursachten Änderung der Ventilsteuerung sein. Obgleich in dem gegebenen Beispiel der Phasenwinkel θa der ersten Nockennase 215a zwar 0° beträgt, kann der Phasenwinkel θa in einem anderen Beispiel in einer von der Konfiguration des nicht kreisförmigen Kurbelwellen- und/oder Nockenwellenantriebsglieds 105, 109 abhängigen Art und Weise unabhängig ausgewählt werden.
Genauso wie der Vorderteil/Scheitel der Nockennase 215a, 215b, 215c wie oben beschrieben versetzt sein kann, können die Punkte am Nockenprofil 217a, 271b, 217c vor und/oder hinter dem Scheitel auf ähnliche Weise versetzt sein. Unter Bezugnahme auf 6 kann zum Beispiel der Punkt des Nockenprofils 217a, 271b, 217c der das Ventil zur Hälfte öffnet, durch Bestimmung des Kurbelwinkels, bei dem das Ventil zur Hälfte geöffnet ist, und Anwenden der gleichen Funktion versetzt werden, das heißt ∆θ_{CAM,halb geöffnet} = f(θ_{CK,halb geöffnet}) – θ_{CK,halb geöffnet}/2
Auf diese Weise kann jeder Punkt x, y, z am Nockenprofil gegenüber den Punkten x', y', z' eines versetzten Nockenprofils 217a, 271b, 217c abgebildet werden.
In einem anderen Beispiel kann das Nockenprofil 217a, 271b, 217c jeder der Nockennasen 215a, 215b, 215c unabhängig ausgewählt werden, um einer Änderung des Ventilhubprofils jeweiliger Ventile entgegenzuwirken. Zum Beispiel kann jedes der Nockenprofile 217a, 271b, 217c unabhängig ausgewählt werden, um die Rate, mit der sich die Ventile jeweiliger Zylinder öffnen, in Abhängigkeit von der Konfiguration des nicht kreisförmigen Nockenwellenantriebsglieds 109 zu erhöhen und/oder zu verringern. Jedes der Nockenprofile 217a, 271b, 217c und jeder der Phasenwinkel θa, θb, θc kann deshalb in Abhängigkeit von der Konfiguration des nicht kreisförmigen Antriebsglieds 105, 109 spezifisch ausgewählt werden.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Nockenwelle 203 bereit, die das Ventilhubprofil jedes der Einlass- und Auslassventile jeweiliger Zylinder der Kraftmaschine unabhängig optimiert. Des Weiteren sind die nicht kreisförmigen Antriebsglieder 105, 109 selbst dazu konfiguriert, die Drehmomentschwingungen, die von der Kurbelwelle 107 und der Nockenwelle 103 auf den/die Riemen/Kette des Synchronantriebs 101 übertragen werden, zu reduzieren, um die Leistungsabgabe zu erhöhen und die Kraftstoffökonomie einer Kraftmaschine zu verbessern. Deshalb stellt die vorliegende Offenbarung eine Nockenwelle 203 bereit, die den durch das Ausmaß an Nichtproportionalität zwischen den Drehzahlen der Nockenwelle und der Kurbelwelle verursachten Fehler bei jeweiligen Ventilhubprofilen korrigieren kann. Infolgedessen erhöht die Nockenwelle 203 weiter die Leistungsabgabe und die Kraftstoffökonomie einer Kraftmaschine, die einen Synchronantrieb 101 mit einem oder mehreren nicht kreisförmigen Antriebsgliedern 105, 109 verwendet.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass die Erfindung zwar beispielhaft unter Bezugnahme auf ein oder mehrere Beispiele beschrieben worden ist, sie jedoch nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt ist und dass alternative Beispiele konstruiert werden könnten, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

Nockenwelle für eine Kraftmaschine, wobei die Nockenwelle dazu konfiguriert ist, von einem mit einer Kurbelwelle der Kraftmaschine gekoppelten Synchronantrieb drehangetrieben zu werden, wobei der Synchronantrieb ein oder mehrere nicht kreisförmige Antriebsglieder umfasst, die dazu konfiguriert sind, Schwankungen des Drehmoments entgegenzuwirken, wobei die Nockenwelle mehrere Nockennasen umfasst, die jeweils dazu konfiguriert sind, ein Ventil jeweiliger Zylinder der Kraftmaschine zu betätigen, wobei der Phasenwinkel jeder Nockennase und/oder das Profil jeder Nockennase unabhängig ausgewählt wird, um einer Änderung des Ventilhubprofils jeweiliger Ventile, die durch das eine oder die mehreren nicht kreisförmigen Antriebsglieder verursacht wird, entgegenzuwirken.
Nockenwelle nach Anspruch 1, wobei das nicht kreisförmige Antriebsglied mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, die Drehmomentlast von der Kurbelwelle auf den Synchronantrieb zu übertragen.
Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das nicht kreisförmige Antriebsglied mit der Nockenwelle gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, die Drehmomentlast von dem Synchronantrieb auf die Nockenwelle zu übertragen.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das nicht kreisförmige Antriebsglied periodische Schwankungen der Drehzahl der Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle verursacht.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das nicht kreisförmige Antriebsglied dazu konfiguriert ist, Schwankungen eines von der Nockenwelle auf den Synchronantrieb übertragenen Widerstandsdrehmoments entgegenzuwirken.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das nicht kreisförmige Antriebsglied ein Profil aufweist, das bezüglich der Drehachse des nicht kreisförmigen Antriebsglieds nicht rotationssymmetrisch ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nockenwelle ein Profil aufweist, das bezüglich der Drehachse der Nockenwelle nicht rotationssymmetrisch ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil des Zylinders ein Einlassventil oder ein Auslassventil ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Synchronantrieb einen Riementrieb oder einen Kettentrieb umfasst.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Nockennase starr an der Nockenwelle befestigt ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Phasenwinkel jeder Nockennase um die Differenz zwischen dem Winkel der durch das nicht kreisförmige Antriebsglied angetriebene Nockenwelle und dem Winkel der durch die kreisförmigen Antriebsglieder angetriebenen Nockenwelle versetzt ist.
Kraftmaschine, die die Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Nockenwelle oder Kraftmaschine wie hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.