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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Neben der Abgasgesetzgebung für Personenkraftwagen und Nutzfahrzeuge unterliegen auch Motorräder immer strengeren Abgasgesetzen. Insbesondere bei Leerlaufdrehzahl und nach einem Kaltstart ist es bei Motorrädern schwierig, die Abgasemissionen zu reduzieren. Ein Nockenwellenversteller zur variablen Steuerung der Öffnungszeiten von Einlass- und Auslassventilen bietet auch bei Motorrädern einen Ansatzpunkt zur Reduzierung der Emissionen. Da Motorräder in der Regel nicht über eine große Ölpumpe verfügen, sind die aus dem Automobilbau bekannten, hydraulischen Nockenwellenversteller nur bedingt für Motorräder geeignet. Eine Alternative könnte hier ein rein mechanischer Nockenwellenversteller sein.
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Aus dem Stand der Technik sind hydraulische Nockenwellenversteller für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Automobile, bekannt. Diese Nockenwellenversteller weisen im Allgemeinen in ihrem Grundaufbau einen von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine antreibbaren Stator und einen drehfest mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Rotor auf. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Ringraum vorgesehen, welcher durch drehfest mit dem Stator verbundene, radial nach innen ragende Vorsprünge in eine Mehrzahl von Arbeitskammern unterteilt ist, die jeweils durch einen radial von dem Rotor nach außen abragenden Flügel in zwei Druckkammern unterteilt sind. Je nach der Beaufschlagung der Druckkammern mit einem hydraulischen Druckmittel wird der Rotor gegenüber dem Stator und damit auch die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Richtung „früh“ oder „spät“ verstellt. Ein solcher hydraulischer Nockenwellenversteller erfordert jedoch ein aufwendiges und vergleichsweise schweres hydraulisches System.
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Aus der
DE 100 36 546 A1 ist ein Nockenwellenversteller bekannt, bei dem die Verriegelung zur mechanischen Koppelung des Flügelrades mit dem Antriebsrad durch einen käfiggeführten Freilauf gebildet wird, welcher einen Klemmkörper aufweist, welcher eine Verdrehung des Flügelrads gegenüber dem Antriebsrad in einer Richtung sperrt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass weiterhin ein hydraulisches System zur Betätigung des Nockenwellenverstellers benötigt wird.
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Aus der
EP 2 484 874 B1 ist ein mechanischer Nockenwellen-Verstellmechanismus mit einer spiralförmigen Feder und einem Fliehgewicht bekannt, bei dem ein Auslassnocken wellenfest mit der Nockenwelle verbunden ist und ein Einlassnocken durch den Einfluss der Fliehkraft bei einer entsprechenden Rotationsgeschwindigkeit der Nockenwelle gegenüber dem Auslassnocken verdreht werden kann.
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Verbrennungsmotoren für Motorräder weisen oft einen vergleichsweise großen Drehzahlbereich auf, wobei insbesondere bei hohen Drehzahlen eine sogenannte Ventilüberschneidung, also ein gleichzeitiges Öffnen von Einlass- und Auslassventilen vorgesehen ist. Bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere bei Leerlauf-Drehzahl, kann diese Ventilüberschneidung zu einem Anstieg der Emissionen führen, da unverbrannter Kraftstoff in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors gelangen kann. Bei hohen Drehzahlen ist eine solche Ventilüberschneidung jedoch sehr hilfreich, um eine entsprechende Füllung des Brennraums mit Frischluft (bei Kraftstoff-Direkteinspritzung) oder Verbrennungsgemisch (bei Saugrohreinspritzung) zu bewirken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen alternativen mechanischen Nockenwellenversteller vorzuschlagen, welcher kostengünstig herstellbar ist und mit dem sich die Emissionen des Verbrennungsmotors reduzieren lassen.
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Die Aufgabe wird durch einen Nockenwellenversteller zur Verstellung des Drehwinkels zumindest einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit einem Antriebselement zur Übertragung einer Drehbewegung der Kurbelwelle auf die Nockenwelle gelöst, wobei zwischen dem Antriebselement und der Nockenwelle eine eindirektional wirksame Kupplung angeordnet ist, welche das Antriebselement mit einer Einlassnockenwelle verbindet, oder welcher das Antriebselement mit einer Auslassnockenwelle verbindet.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass durch die eindirektional wirksame Kupplung die Verdrehung zwischen dem Antriebselement und einer der Nockenwellen aus einer Ausgangslage in eine Verstelllage möglich ist. Somit kann das eingangs geschilderte Problem derart gelöst werden, dass die Einlassnockenwelle und die Auslassnockenwelle in der Ausgangslage keine oder nur eine sehr geringe Ventilüberschneidung aufweisen und in der Verstelllage eine entsprechend große Ventilüberschneidung aufweisen. Somit können die Emissionen im unteren Drehzahlbereich und bei Leerlauf reduziert werden, da kein unverbrannter Kraftstoff in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors gelangt. Bei hohen Drehzahlen kann jedoch weiterhin eine hohe Leistung erreicht werden, da durch die größere Ventilüberschneidung eine verbesserte Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors möglich ist.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Nockenwellenverstellers möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die eindirektional wirksame Kupplung als Fliehkraftkupplung ausgebildet ist. Eine Fliehkraftkupplung hat den Vorteil, dass mit steigender Drehzahl die Fliehkräfte zunehmen, so dass auf einfache Art und Weise bei Überschreiten oder Unterschreiten einer Schaltdrehzahl die Nockenwelle aus der Ausgangslage in die Verstelllage gebracht werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die eindirektional wirksame Kupplung federbelastete Rollen oder federbelastete Kugeln als Sperrkörper aufweist. Rollen oder Kugeln sind geeignete Sperrkörper, welche in einer Nut der Kupplung abrollen können, so dass die Kräfte im Wesentlichen durch die Federkonstanten der Federn bestimmt werden. Dabei werden die Sperrkörper bei Überschreiten oder Unterschreiten einer Grenzdrehzahl durch eine Verdrehung des Käfigs, in dem die Sperrkörper gehalten sind, soweit aus ihrer Ausgangslage ausgelenkt, dass sie eine Sperrwirkung erzielen oder eine Rotation eines Innenrings der Kupplung gegenüber einem Außenring der Kupplung freigeben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Nockenwellenversteller federbelastete Sperrklinken ausweist, über welche der Nockenwellenversteller und entweder die Auslassnockenwelle oder die Einlassnockenwelle drehfest miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise kann ein Ratschensystem hergestellt werden, mit dem die Einlassnockenwelle und die Auslassnockenwelle in mindestens einer, vorzugsweise mehreren, festen Position drehfest zueinander verriegelbar sind. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Verdrehung der Nockenwellen in die Extremposition nicht auf einmal möglich ist, und mehrere Teildrehungen notwendig sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
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1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller;
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2 die Ventilüberschneidung in der Ausgangslage und in der Verstelllage;
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3 einen Schnitt durch eine eindirektional wirksame Kupplung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers im oberen Drehzahlbereich;
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4 einen Schnitt durch die eindirektional wirksame Kupplung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers bei Leerlaufdrehzahl;
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5 einen Käfig mit federbelasteten Klemmkörpern als Teil der Kupplung;
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6 einen Ratschenmechanismus des Nockenwellenverstellers in einer Ausgangslage;
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7 einen Ratschenmechanismus des Nockenwellenverstellers in einer Verstelllage; und
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8 eine Verstelleinheit für einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1 für einen Verbrennungsmotor. Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Antriebselement 3, vorzugsweise ein Zahnrad, auf, welches drehfest mit dem Nockenwellenversteller 1 verbunden ist. Das Antriebselement 3 ist über einen in 1 nicht dargestellten Zahnriemen oder eine Kette mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Der Nockenwellenversteller 1 weist ferner eine eindirektional wirksame Kupplung 4 auf, über welche der Nockenwellenversteller 1 drehfest mit einer Nockenwelle 2, vorzugsweise mit einer Auslassnockenwelle 6, verbindbar ist. Der Nockenwellenversteller 1 ist drehfest mit einer Nockenwelle 2, insbesondere der Einlassnockenwelle 5, verbunden, wobei ein Gehäuse des Nockenwellenverstellers 1 auch einstückig mit der Einlassnockenwelle 5 ausgebildet sein kann. Die Einlassnockenwelle 5 hat mindestens einen Einlassnocken 10, über welchen das Öffnen und Schließen eines Einlassventils gesteuert wird. Die Einlassnockenwelle 5 und/oder der Nockenwellenversteller 1 sind mittels Wälzlagern 15 in einem nicht dargestellten Gehäuse drehbar gelagert. An dem Nockenwellenversteller 1 sind Öffnungen 24 ausgebildet, durch welche zwei Fliehkraftpendel 14 in radialer Richtung nach außen geführt sind. Die Auslassnockenwelle 6 ist mittels eines Wälzlagers 13 drehbar zur Einlassnockenwelle 5 gelagert und weist mindestens einen Auslassnocken 11 zur Steuerung der Öffnungszeiten eines Auslassventils auf. Zwischen dem Antriebselement 3 und der Auslassnockenwelle 6 ist die eindirektional wirksame Kupplung 4 angeordnet, welche einen Käfig 9 zur Führung von in 5 dargestellten Sperrkörpern 7 aufweist. Ferner können der Nockenwellenversteller 1 und die Auslassnockenwelle 6 über einen in 6 und 7 dargestellten Ratschenmechanismus 12 drehfest miteinander verbunden werden.
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In 2 ist das Öffnungsverhalten der Einlassventile und der Auslassventile über die Zeit dargestellt. In einer Ausgangsstellung, welche einem Betrieb des Verbrennungsmotors bei niedriger Drehzahl oder im Leerlauf entspricht, schließen die Auslassventile, bevor die Einlassventile geöffnet werden. Dadurch wird verhindert, dass in ein Saugrohr oder einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzter Kraftstoff unverbrannt in den Abgaskanal gelangt. Die Ausgangslage ist durch die durchgezogenen Linien in 2 dargestellt. In einer Verstelllage wird das Öffnen der Auslassventile in Richtung „spät“ verschoben, wodurch sich eine verbesserte Füllung der Brennräume ergibt. Dabei ergibt sich eine sogenannte Ventilüberschneidung X, in der die Auslassventile noch nicht vollständig geschlossen sind, bevor die Einlassventile öffnen, so dass zeitgleich die Einlass- und Auslassventile geöffnet sind. Die Verstelllage der Auslassnockenwelle 6 ist durch die gestrichelte Linie in 2 dargestellt.
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3 zeigt eine eindirektional wirksame Kupplung 4, welche als Fliehkraftkupplung in einer in 1 dargestellten Schnittebene A des Nockenwellenverstellers 1 ausgebildet ist. Die eindirektionale Kupplung 4 umfasst mindestens ein Fliehkraftpendel 14, vorzugsweise wie in 3 dargestellt zwei Fliehkraftpendel 14, welche jeweils einen Hebel 25 und ein Gewicht 26 umfassen. Die Hebel 25 sind jeweils über eine Feder 16 mit einem Käfig 9 der eindirektional wirksamen Kupplung 4 verbunden. In dem Käfig 9 sind, wie in 5 dargestellt, mit Federn 23 belastete Sperrkörper 7, vorzugsweise Rollen oder Kugeln, angeordnet.
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Bei hohen Drehzahlen sind die Federn 16 zwischen den Hebeln 25 und dem Käfig 9 durch die Fliehkraft, wie in 3 dargestellt, im Wesentlichen kraftfrei. Unterschreitet die Fliehkraft, wie in 4 dargestellt, einen Schwellenwert, so werden die Federn 16 durch die Hebel 25 der Fliehkraftpendel 14 zusammengedrückt, so dass die Federn 16 eine gegenüber ihrer Ausgangslänge verkürzte Länge aufweisen. Dadurch kommt es zu einer Verdrehung des Käfigs 9, wobei die im Käfig 9 angeordneten Sperrkörper 7 aus ihrer Ausgangslage gegen die Federkraft der Federn 23 ausgelenkt werden und sich innerhalb eines Spalts 27 zwischen der Auslassnockenwelle 6 und der Kupplung 4 derart verschieben, dass eine Kraftübertragung zwischen dem Nockenwellenversteller 1 und der Auslassnockenwelle 6 möglich ist. Dadurch ist eine Verdrehung der Auslassnockenwelle 6 gegenüber der Einlassnockenwelle 5 in Richtung „früh“ ermöglicht, so dass die Ventilüberschneidung bei niedrigen Drehzahlen kleiner als bei hohen Drehzahlen ist.
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6 zeigt ein Ratschensystem 12 für einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1. Das Ratschensystem 12 weist Sperrklinken 8 auf, welche mit Rückstellfedern 17 an der Auslassnockenwelle 6 verbunden sind. An der Auslassnockenwelle 6 sind Führungsabschnitte 18 ausgebildet, welche in Ausnehmungen 20 der Einlassnockenwelle 5 eingreifen und somit eine maximale Verdrehung zwischen Einlassnockenwelle 5 und Auslassnockenwelle 6 begrenzen. An der Einlassnockenwelle 5 sind ferner rampenförmige Vertiefungen 19 ausgebildet, in welche die Sperrklinken 8 eingreifen können. In 6 ist das Ratschensystem 12 in einer geöffneten Stellung dargestellt, in der die Einlassnockenwelle 5 und die Auslassnockenwelle 6 gegeneinander verdrehbar sind. In 7 ist das Ratschensystem 12 in einer Sperrstellung dargestellt, in der die Sperrklinken 8 in die rampenförmigen Ausnehmungen 20 der Einlassnockenwelle 5 eingreifen, wodurch die Auslassnockenwelle 6 und die Einlassnockenwelle 5 drehfest miteinander verbunden sind.
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Wenn die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors von einer höheren Betriebsdrehzahl auf eine Leerlaufdrehzahl reduziert wird, bewegt das Fliehkraftpendel 14 den Käfig der eindirektional wirksamen Kupplung 4 im Uhrzeigersinn und somit entgegen der Drehrichtung der Nockenwellen 2, 5, 6. Dadurch verklemmen sich die Sperrkörper 7 der eindirektional wirksamen Kupplung 4 mit der Auslassnockenwelle 6. Gleichzeitig werden die Sperrklinken 8 des Ratschensystems 12 durch die Rückstellfedern 17 in die Auslassnockenwelle 6 gezogen, so dass das Ratschensystem 12 gelöst ist und die Auslassnockenwelle 6 in Richtung „früh“ verstellt werden kann. Weil es in bestimmten Betriebssituationen nicht möglich ist, die Auslassnockenwelle 6 in einem Schritt in die „frühste“ Position zu verdrehen, sperren die Sperrkörper 7 ein Zurückdrehen der Auslassnockenwelle 6, so dass die Auslassnockenwelle 6 schrittweise in Richtung „früh“ verstellt werden kann.
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Wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors ausgehend von einer Leerlaufdrehzahl erhöht, werden zunächst die Sperrklinken 8 des Ratschensystems 12 durch die zunehmende Fliehkraft angehoben. Gleichzeitig drehen die Fliehkraftpendel 14 den Käfig 9 der Kupplung 4 entgegen dem Uhrzeigersinn. Dabei wird die Auslassnockenwelle 6 in Richtung „spät“ verdreht und es kommt wieder zur Ventilüberschneidung. Dabei hält das Ratschensystem 12 die Nockenwellen 5, 6 in der Position, in der es durch den Einlassnocken 10 und den Auslassnocken 11 zu einer Ventilüberschneidung der Einlass- und Auslassventile kommt, wobei eine Verdrehung der Nockenwellen 5, 6 zueinander durch die Sperrklinken 8 verhindert wird.
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8 zeigt eine Verstelleinheit 22 für einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1, umfassend ein Gehäuse 21 und ein Fliehkraftpendel 14 mit einem Hebel 25 und einem Gewicht 26, wobei in dem Gehäuse 21 die eindirektional wirksame Kupplung 4, das Ratschensystem 12 und ein Wälzlager 13 angeordnet sind. Die Verstelleinheit 22 kann mit dem Gehäuse 21 in eine als Hohlwelle ausgebildete Nockenwelle 2, insbesondere eine Einlassnockenwelle 5, eingepresst oder auf eine Nockenwelle 2, insbesondere eine Auslassnockenwelle 6, aufgepresst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Nockenwelle
- 3
- Antriebselement
- 4
- eindirektional wirksame Kupplung
- 5
- Einlassnockenwelle
- 6
- Auslassnockenwelle
- 7
- Sperrkörper
- 8
- Sperrklinken
- 9
- Käfig
- 10
- Einlassnocken
- 11
- Auslassnocken
- 12
- Ratschensystem
- 13
- Wälzlager
- 14
- Fliehkraftpendel
- 15
- Wälzlager
- 16
- Feder
- 17
- Rückstellfeder
- 18
- Führungsabschnitt
- 19
- Vertiefung
- 20
- Ausnehmung
- 21
- Gehäuse
- 22
- Verstelleinheit
- 23
- Feder
- 24
- Öffnungen
- 25
- Hebel
- 26
- Gewichte
- 27
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10036546 A1 [0004]
- EP 2484874 B1 [0005]
