DE10303748B4

DE10303748B4 - Motor mit Zylinderabschaltung und nach früh verstellter Steuerzeit von Auslassnocken und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE10303748B4
Application number: DE10303748A
Authority: DE
Inventors: James B. Shelby Township Hicks
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP2003269125A; US6513471B1; DE10303748A1; JP3896088B2

Abstract

Nockenwelle (12) für einen Motor (10), der Umschaltventilstellglieder (28) zum Umschalten der Ventile ausgewählter Motorzylinder zwischen normal arbeitenden und geschlossenen, nicht arbeitenden Zuständen zum Abschalten der ausgewählten Motorzylinder aufweist, wobei die Nockenwelle (12) mindestens einen Nocken (14, 16, 18, 20) für jedes der Einlass- und Auslassventile (24, 26, 30, 32) umfasst, die durch die Nockenwelle (12) betätigt werden, und der herkömmliche Zylinder sowie Abschaltungszylinder umfasst,
wobei die Umschaltventilstellglieder (28) zum Betätigen der Ventile (30, 32) der Abschaltungszylinder Spielausgleicher mit einem positiven Ventilspiel aufweisen und die Ventilstellglieder (22) für die herkömmlichen Zylinder Spielausgleicher ohne wesentliches Ventilspiel aufweisen, so dass Nockenwellen (12) mit Nocken, die eine äquivalente Gasströmung durch die herkömmlichen und Abschaltungszylinder liefern und identische Steuerzeiten der Einlass- und Auslassventile aufweisen, in den Abschaltungszylindern eine größere Ventilüberschneidung als in den herkömmlichen Zylindern besitzen, und zwar aufgrund von erhöhten Öffnungs- und Schließrampen an den Nocken (18, 20) der Abschaltungszylinder, die notwendig...

Description

Diese Erfindung betrifft Motoren mit Zylinderabschaltung, die Umschaltventilstellglieder zum Abschalten ausgewählter Zylinder eines Motors aufweisen. Insbesondere umfasst die Erfindung eine Abänderung der Steuerzeit der Nocken der Nockenwelle für einen verbesserten Betrieb eines Motors mit Zylinderabschaltung.

Es ist in der Technik von Motoren mit Zylinderabschaltung bekannt, hydraulische Totgang-Ventilstößel oder Spielausgleichsvorrichtungen mit Schiebestift-Rastmechanismen zu versehen, die nachstehend Sperrrasten genannt werden. Diese Totgang-Vorrichtungen können als Umschaltventilstellglieder bezeichnet werden und zusammenschiebbare Ventilstößel mit internen Spielausgleichern sowie feststehende zusammenschiebbare Spielausgleicher, die als Drehelemente im Motorventilsteuergestänge verwendet werden, umfassen.

Die Sperrrasten derartiger Umschaltventilstellglieder erfordern eine mechanische Spielkomponente um eine freie Bewegung der Raststifte sicherzustellen. Infolgedessen sind die Mechanismen derart entworfen, dass die hydraulischen Spielausgleicher oder Stößel das erforderliche mechanische Spiel nicht kompensieren können. Um ein Ventiltriebgeräusch zu verhindern, muss dieses mechanische Spiel durch eine zusätzliche Rampenhöhe der Nockenwellennocken ausgeglichen werden, die den hydraulischen Rampen auf den Öffnungs- und Schließseiten in jeder Ventilreihe, die ein Totgang-(Umschalt-)Ventilstellglied enthält, hinzugefügt ist. Ferner muss zur Verhinderung von Geräuschen bei all den zu erwartenden Abweichungen in dem tatsächlichen mechanischen Spiel in einer Gruppe von Produktionsteilen die zusätzliche Rampe gleich dem maximal zulässigen mechanischen Spiel plus irgendeinem während der Lebensdauer des Motors zu erwartendem Verschleiß sein.

Obwohl die erhöhten Rampen die Möglichkeit eines Ventiltriebgeräusches aufgrund der mechanischen Spielkomponente der Umschaltventilstellglieder beseitigen, erhöhen sie auch die Ventilüberschneidungsfläche in jeder Ventilreihe mit einem Umschaltventilstellglied, außer in dem Fall eines Zustandes mit maximalem mechanischen Spiel, aufgrund der zusätzlichen Rampenhöhe, die verbleibt, nachdem ein Spiel, das geringer als das ungünstigste Spiel ist, beseitigt worden ist. Die zusätzliche Überschneidungsfläche kann zu einer wesentlichen Verschlechterung der Verbrennungsqualität unter leicht belasteten Bedingungen und bei Leerlauf führen und in einer durch einen Bediener wahrgenommenen Rauhigkeit resultieren.

US 5 529 549 , US 5 695 430 und US 5 832 885 beschreiben Systeme zur Abschaltung von Zylindern einer Brennkraftmaschine.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nockenwelle, einen Motor und ein Verfahren zum Betreiben eines Motors anzugeben, mit denen oben beschriebene potentiell negativen Effekte mit einem Minimum an Änderungen an dem Motor überwunden werden sollen.

Diese Aufgabe wird mit einer Nockenwelle mit den Merkmalen des Anspruches 1, einem Motor mit den Merkmalen des Anspruches 5 und ei nem Verfahren zum Betreiben eines Motors mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Änderung der Steuerzeit der Motornocken bereit, die die vergrößerte Ventilüberschneidungsfläche, die aus den zuvor diskutierten mechanischen Rampen resultiert, wesentlich reduziert oder beseitigt. In einem typischen Motor sind die Steuerzeiten der Auslassventile relativ zu denen der die Einlassventile in jedem Zylinder derart entworfen, dass sie über alle Zylinder des Motors hinweg identisch sind. Wenn die Ventilsteuerzeit von Zylinder zu Zylinder geändert wird, ist es möglich, ebenso die resultierende Überschneidung in jedem Zylinder zu variieren.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verstellung der Steuerzeit der Auslassnocken nach früh für die Zylinder mit Umschaltventilstellgliedern bereit, während die Steuerzeit der Einlassventile fest ist. Die nach früh verstellte Steuerzeit der Auslassnocken verringert die zusätzliche Überschneidung, die durch das mechanische Spiel erzeugt wird. Die restlichen Zylinder ohne Umschaltventilstellglieder werden nicht verändert. Die Verstellung der Steuerzeit der Auslassventile nach früh wird gewählt, da das Leistungsvermögen des Motors sich nicht wesentlich ändert, wenn die Steuerzeit der Auslassventile in einem bestimmten begrenzten Wertebereich verändert wird, wohingegen selbst kleine Änderungen der Steuerzeit der Einlassnocken das Abtriebsdrehmoment des Motors beträchtlich beeinflussen können.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen ist:
1 eine schematische Ansicht eines Motors, der herkömmliche Ventilstellglieder oder Ventilstößel sowie Umschaltventilstellglieder oder Ventilstößel zum Betätigen der Ventile des Motors umfasst, und bei dem eine Verstellung der Steuerzeit der Auslassventile nach früh für die Abschaltungszylinder vorgesehen ist;
2 eine graphische Darstellung der Ventilüberschneidung für einen Motor mit herkömmlichen Zylindern und Abschaltungszylindern ohne eine Verstellung der Auslassnockensteuerzeit nach früh; und
3 eine graphische Darstellung ähnlich wie 2, die aber den Effekt einer erfindungsgemäßen Verstellung der Steuerzeit der Auslassnocken nach früh zeigt.
Nach den Zeichnungen im Einzelnen bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein einen Verbrennungsmotor mit mehreren ähnlich aufgebauten Motorzylindern, nicht gezeigt, die in einer Zylinderbank 11 angeordnet sind. Einige der Zylinder, die Abschaltungszylinder genannt werden, können während des Motorbetriebs abgeschaltet werden, wohingegen der Rest der Zylinder, die als herkömmliche Zylinder bezeichnet werden, im normalen Betrieb fortfahren, während der Motor läuft.
Der Motor umfasst eine Nockenwelle 12 mit einem Einlassnocken 14 und einem Auslassnocken 16 für jeden der herkömmlichen Zylinder sowie einem Einlassnocken 18 und einem Auslassnocken 20 für jeden der Abschaltungszylinder. Die Einlass- und Auslassnocken 14, 16 betätigen herkömmliche Ventilstößel 22, die angeschlossen sind, um Einlass- und Auslassventile 24, 26 der herkömmlichen Zylinder des Motors zu betätigen. Die Nocken 18, 20 betätigen Umschaltventilstößel 28, die angeschlossen sind, um Einlass- und Auslassventile 30, 32 der Abschaltungsventile des Motors zu betätigen.
Die herkömmlichen Ventilstößel sowie die Umschaltventilstößel 22, 28 sind in einer Stößelgalerie 34 montiert, die einen Teil der Zylin derbank 11 bildet. Die Stößelgalerie stellt eine Druckölversorgung 36 für Spielausgleicher bereit, die im Inneren der Stößel 22, 28 montiert sind. Die Umschaltventilstößel 28 werden zusätzlich mit Steueröldruck durch ein Steuersystem versorgt, das ein Steuerventil 38 umfasst, das angeschlossen ist, um ein Steuerkanalnetz 40, das mit Sperrrasten 42 der Umschaltstößel 28 verbunden ist, abwechselnd unter Druck zu setzen oder zu entleeren. Die Umschaltstößel 28 sind mit internem mechanischem Spiel versehen, das erforderlich ist, um ein erneutes Ineingrifftreten der Raststifte sicherzustellen, wenn der Abschaltungsöldruck in dem Steuerkanalnetz durch das Steuerventil 38 abgelassen wird. Die herkömmlichen Stößel 22 haben im Gegensatz dazu kein wesentliches mechanisches Spiel.
Infolgedessen müssen die Nockenwellen-Einlass- und Auslassnocken 18, 20 für die Abschaltungszylinder eine zusätzliche Rampenhöhe über diejenige hinaus aufweisen, die für die Betätigung der hydraulischen Spielausgleicher erforderlich ist, um das mechanische Spiel in den Abschaltungsstößeln 28 auszugleichen und die Erzeugung eines für einen Bediener störenden Stößelgeräusches zu vermeiden. Die herkömmlichen Stößel 22 weisen kein mechanisches Spiel auf, so dass keine erhöhten Rampenhöhen an den Einlass- und Auslassnocken 14, 16 vorgesehen sind. Das Ergebnis ist, dass die Abschaltungszylinder eine erhöhte Einlassventil/Auslassventil-Überschneidung aufweisen, wie es in Verbindung mit 2 der Zeichnungen diskutiert werden wird. Die erhöhte Überschneidung erzeugt Zylinderbedingungen, die zu einer schlechten Verbrennung bei niedrigen Lasten und Leerlaufbetrieb der Abschaltungszylinder führen und für den Motor- oder Fahrzeugbediener störend sein können.
In 2 gibt die durchgezogene Linie 44 die Hubkurve eines herkömmlichen Auslassnockens 16 an, und die durchgezogene Linie 46 gibt die Hubkurve eines herkömmlichen Einlassnockens 14 an. Die gestrichelte Linie 48 gibt die Hubkurve eines Abschaltungsauslassnockens 20 an, und die gestrichelte Linie 50 gibt die Hubkurve eines Abschaltungseinlassnockens 18 an. Es ist anzumerken, dass bei dieser Ausführungsform die Steuerzeit der Abschaltungsnocken gleich der Steuerzeit der entsprechenden herkömmlichen Nocken ist. Jedoch unterscheiden sich ihre Hubkurven wegen der unterschiedlichen Rampenhöhen für die herkömmlichen und Abschaltungsnocken. In der Mitte von 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Überlappabschnittes der Auslass- und Einlassventilhubkurven gezeigt, in der die Linien 44, 46, 48 und 50 mit den Unterschieden ihrer Wege entlang der Rampenabschnitte der Nocken leichter zu erkennen sind.
3 veranschaulicht eine erfindungsgemäße modifizierte Ausgestaltung der Steuerzeit von Nocken einer Nockenwelle. In der Zeichnung geben die Linien 46 und 50 die Hubkurven der Einlassnocken des Motors an. Die Hubkurven und Steuerzeiten sind identisch mit jenen von 2, so dass die gleichen Bezugszeichen für ihre Kennzeichnung benutzt werden. Gleichermaßen ist die durchgezogene Linie 44, die den Nockenhub und die Steuerzeit des herkömmlichen Auslassnockens 16 angibt, identisch mit der gleich nummerierten Linie von 2.
Jedoch ist das neue Merkmal der Erfindung, dass die Steuerzeit des Abschaltungsauslassnockens 20 um zwei Grad gegenüber der Steuerzeit des in 2 veranschaulichten Nockens nach früh verstellt worden ist. Die Nockenhubkurve bleibt gleich, obwohl sie auch verändert werden könnte, falls dies erwünscht wäre. Der resultierende Weg des nach früh verstellten Auslassnocken-Ventilhubs ist durch die gestrichelte Linie 52 gezeigt.
Es ist anzumerken, dass die Verstellung der Steuerzeit der Auslassnocken-Hubkurve um zwei Grad nach früh die effektive Ventilüberschneidung der Abschaltungszylinder im Vergleich mit den herkömmlichen Zylindern verringert. In den veranschaulichten Figuren beträgt die Ventilüberschneidungsfläche gemessen an den Nocken für die herkömmlichen Zylinder ungefähr 10,7 Grad Millimeter (0,42 Grad Zoll), während die Überschneidungsfläche für die Abschaltungsnocken ungefähr 1,52 Grad Millimeter (0,06 Grad Zoll) größer ist. Bei dem um zwei Grad nach früh verstellten Auslassnocken ist jedoch die Überschneidungsfläche der Abschaltungsnocken auf sehr nahe bei der Überschneidungsfläche der Nocken der herkömmlichen Zylinder verringert. Somit wird infolge der Verstellung von nur der Steuerzeit der Auslassabschaltungsnocken um zwei Grad nach früh die Stabilität der Motorverbrennung in den herkömmlichen Zylindern sowie den Abschaltungszylindern, wenn sie betrieben werden, im Wesentlichen ähnlich gehalten, und die Wirkung des Motorleistungsvermögens zwischen den beiden Zylindertypen ist im Wesentlichen unverändert und unterscheidet sich um weniger als ein Prozent.
Wie es aus der vorstehenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform verstanden werden kann, ist das Ergebnis des Verfahrens die Beseitigung oder Verkleinerung der erhöhten Ventilüberschneidung wegen der mechanischen Rampenwirkung der Nocken für die Abschaltungszylinder unter Bedingungen eines nominalen Spiels. Der Betrag der Verstellung der Auslassventilsteuerzeit nach früh, der notwendig ist, um die Ventilüberschneidung zwischen Abschaltungszylindern und herkömmlichen Zylindern zu normalisieren, wird je nach Anwendung abhängig von Faktoren variieren, wie etwa den Spezifikationen des mechanischen Spiels der Spielausgleicher, der Konstruktion der Rampe der Nockenwellennocken und der Grundlinien-Nockensteuerzeit. Somit zeigt die Verstellung der Steuerzeit des Abschaltungsauslassnockens um zwei Grad nach früh, die sich für das beschriebene beispielhafte Motorsystem als effektiv erwiesen hat, die mögliche Wirksamkeit einer kleinen Änderung, lässt aber eine Bestimmung des Betrags der Frühverstellung, die für andere Motorausführungsformen notwendig ist, offen. Man geht gegenwärtig davon aus, dass eine Verstellung der Steuerzeit des Auslassnockens nach früh im Bereich von ungefähr 2 bis 5 Grad zur Verwendung mit Ventile umschaltenden Abschaltungsmechanismen, wie sie gegenwärtig bekannt sind, bevorzugt ist. Jedoch kann ein vergrößerter Bereich von ungefähr 1 bis 7 Grad Verstellung nach früh bei verschiedenen Motorausführungsformen zweckmäßig sein.
Zusammengefasst weist ein Motor Umschaltventilstellglieder mit positivem Ventilspiel zum Betätigen oder Abschalten von Ventilen von Abschaltungszylindern und herkömmliche Ventilstellglieder mit vernachlässigbarem Ventilspiel zum Betätigen von Ventilen von herkömmlichen Zylindern auf. Nocken für die Abschaltungszylinder weisen erhöhte Öffnungs- und Schließrampen relativ zu Nocken der herkömmlichen Zylinder auf. Dies kann zu einer schlechten Verbrennungsqualität bei Leerlauf und leichten Lasten führen und in einer von einem Bediener wahrgenommenen Motorrauigkeit resultieren. Um dies zu kompensieren, wird die Steuerzeit von Auslassnocken der Abschaltungszylinder relativ zu jener der herkömmlichen Zylinder nach früh verstellt, um die Ventilüberschneidung der Abschaltungszylinder auf ausreichend nahe bei derjenigen der herkömmlichen Zylinder zu verringern und somit eine stabile Verbrennung bei Leerlauf in herkömmlichen Zylindern sowie Abschaltungszylindern bei einem Betrieb aller Zylinder mit nahezu äquivalenter Leistung bereitzustellen.

Claims

Nockenwelle (12) für einen Motor (10), der Umschaltventilstellglieder (28) zum Umschalten der Ventile ausgewählter Motorzylinder zwischen normal arbeitenden und geschlossenen, nicht arbeitenden Zuständen zum Abschalten der ausgewählten Motorzylinder aufweist, wobei die Nockenwelle (12) mindestens einen Nocken (14, 16, 18, 20) für jedes der Einlass- und Auslassventile (24, 26, 30, 32) umfasst, die durch die Nockenwelle (12) betätigt werden, und der herkömmliche Zylinder sowie Abschaltungszylinder umfasst, wobei die Umschaltventilstellglieder (28) zum Betätigen der Ventile (30, 32) der Abschaltungszylinder Spielausgleicher mit einem positiven Ventilspiel aufweisen und die Ventilstellglieder (22) für die herkömmlichen Zylinder Spielausgleicher ohne wesentliches Ventilspiel aufweisen, so dass Nockenwellen (12) mit Nocken, die eine äquivalente Gasströmung durch die herkömmlichen und Abschaltungszylinder liefern und identische Steuerzeiten der Einlass- und Auslassventile aufweisen, in den Abschaltungszylindern eine größere Ventilüberschneidung als in den herkömmlichen Zylindern besitzen, und zwar aufgrund von erhöhten Öffnungs- und Schließrampen an den Nocken (18, 20) der Abschaltungszylinder, die notwendig sind, um die Öffnungs- und Schließbelastung der Nocken (18, 20) und Ventilstellglieder (28) zu minimieren, wobei die Nockenwelle (12) Steuerzeiten für die Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder aufweist, die ausreichend nach früh verstellt sind, um den Unterschied der Ventilüberschneidung zwischen den herkömmlichen Zylindern und den Abschaltungszylindern wesentlich zu verringern, ohne das Leistungsvermögen der verschiedenen Zylinder wesentlich aus dem Gleichgewicht zu bringen.
Nockenwelle (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Steuerzeiten der Auslassnocken (16, 20) für die herkömmlichen Zylinder und die Abschaltungszylinder in einem Bereich von ungefähr 1 bis 7 Grad liegt.
Nockenwelle (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Steuerzeiten der Auslassnocken (16, 20) für die herkömmlichen Zylinder und die Abschaltungszylinder in einem Bereich von ungefähr 2 bis 5 Grad liegt.
Nockenwelle (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Steuerzeiten der Auslassnocken (16, 20) für die herkömmlichen Zylinder und die Abschaltungszylinder ungefähr 2 Grad beträgt.
Motor (10) mit Umschaltventilstellgliedern (28) mit positivem Ventilspiel zum Betätigen oder Abschalten von Ventilen (30, 32) von Abschaltungszylindern und herkömmlichen Ventilstellgliedern (22) mit vernachlässigbarem Ventilspiel zum Betätigen von Ventilen (24, 26) von herkömmlichen Zylindern, sowie Nocken (18, 20) für die Abschal tungszylinder mit erhöhten Öffnungs- und Schließrampen relativ zu Nocken der herkömmlichen Zylinder, wobei die Steuerzeit von Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder relativ zu der Steuerzeit der Auslassnocken (16) der herkömmlichen Zylinder nach früh verstellt ist, um eine Ventilüberschneidung der Abschaltungszylinder auf ausreichend nahe bei derjenigen der herkömmlichen Zylinder zu verringern und somit eine stabile Verbrennung bei Leerlauf in den herkömmlichen Zylindern sowie den Abschaltungszylindern bei einem Betrieb aller Zylinder mit nahezu äquivalenter Leistung bereitzustellen.
Motor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Steuerzeit der Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder um einen Wert im Bereich von ungefähr 1 bis 7 Grad nach früh verstellt ist.
Motor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Steuerzeit der Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder um einen Wert im Bereich von ungefähr 2 bis 5 Grad nach früh verstellt ist.
Motor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Steuerzeit der Nocken der Abschaltungszylinder um einen Wert von ungefähr 2 Grad nach früh verstellt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Motors (10) mit Umschaltventilstellgliedern (28) mit positivem Ventilspiel zum Betätigen oder Abschalten von Ventilen (30, 32) von Abschaltungszylindern und herkömmlichen Ventilstellgliedern (22) mit vernachlässigbarem Ventilspiel zum Betätigen von Ventilen (24, 26) von herkömmlichen Zylindern, sowie Nocken (18, 20) für die Abschaltungszylinder mit erhöhten Öffnungs- und Schließrampen für die Abschaltungszylinder relativ zu Nocken (14, 16) der herkömmlichen Zylinder, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: die Steuerzeit der Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder relativ zu der Steuerzeit der Auslassnocken (16) der herkömmlichen Zylinder nach früh verstellt wird, um eine Ventilüberschneidung der Abschaltungszylinder auf ausreichend nahe bei derjenigen der herkömmlichen Zylinder zu verringern und somit eine stabile Verbrennung bei Leerlauf in den herkömmlichen Zylindern sowie den Abschaltungszylindern bei einem Betrieb aller Zylinder mit nahezu äquivalenter Leistung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Steuerzeit der Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder um einen Wert im Bereich von ungefähr 1 bis 7 Grad nach früh verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Steuerzeit der Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder um einen Wert im Bereich von ungefähr 2 bis 5 Grad nach früh verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Steuerzeit der Auslassnocken (20) der Abschaltungszylinder um einen Wert von ungefähr 2 Grad nach früh verstellt wird.