DE10350015A1

DE10350015A1 - System zur Betätigung eines Motorventils

Info

Publication number: DE10350015A1
Application number: DE10350015A
Authority: DE
Inventors: Homa Bloomington Afjeh; Scott A. Eureka Leman; Clifford Pontiac Cotton
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2004-05-27
Also published as: US20040083994A1

Abstract

Ein System zur Betätigung eines Ventilelementes in einer Motorventilanordnung eines Verbrennungsmotors wird vorgesehen. Das System hat einen ersten Kolben, der eine erste Stange aufweist und in einer ersten Kammer angeordnet ist. Das System weist auch einen zweiten Kolben auf, der eine zweite Stange hat, wobei ein Ende von der Motorventilanordnung um eine vorbestimmte Distanz getrennt ist. Der zweite Kolben ist in einer zweiten Kammer angeordnet, die in Strömungsmittelverbindung mit der ersten Kammer ist, so dass die Bewegung des ersten Kolbens eine entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens bewirkt. Eine Nocke mit einem Nockenansatz ist betriebsmäßig mit der ersten Stange in Eingriff, so dass die Drehung der Nocke und des Nockenansatzes den ersten Kolben bewegt, um dadurch den zweiten Kolben zu bewegen. Der Nockenansatz hat eine Form, die geeignet ist, um zu bewirken, dass die zweite Stange sich über die vorbestimmte Distanz bewegt und mit der Motorventilanordnung in Eingriff kommt, um das Ventilelement an einem vorbestimmten Punkt im Betriebszyklus des Verbrennungsmotors zu bewegen.

Description

Die vorliegende Offenbarung ist auf ein System gerichtet, um ein Motorventil zu betätigen, und insbesondere ist die vorliegende Offenbarung auf ein System zur Betätigung eines Motorventils in einem Verbrennungsmotor gerichtet.
Hintergrund
Viele Fahrzeuge, wie beispielsweise Automobile, Straßenlastwägen oder Geländelastwägen weisen einen Verbrennungsmotor auf, der Leistung für das Fahrzeug liefert. Ein typischer Verbrennungsmotor weist eine Reihe von Einlass- und Auslassventilen auf, die den Fluss der Gase zu den Brennkammern des Motors und von diesen weg steuern. Der Motor kann auch ein Ventilbetätigungssystem aufweisen, wie beispielsweise ein nockengetriebenes Ventilbetätigungssystem, um die Betätigungszeitpunkte der Motorventile zu steuern.
Die Gesamtleistung des Verbrennungsmotors kann verbessert werden durch Anwendung einer Reihe von Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen, wie beispielsweise hydraulisch mit Leistung versorgten Betätigungsvorrichtungen, die die Motorventile betätigen, um selektiv Veränderungen an der herkömmlichen nockengetriebenen Ventilzeitsteuerung einzurichten. Beispielsweise können die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen verwendet werden, um die Auslassventile des Motors zu betätigen, um einen "Motorbremszyklus" einzurichten. In einem Motorbremszyklus öffnen die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen die Auslassventile des Motors, wenn ein Kolben, der mit jeder Brennkammer assoziiert ist, auf oder nahe einer oberen Totpunktposition am Ende eines Kompressionshubes ist. Diese Öffnung der Auslassventile gestattet, dass die Luft, die von dem Kolben in der Brennkammer während des Kompressionshubes komprimiert wurde, aus der Brennkammer durch einen Auslassdurchlassweg entweicht. In dieser Weise können die Kolben des Motors selektiv als Luftkompressoren verwendet werden, um Leistung auf zunehmen anstatt Leistung ansprechend auf die Verbrennung des Brennstoffes zu erzeugen.
Weil die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen nur verwendet werden, wenn der Motor ausgewählte Betriebszustände erfährt, sollten die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen eine Gegenwirkung mit dem Betrieb des nockengetriebenen Ventilbetätigungssystems vermeiden, wenn der Motor andere Betriebszustände erfährt. Die Leistung des Motors kann negativ beeinflusst werden, wenn beispielsweise die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen unbeabsichtigt die Auslassventile während des Einlasshubes der Kolben öffnen. Diese Art der Gegenwirkung kann auftreten, wenn die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen nicht Veränderungen der Größe der Motorkomponenten aufgrund von thermischer Ausdehnung berücksichtigen.
Um eine solche Gegenwirkung zu verhindern, werden die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen typischerweise von der Auslassventilanordnung um eine gewisse Distanz getrennt, die im allgemeinen als "Leergang" bezeichnet wird. Der Leergang ist die Distanz, die die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen von der Motorventilanordnung trennen. Der Leergang kann eine unbeabsichtigte oder unvorhergesehene Öffnung der Motorventile durch die Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen verhindern, wenn die Veränderungen der Temperatur des Motors eine Veränderung der Größe der Motorkomponenten verursachen.

Wie in dem US-Patent 4 898 128 von Meneely gezeigt, kann eine Hilfsventilbetätigungsvorrichtung einen Leergangentfernungsmechanismus aufweisen, um den Leergang zwischen der Hilfsventilbetätigungsvorrichtung und der Ventilbetätigungsanordnung aufzunehmen. Die Aufnahme des Leergangs verringert die Zeitdauer, die von den Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen benötigt wird, um das jeweilige Motorventil zu öffnen. Die reduzierte Ansprechzeit der Hilfsventilbetätigungsvorrichtungen kann zur einer verbesserten Steuerung der Hilfsventilbetätigungsvorgänge führen. Jedoch steigert das Vorsehen des Leergangsentfernungsmechanismus bei den Hilfsventilbetäti gungsvorrichtungen die Kosten der Betätigungsvorrichtungen und kann zu zusätzlicher Instandhaltung führen.

Das Motorventilbetätigungssystem der vorliegenden Erfindung löst eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme.

Gemäß eines Aspektes ist die vorliegende Erfindung auf ein System zur Betätigung eines Ventilelementes in einer Motorventilanordnung eines Verbrennungsmotors gerichtet. Das System hat einen ersten Kolben, der eine erste Stange aufweist, und der in einer ersten Kammer angeordnet ist. Das System weist auch einen zweiten Kolben auf, der eine zweite Stange besitzt, und zwar mit einem Ende, welches von der Motorventilanordnung um eine vorbestimmte Distanz entfernt ist. Der zweiten Kolben ist in einer zweiten Kammer angeordnet, die in Strömungsmittelverbindung mit der ersten Kammer ist, so dass die Bewegung des ersten Kolbens eine entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens verursacht. Eine Nocke mit einem Nockenansatz ist betriebsmässig mit der ersten Stange in Eingriff, so dass die Drehung der Nocke und des Nockenansatzes den ersten Kolben bewegt, um dadurch den zweiten Kolben zu bewegen. Der Nockenansatz hat eine Form, die geeignet ist, um zu bewirken, dass die zweite Stange sich über die vorbestimmte Distanz bewegt, und mit der Motorventilanordnung in Eingriff kommt, um das Ventilelement an einen vorbestimmten Punkt in dem Betriebszyklus des Verbrennungsmotors zu bewegen.

Gemäß eines weiteren Aspektes ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Betätigung eines Ventilelementes in einer Motorventilanordnung eines Verbrennungsmotors gerichtet. Ein Ende einer Hilfsstange, die mit einem Slave- bzw. Hilfskolben verbunden ist, ist um eine vorbestimmte Distanz von einer Motorventilanordnung positioniert. Strömungsmittel wird zur einer Strömungsmittelleitung geliefert, die einen Hauptkolben mit einer Hauptstange mit dem Hilfskolben verbindet. Eine Nocke mit einem Nocken ansatz, der betriebsmässig mit der Hauptstange in Eingriff ist, wird gedreht, um dadurch den Hauptkolben zu bewegen und eine entsprechende Bewegung des Hilfskolbens und der Hilfsstange zu bewirken. Der Nockenansatz hat eine Form, die geeignet ist, um die Hilfsstange über die vorbestimmte Distanz zu bewegen, und um mit der Motorventilanordnung in Eingriff zu kommen, um das Ventilelement an einem vorbestimmten Punkt im Betriebszyklus des Verbrennungsmotors zu bewegen.

1 ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Systems zur Betätigung eines Motorventils gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine Kurvendarstellung, die beispielhafte Beziehungen zwischen den Kurbelwellenwinkel des Motors und dem Hub des Motorventils veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Systems zur Betätigung eines Motorventils 12 für einen Verbrennungsmotor 10 ist in 1 veranschaulicht. Der Motor 10 weist einen Motorblock 16 mit einem Zylinder 17 auf, der eine Brennkammer 20 definiert. Der Motorblock 16 kann eine Vielzahl von Zylindern 17 definieren. Ein Zylinderkopf 18 kann mit dem Motorblock 16 verbunden sein, um jeden Zylinder 17 abzudecken.
Wie es ebenfalls gezeigt ist, kann ein Kolben 14 innerhalb des Zylinders 17 angeordnet sein. Der Kolben 14 ist geeignet, um sich zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition innerhalb des Zylinders 17 hin und her zu bewegen. Der Kolben 14 kann mit einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle verbunden sein, so dass eine Drehung der Kurbelwelle bewirkt, dass der Kolben 14 sich zwischen der unteren Totpunktposition und der obe ren Totpunktposition im Zylinder 17 hin und her bewegt. Zusätzlich wird eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 14 zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition innerhalb des Zylinders 17 eine entsprechende Drehung der Kurbelwelle verursachen.
Der Motor 10 kann beispielsweise in einem herkömmlichen Vier-Takt-Diesel-Zyklus arbeiten. In einem Vier-Takt-Diesel-Zyklus bewegt sich der Kolben 14 über einen Einlasshub, einen Verdichtungshub bzw. Kompressionshub, einen Verbrennungshub und einen Auslasshub. Der Fachmann wird erkennen, dass der Motor 10 in anderen bekannten Betriebszyklen arbeiten kann, wie beispielsweise in einem Otto-Zyklus.
Der Zylinderkopf 18 kann eine oder mehrere Öffnungen und (nicht gezeigte) Durchlasswege definieren, die zu der Brennkammer 20 und von dieser wegführen. Insbesondere kann der Zylinderkopf 18 einen Einlassdurchlassweg definieren, der zu einer Brennkammer 20 führt, und einen Auslassdurchlassweg, der von der Brennkammer 20 führt. Der Zylinderkopf 18 kann auch eine oder mehrere Einlassöffnungen definieren, die den Einlassdurchlassweg mit der Brennkammer 20 verbinden. Der Zylinderkopf 18 kann auch eine oder mehrere Auslassöffnungen definieren, die den Auslassdurchlassweg mit der Brennkammer 20 verbinden.
Eines oder mehrere Motorventile 24 können betriebsmässig mit dem Zylinderkopf 18 in Eingriff sein. Jedes Ventil 24 kann einen Ventilschaft 26 und ein Ventilelement 25 aufweisen. Jedes Ventilelement 25 ist in entweder einer Einlassöffnung oder einer Auslassöffnung angeordnet und kann bewegt werden zwischen einer ersten Position, wo Strömungsmittel davon abgehalten wird, relativ zu der jeweiligen Öffnung zu fließen, und einer zweiten Position, wo Strömungsmittel relativ zu der jeweiligen Öffnung fließen darf.
Ein Motorventil 24 kann in jeder der Einlassöffnungen oder der Auslassöffnungen angeordnet sein, die in dem Zylinderkopf 18 definiert sind. Beispielsweise kann in einem Motor 10 mit einem Paar von Einlassöffnungen und einem Paar von Auslassöffnungen für jeden Zylinder 17 ein Paar von Motorventilen 24 in den Einlassöffnungen angeordnet sein, und ein Paar von Motorventilen 24 kann in den Auslassöffnungen angeordnet sein. Eine Brükke 28 kann jedes Paar von Motorventilen 24 verbinden. Die Brücke 28 gestattet, dass jedes Paar von Motorventilen 24 gleichzeitig betätigt wird.
Jedes Motorventil 24 kann eine Ventilrückstellfeder 30 aufweisen. Die Ventilrückstellfeder 30 kann zwischen dem Zylinderkopf 18 und der Brücke 28 angeordnet sein. Alternativ kann die Feder 30 zwischen dem Zylinderkopf 18 und einem weiteren Teil des Motorventils 24 angeordnet sein, wie beispielsweise dem Ventilschaft 26. Jede Rückstellfeder 30 wirkt dahingehend, dass sie die Motorventile 24 zu der ersten Position zurückbringt, wo der Fluss des Strömungsmittels relativ zu der jeweiligen Öffnung blockiert ist.
Der Motor 10 kann ein Ventilbetätigungssystem 32 aufweisen, welches die Motorventile 24 betätigt. Das Ventilbetätigungssystem 32 kann ein herkömmliches nockengetriebenes System sein, welches einen nockengetriebenen Kipphebel 34 aufweist. Die Drehung der (nicht gezeigten) Nocke bewirkt, dass der Kipphebel 34 schwenkt und dadurch die Motorventile 24 zu der zweiten Position bewegt, um einen Fluss des Strömungsmittels relativ zu der jeweiligen Öffnung zu gestatten. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass das Ventilbetätigungssystem eine andere Art eines Systems sein kann, wie beispielsweise ein hydraulisch angetriebenes System oder ein elektrisch angetriebenes System.
Das Ventilbetätigungssystem 32 kann angepasst sein, um das Öffnen der Motorventile 24 mit der Bewegung des Kolbens 14 zu koordinieren. Beispielsweise kann das Ventilbetätigungssystem 32 die Auslassventile öffnen, wenn der Kolben 14 sich über einen Auslasshub bewegt. In dieser Weise können die Abgase, die während der Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer 20 erzeugt werden, aus der Brennkammer 20 durch den Auslassdurchlassweg ausgestoßen werden.
Der Motor 10 kann auch ein Brennstoffeinspritzsystem 36 aufweisen. Das Brennstoffeinspritzsystem 36 kann eine Nocke 40 mit einem Nockenansatz 42 aufweisen. Eine Nockenfolgevorrichtung 46 kann mit einer Außenfläche 44 des Nockenansatzes 42 in Eingriff sein. Die Nockenfolgevorrichtung 46 kann mit einem Kipphebel 38 verbunden sein, der betriebsmässig mit einer (nicht gezeigten) Brennstoffeinspritzvorrichtung in Eingriff gebracht ist.
Die Drehung der Nocke 40 und des Nockenansatzes 42 bewirkt, dass die Nockenfolgevorrichtung 46 sich basierend auf der Form der Außenfläche 44 hin und her bewegt. Die Bewegung der Nockenfolgevorrichtung 46 bewirkt, dass der Kipphebel 38 schwenkt, um dadurch die Brennstoffeinspritzvorrichtung zu aktivieren, um eine gewisse Brennstoffmenge zu liefern, die beispielsweise Diesel, Benzin oder Erdgas sein kann, und zwar in die Brennkammer 20. Die Nocke 40 und der Nockenansatz 42 können geformt werden, um den Kipphebel 38 über eine Schwenkbewegung zu treiben, die bewirkt, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung eine gewisse Menge an Brennstoff in die Brennkammer an einem gewissen Punkt im Betriebszyklus des Motors 10 einspritzt. Beispielsweise kann das Brennstoffeinspritzsystem 36 eine Menge von Dieselbrennstoff in die Brennkammer 20 einspritzen, wenn der Kolben 14 sich von einer unteren Totpunktposition zu einer oberen Totpunktposition während eines Kompressionshubes bewegt.
Ein System 12 zur selektiven Betätigung von Motorventilen 24 kann mit dem Motor 10 verbunden sein. Das System 12 kann einen ersten Kolben 48 aufweisen, der als "Master-Kolben" bzw. "Hauptkolben" bezeichnet werden kann, und einen zweiten Kolben 58, der als "Slave-Kolben" bzw. "Hilfskolben" bezeichnet werden kann. Der erste Kolben 48 ist in einem Gehäuse 50 angeordnet, um eine Hauptkammer 54 zu definieren, und der zweite Kolben 58 ist in dem Gehäuse 60 angeordnet, um eine Hilfskammer 64 zu definieren.
Eine erste Stange 49 ist mit dem ersten Kolben 48 verbunden, um den ersten Kolben 48 zu bewegen. Die erste Stange 49 kann benachbart zum Kipphebel 38 des Brennstoffeinspritzsystems 36 angeordnet sein. Eine Kolbenfeder 52 kann innerhalb der Kammer 50 angeordnet sein, um auf den ersten Kolben 48 zu wirken, um die erste Stange 49 weg von dem Kipphebel 38 vorzuspannen.
Eine zweite Stange 59 kann mit dem zweiten Kolben 58 verbunden sein, um sich mit dem zweiten Kolben 58 zu bewegen. Die zweite Stange 59 kann benachbart zum Kipphebel 34 des Ventilbetätigungssystems 32 angeordnet sein. Eine Kolbenfeder 62 kann zwischen dem Gehäuse 60 und dem Kolben 58 angeordnet sein, um die zweite Stange 59 weg von dem Kipphebel 34 vorzuspannen. Ein Ende 61 der zweiten Stange 59 kann von dem Kipphebel 34 des Ventilbetätigungssystems 32 um eine Distanz x getrennt sein, die als "Leergang" oder "Leergangsdistanz" bezeichnet wird.
Eine Strömungsmittelleitung 56 sieht eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Hauptkammer 54 und der Hilfskammer 64 vor. Die Einleitung von unter Druck gesetztem Strömungsmittel in die Hauptkammer 54 bewegt den ersten Kolben 48 zur Kompression der Kolbenfeder 52. Wenn die Kolbenfeder 52 zusammen bedrückt ist, fährt die erste Stange 49 zum Kipphebel 38 des Brennstoffeinspritzsystems 36 aus.
Wenn der Kipphebel 38 sich ansprechend auf die Drehung der Nocke 40 und des Nockenansatzes 42 bewegt, kommt der Kipphebel 38 mit der ersten Stange 49 in Eingriff, um den ersten Kolben 48 innerhalb des Gehäuses 50 zu bewegen. Die Bewegung des ersten Kolbens 48 innerhalb des Gehäuses 50 drückt Strömungsmittel aus der Hauptkammer 54 durch die Strömungsmittelleitung 56 zur Hilfskammer 64. Die Einleitung des Strömungsmittels in die Hilfskammer 64 bewirkt, dass der zweiten Kolben 58 sich innerhalb des Gehäuses 60 bewegt. Wenn der zweite Kolben 58 sich innerhalb des Gehäuses 50 bewegt, bewegt sich die zweite Stange 59 über die Distanz x und kommt mit dem Kipphebel 34 in Eingriff, um die Motorventile 24 zu der zweiten Position hin zu bewegen.
Ein Einstellmechanismus 65 kann betriebsmässig mit dem zweiten Kolben 58 oder dem Gehäuse 60 in Eingriff sein. Der Einstellmechanismus 65 kann irgend ein Mechanismus sein, der dem Fachmann leicht offensichtlich wird, der gestattet, dass die Position der zweiten Stange 59 relativ zum Kipphebel 34 verändert wird. In dieser Weise kann die Distanz x falls nötig gesteuert oder eingestellt werden. Der Einstellmechanismus 65 kann mechanisch gesteuert werden, wie beispielsweise durch eine Gewindeverbindung oder eine Vorrichtung mit Kugeln und Rastpunkten. Alternativ kann der Einstellmechanismus 65 automatisch ansprechend auf ein Signal gesteuert werden, wie beispielsweise durch eine elektronische oder hydraulische Vorrichtung.
Wie genauer unten beschrieben wird, veranschaulicht die Kurvendarstellung 90 der 2 den Effekt der Einstellung der Distanz x zwischen dem Ende 61 der zweiten Stange 59 und dem Kipphebel 34 (siehe 1) auf die Beziehung zwischen dem Motorkurbelwellenwinkel und dem Motorventilhub. Die Leitung 92 stellt den Hub des Motorventils 24 dar, wenn die Leergangsdistanz x ungefähr 0 ist. Die Linie 94 stellt den Hub des Motorventils 24 dar, wenn die Leergangsdistanz x ungefähr 1 mm ist (0,04 Inch).
Wie in 1 gezeigt, kann ein Strömungsmittelversorgungssystem 66 geeignet sein, um Strömungsmittel in die Strömungsmittelleitung 56 und zu den Haupt- und Hilfskammern 54 bzw. 64 zu liefern. Das Strömungsmittelversorgungssystem 66 weist eine Pumpe 70 auf, die Betriebsströmungsmittel zieht, welches beispielsweise Schmieröl von einem Tank 68 ist, und zwar durch eine Strömungsmittelleitung 76. Die Pumpe 70 vergrößert den Druck des Betriebsströmungsmittels und leitet das unter Druck gesetzte Strömungsmittel durch eine Strömungsmittelleitung 77 in die Gallerie 72. Die Gallerie 72 kann beispielsweise ein Schmiersystem sein, welches mit dem Motor 10 assoziiert ist.
Die Gallerie 72 ist mit dem System 12 durch Sträraungsmittelleitungen 78 und 82 verbunden. Ein Rückschlagventil 86 kann zwischen der Strömungsmittelleitung 82 und der Strömungsmittelleitung 56 angeordnet sein.
Das Rückschlagventil 86 ist geeignet, um einen Rückfluss des Strömungsmittels aus der Strömungsmittelleitung 56 zur Strömungsmittelleitung 82 zu verhindern.
Eine Strömungsmittelrückleitung 80 kann eine Strömungsmittelverbindung mit der Strömungsmittelleitung 56 und dem Tank 58 vorgesehen. Alternativ kann die Strömungsmittelrückleitung 80 die Strömungsmittelleitung 56 mit der Strömungsmittelleitung 76 auf oder nahe dem Einlass der Pumpe 70 verbinden. Die Strömungsmittelrückleitung 80 gestattet, dass Strömungsmittel aus dem System 12 austritt.
Ein Steuerventil 74 steuert den Fluss des Strömungsmittels zu dem System 12 hin und weg davon. Das Steuerventil 74 hat eine erste Position (wie in 1 veranschaulicht), wo Strömungsmittel aus der Gallerie 72 zur Strömungsmittelleitung 86 fließen kann, und wo die Strömungsmittelrückleitung 80 blockiert ist. Das Steuerventil 74 hat eine zweite Position, wo verhindert wird, dass Strömungsmittel aus der Gallerie 72 zur Strömungsmittelleitung 86 fließt, und wo Strömungsmittel aus dem System 12 durch die Strömungsmittelrückleitung 80 heraus fließen darf. Das Steuerventil 74 kann irgendeine Bauart eines Ventils oder eine Kombination von Ventilen sein, die gestattet, dass der Fluss des Strömungsmittels zu dem System 12 und von diesen weg in dieser Weise gesteuert wird.
Wie zuvor erwähnt kann der Motor 10 mehrere Zylinder 17 und mehrere Brennkammern 20 aufweisen. Ein ähnliches System 12 kann vorgesehen werden, um die Motorventile 24 zu betätigen, die mit jedem Zylinder 17 assoziiert sind. Die Strömungsmittelleitung 82 kann sich zu einer oder mehreren Strömungsmittelleitungen 84 verzweigen, um Strömungsmittel für jedes dieser Systeme 12 vorzusehen. Jede Strömungsmittelleitung 84 kann ein Rückschlagventil 88 aufweisen, um einen Rückfluss des Strömungsmittels durch das Steuerventil 74 zu verhindern. Eine Strömungsmittelrückleitung 85 kann einen Strömungsmittelpfad vorsehen, durch welchen Strömungsmittel zu einem Tank 68 von dem zusätzlichen System 12 zurückkehrt. Alle Syste me 12 für den Motor 10 können durch ein einziges Steuerventil 74 gesteuert werden. Alternativ kann eine Reihe von Steuerventilen 74 verwendet werden, um jedes System 12 im Motor 10 zu steuern.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Motor 10 kann betrieben werden, um Leistung für den Antrieb eines Fahrzeugs zu liefern, wie beispielsweise zum Antrieb eines Automobils, eines Straßenlastwagens oder eines Geländelastwagens. Der Motor 10 kann eine Reihe von Zylindern 17 und Kolben 14 aufweisen, die in einem herkömmlichen Vier-Takt-Diesel-Zyklus betrieben werden. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird der Betrieb eines einzigen Zylinders 17 des Motors 10 beschrieben.
Während eines herkömmlichen Betriebszyklus des Motors 10 bewegt sich der Kolben 14 von einer oberen Totpunktposition zu einer unteren Totpunktposition in einem Einlasshub. Wenn der Kolben 14 sich über den Einlasshub bewegt, öffnet das Motorventilbetätigungssystem 32 die Einlassventile, die mit der Brennkammer 20 assoziiert sind. Die Öffnung der Einlassventile gestattet, dass Einlassluft in die Brennkammer 20 fließt. Die Einlassluft kann auf einem Umgebungsdruck sein oder kann Einlassluft sein, die unter Druck gesetzt worden ist, wie beispielsweise durch einen Turbolader.
Der Kolben 14 bewegt sich dann von der unteren Totpunktposition zu der oberen Totpunktposition eines Verbrennungshubes. Das Brennstoffeinspritzssystem 32 kann eine Brennstoffmenge in die Brennkammer 20 einspritzen. Der Brennstoff vermischt sich mit der Einlassluft, um eine brennbare Mischung zu bilden. Die Bewegung des Kolbens 14 zu der oberen Totpunktposition innerhalb der Brennkammer komprimiert die Mischung aus Luft und Brennstoff. Der Motor 10 kann so angepasst sein, dass der Kolben 14 die Mischung aus Luft und Brennstoff komprimiert, um den kritischen Druck oder Verbrennungsdruck zu erreichen, wenn der Kolben 14 auf oder nahe der oberen Totpunktposition des Kompressionshubes ist.
Wenn die Mischung aus Brennstoff und Luft den Zündungsdruck erreicht, zündet der Brennstoff und die Mischung wird verbrannt. Die Verbrennung der Mischung aus Brennstoff und Luft treibt den Kolben 14 zu der unteren Totpunktposition in einem Verbrennungshub. Die Antriebsleistung der Brennstoffverbrennung wird in eine ausgegebene Drehung der (nicht gezeigten) Kurbelwelle übertragen, die verwendet wird, um das Fahrzeug anzutreiben.
Der Kolben 14 kehrt dann von der unteren Totpunktposition zu der oberen Totpunktposition in einem Auslasshub zurück. Während des Auslasshubes bewegt das Motorventilbetätigungssystem die Auslassventile 24 zu der zweiten Position, um einen Strömungsmitteldurchlassweg von der Brennkammer 20 zum Auslassdurchlassweg bzw. Abgasdurchlassweg zu erzeugen. Die Bewegung des Kolbens 14 zu der oberen Totpunktposition drückt das Verbrennungsabgas aus der Brennkammer 20 in den Abgasdurchlassweg 22. Der Betriebszyklus des Kolbens 14 kann dann wiederum mit einem weiteren Einlasshub beginnen.
Das System 12 kann verwendet werden, um selektiv eine Veränderung der herkömmlichen Ventilzeitsteuerung der Einlass- oder Auslassventile einzurichten. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird die Einrichtung eines "Motorbremszyklus" beschrieben. Der Fachmann wird erkennen, dass das System 12 verwendet werden kann, um selektiv andere Veränderungen an der herkömmlichen Ventilzeitsteuerung einzurichten, wie beispielsweise für einen Miller-Zyklus.
Während ausgewählter Motor- oder Fahrzeugbetriebszustände, wie beispielsweise wenn ein Fahrzeugbediener eine Anweisung dahingehend abgibt, dass das Fahrzeug zu verlangsamen ist, kann der Motor in einem "Motorbremsbetriebszustand" arbeiten. Um dem " Motorbremsbetriebszustand " einzuleiten, wird das Steuerventil 74 erregt, um das Steuerventil 74 in die erste Position zu bewegen, (wie in 1 veranschaulicht). Wenn das Steuerventil 74 in der ersten Position ist, fließt Strömungsmittel von der Gal lerie 72 in das System durch die Strömungsmittelleitung 56.
Die Einleitung von Strömungsmittel in das System 12 aktiviert den " Motorbremsbetriebszustand ". Das Strömungsmittel bewirkt, dass der erste Kolben 48 sich innerhalb des Gehäuses 50 bewegt, um die Kolbenfeder 52 zusammenzudrücken. Die erste Stange 49 erstreckt sich in einer Position benachbart zum Kipphebel 38 des Brennstoffeinspritzsystems 36.
Die Nocke 40 und der Nockenansatz 42 des Brennstoffeinspritzsystems 36 drehen sich, um die Nockenfolgevorrichtung 46 zu bewegen und zu bewirken, dass der Kipphebel 38 schwenkt. Der Kipphebel 38 kommt mit der ersten Stange 49 in Eingriff, um den ersten Kolben 48 innerhalb des Gehäuses 50 zu bewegen. Die Bewegung des ersten Kolbens 48 drückt Strömungsmittel aus der Hauptkammer 54 und durch die Strömungsmittelleitung 56. Das Rückschlagventil 86 verhindert, dass Strömungsmittel aus der Strömungsmittelleitung 56 entweicht. In dieser Weise wird eine hydraulische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kolben 48 und 58 gebildet. Durch die hydraulische Verbindung bewirkt irgendeine Bewegung des ersten Kolbens 48 eine entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens 58: Wenn sich somit der erste Kolben 48 ansprechend auf die Form der Nocke 40 und des Nokkenansatzes 42 bewegt, bewegt der zweiten Kolben 58 sich zu der Motorventilanordnung 32. Das Ende 61 der zweiten Stange 59 bewegt sich über die Distanz x, bis das Ende 61 mit dem Kipphebel 34 in Eingriff kommt. Eine fortgesetzte Bewegung der ersten und zweiten Kolben 48 und 58 bewirkt, dass die zweite Stange 59 den Kipphebel 34 bewegt, und dadurch die Ventilelemente 25 zu der zweiten Position hin bewegt, um den Fluss von Strömungsmittel aus der Brennkammer 20 zu gestatten.
Wenn die Nocke 40 und der Nockenansatz 42 sich weiter drehen, wird der Kipphebel 38 des Brennstoffeinspritzsystems 36 nach hinten in seine Anfangsposition kippen dürfen. Die Kraft der Ventilrückstellfedern 30 wirkt durch den Kipphebel 34 und die zweite Stange 59 dahingehend, dass der zweite Kolben 58 bewegt wird, und Strömungsmittel aus der Hilfskammer 64 gedrückt wird. Die hydraulische Verbindung zwischen dem zweiten Kolben 58 und dem ersten Kolben 48 bewirkt, dass der erste Kolben 48 sich bewegt, so dass die erste Stange 49 in Kontakt oder in enger Nähe der zu dem Kipphebel 38 des Brennstoffeinspritzsystems 36 bleibt. Die Kolbenfeder 62 kann eine größere Kraft auf den zweiten Kolben 58 ausüben, als die Kolbenfeder 52 auf den ersten Kolben 48 ausübt. Entsprechend wird der zweiten Kolben 58 zu seiner Anfangsposition zurückkehren, wo das Ende 61 der zweiten Stange 59 von der Ventilbetätigungsanordnung 32 um die Distanz x beabstandet ist.
Die Form der Nocke 40 und des Nockenansatzes 42 ist angepasst, um eine Bewegung des zweiten Kolbens 58 bei einem vorgeschobenen Zeitpunkt einzuleiten. Insbesondere sind die Nocke 40 und der Nockenansatz 42 so geformt, dass die Distanz x berücksichtigt wird, die das Ende 61 der Stange 59 von der Ventilanordnung 32 trennt. Anders gesagt sind die Nocke 40 und der Nockenansatz 42 so geformt, dass sie eine Bewegung des zweiten Kolbens 58 vor der optimalen Öffnungszeit des Motorventils 24 einleiten. Insbesondere ist die angepasste Form der Nocke 40 und des Nockenansatzes 42 ausgewählt, um die Bewegung des zweiten Kolbens 58 bei einem vorgezogenen Zeitpunkt einzuleiten, der ausreicht, um den übermäßigen Leergang x aufzunehmen (beispielsweise 1 mm (0,04 Inch)), was eine erwünschte Bewegungszeitsteuerung des Motorventils 24 zur Folge hat.
Beispielsweise veranschaulicht mit Bezug auf 2 die Linie 92 die Beziehung zwischen dem Motorkurbelwellenwinkel und der Ventilhubhöhe für eine Leergangsdistanz x von ungefähr 0 mm. Wie gezeigt, wird das Motorventil 24 beginnen, sich ungefähr bei 60° zu bewegen oder anzuheben, bevor der Kolben 14 die oberen Totpunktposition 100 am Ende eines Kompressionshubes erreicht. Das Motorventil 24 wird sich weiter anheben, wenn der Kolben 14 sich zu einer unteren Totpunktposition 12 am Ende des Verbrennungshubes bewegt. Das Motorventil 24 wird sich zu der ersten Position hin bewegen, bis die Ventilbetätigungsanordnung 32 mit dem Kipphebel 34 in Eingriff kommt, um das Motorventil 24 in einer herkömmlichen Auslassöff nung 96 zu betätigen. Die Ventilbetätigungsanordnung 32 wird gestatten, dass das Motorventil 24 in die erste Position zurückkehrt, wenn der Kolben 14 auf oder nahe der oberen Totpunktposition 104 am Ende des Auslasshubes ist.
Die Linie 94 der 2 veranschaulicht den Effekt der Vergrößerung der Leergangsdistanz x auf ungefähr 1 mm (0,04 Inch). Mit der vergrößerten Leergangsdistanz x wird das Motorventil 24 später beginnen, sich anzuheben, ungefähr 15° bevor der Kolben 14 sich der oberen Totpunktposition 100 am Ende des Kompressionshubes nähert. Zusätzlich wird die vergrößerte Leergangsdistanz x eine niedrigere maximale Hubdistanz des Motorventils 24 zur Folge haben. Die oben beschriebene angepasste Form der Nocke 40 und des Nockenansatzes 42 kann so ausgewählt werden, dass sie die vergrößerte Hubdistanz durch die Positionierung bzw. Vorpositionierung des zweiten Kolbens 58 kompensiert, und kann die Zeitsteuerung des Motorventils 24 vorstellen, wenn die für dies optimale Bremsleistung erwünscht ist.
Der Einstellmechanismus 65 gestattet, dass die Leergangsdistanz x variiert wird, um die Zeitsteuerung der Betätigung des Motorventils 24 zu optimieren. Der größte Vorteil aus einem Motorbremszyklus kann erhalten werden, wenn die Auslassventile 24 geöffnet werden, um zu gestatten, dass die größte Menge an Energie in Form von komprimierter Luft aus der Brennkammer 20 entweicht. Dies kann erreicht werden durch Öffnung der Auslassventile 24, bevor der Kolben 14 die obere Totpunktposition 100 am Ende des Kompressionshubes erreicht. Die fortgesetzte Öffnung der Auslassventile 24 wird gestatten, dass eine maximale Menge von komprimierter Luft aus der Brennkammer 20 entweicht, bevor der Kolben 14 beginnt, sich zu der unteren Totpunktposition des Verbrennungshubes zu bewegen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Ventilbetätigungszeitsteuerung, die den größten Vorteil aus der Motorabbremsung bietet, durch einen Test des Motors 10 bei verschiedenen Betriebszuständen bestimmt werden kann.
Die Leergangsdistanz x muss auch groß genug sein, so dass das Ende 61 der zweiten Stange 59 nicht mit dem normalen Betrieb der Ventilbetätigungsanordnung 32 in Gegenwirkung tritt. Wie der Fachmann erkennen wird, können die Motorkomponenten sich ansprechend auf die Wärme ausdehnen, die von dem Motor 10 erzeugt wird. Entsprechend muss die Leergangsdistanz x groß genug sein, wenn der Motor kalt ist, um eine Gegenwirkung mit dem Ventilbetätigungsanordnung 32 zu vermeiden, wenn die Komponenten sich ausdehnen, wenn sich der Motor 10 erwärmt.
Zusätzlich sollte die Leergangsdistanz x so eingestellt sein, dass sie den maximalen Hub der Motorventile 24 begrenzt. Wenn die Motorventile 24 zu weit angehoben werden, können die Ventilelemente 25 mit dem Kolben 14 in Eingriff kommen, wenn der Kolben 14 sich der oberen Totpunktposition am Ende des Kompressionshubes nähert. Irgendein solcher Kontakt kann die Ventilelemente 25 schädigen und Abstriche von der Motorleistung bei den üblichen Betriebszuständen verursachen.
Wie vollständig oben beschrieben wird, hat die Kombination der Bestimmung und Einrichtung einer geeigneten Leergangsdistanz x für einen speziellen Motor 10 und die Formgebung der Nocke 40 und des Nockenansatzes 42 dahingehend, dass diese den übermäßigen Leergang aufnimmt, wenn die Motorbremse aktiviert wird, eine verbesserte Bremsleistung ohne die Notwendigkeit eines getrennten Leergangsentfernungsmechanismus zur Folge.
Um den "Motorbremsbetriebszustand" zu beenden, wenn die Betriebszustände des Motors 10 sich verändern, wird das Steuerventil 74 entregt, und kann zu der zweiten Position zurückkehren. In der zweiten Position darf Strömungsmittel vom System 12 durch die Strömungsmittelrückleitung 80 fließen, wodurch die hydraulische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kolben 48 und 58 unterbrochen wird. Die Kraft der Kolbenfedern 52 und 62 wirkt auf die ersten und zweiten Kolben 48 und 58, um Strömungsmittel aus dem System 12 zu drücken, um zum Tank 68 zurückzukehren. Die Kolbenfedern 52 und 62 wirken auf die ersten und zweiten Kolben 48 und 58, um die ersten und zweiten Stangen 49 und 59 weg von dem Kipphebel 34 und 38 zu bewegen. In dieser Position werden die ersten und zweiten Stangen 49 und 59 weder mit dem Kipphebel 34 noch 38 während des üblichen Betriebs des Motors 10 in Gegenwirkung treten.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich wird, sieht die vorliegende Offenbarung ein System zur Betätigung eines Motorventils vor, welches die Notwendigkeit eines Leergangsentfernungsmechanismus vermeidet. Das System leitet die Bewegung eines Hilfskolbens zu einem vorgezogenen Zeitpunkt ein, um eine Leergangsdistanz zu berücksichtigen, die die Hilfskolbenstange von einer Ventilbetätigungsanordnung trennt. Die Leergangsdistanz kann eingestellt werden, um den Ventilbetätigungszeitpunkt für einen speziellen Motorbetriebszustand zu optimieren. Das System der vorliegenden Offenbarung wird daher eine verbesserte Steuerung über ein Hilfsventilbetätigungssystem vorsehen, welches eine Veränderung der herkömmlichen Ventilbetätigungszeitsteuerung einrichtet bzw. ermöglicht.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem System der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele des Systems werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung und bei der praktischen Ausführung der hier offenbarten Ventilbetätigungsvorrichtung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

System zur Betätigung eines Ventilelementes in einer Motorventilanordnung eines Verbrennungsmotors, welches Folgendes aufweist: einen ersten Kolben, der eine erste Kolbenstange aufweist und in einer ersten Kammer angeordnet ist; einen zweiten Kolben, der eine zweite Stange aufweist, wobei ein Ende von der Motorventilanordnung um eine vorbestimmte Distanz getrennt ist, wobei der zweite Kolben in einer zweiten Kammer angeordnet ist, die in Strömungsmittelverbindung mit der ersten Kammer verbunden ist, so dass die Bewegung des ersten Kolbens eine entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens bewirkt; und eine Nocke mit einem Nockenansatz, die betriebsmässig mit der ersten Stange in Eingriff ist, so dass die Drehung der Nocke und des Nockenansatzes den ersten Kolben bewegt, um dadurch den zweiten Kolben zu bewegen, wobei der Nockenansatz eine Form hat, die geeignet ist, um zu bewirken, dass die zweite Stange sich über die vorbestimmte Distanz bewegt, und mit der Motorventilanordnung in Eingriff kommt, um das Ventilelement bei einem vorbestimmten Punkt im Betriebszyklus des Verbrennungsmotors zu bewegen.
System nach Anspruch 1, welches weiter eine erste Kolbenfeder aufweist, die betriebsmässig mit dem ersten Kolben in Eingriff ist, um die erste Stange weg von der Nocke und dem Nockenansatz vorzuspannen, und eine zweite Kolbenfeder, die betriebsmässig mit dem zweiten Kolben in Eingriff ist, um das Ende der zweite Stange weg von der Motorventilanordnung vorzuspannen.
System nach Anspruch 1 oder 2, welches weiter eine Strömungsmittelleitung aufweist, die die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet, und ein Strömungsmittelversorgungssystem mit einer Pumpe, welches geeignet ist, um Strömungsmittel zu der Strömungsmittelleitung zu liefern, und ein Steuerventil, welches geeignet ist, um den Fluss des Strömungsmittels von der Pumpe zur Strömungsmittelleitung zu steuern.
System nach Anspruch 3, welches weiter eine Strömungsmittelrückleitung aufweist, die einen Strömungsmitteldurchlassweg zwischen der Strömungsmittelleitung und einem Tank aufweist, und wobei das Steuerventil einen Fluss des Strömungsmittels durch die Strömungsmittelrückleitung steuert.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches weiter einen Einstellmechanismus aufweist, der betriebsmässig mit dem zweiten Kolben in Eingriff ist, um die vorbestimmte Distanz zwischen dem Ende der zweiten Stange und der Motorventilanordnung einzustellen.
Verbrennungsmotor, der ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, und der weiter Folgendes aufweist: einen Motorblock, der einen Zylinder definiert; und einen Motorkolben, der verschiebbar in dem Zylinder angeordnet ist; wobei die Motorventilanordnung einen Kipphebel und ein Paar von Motorventilen aufweist, die durch eine Brücke verbunden sind, wobei jedes der Motorventile ein Ventilelement aufweist, welches bewegbar ist zwischen einer ersten Position, wo Strömungsmittel davon abgehalten wird, relativ zu dem Zylinder zu fließen, und einer zweiten Position, wo Strömungsmittel relativ zum Zylinder fließen darf, und wobei das Ende der zweiten Stange geeignet ist, um mit dem Kipphebel in Eingriff zu kommen.
Motor nach Anspruch 6, wobei die Ventilelemente aus der ersten Position bewegt werden, wenn der Motorkolben auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes ist.
Verfahren zur Betätigung eines Ventilelementes in einer Motorventilanordnung eines Verbrennungsmotors, welches Folgendes aufweist: Positionierung eines Endes einer Hilfsstange (Slave Stange), die mit einem Hilfskolben (Slave-Kolben) verbunden ist, und zwar um eine vorbestimmte Distanz von einer Motorventilanordnung; Lieferung von Strömungsmittel zu einer Strömungsmittelleitung, die einen Hauptkolben (Master-Kolben) mit einer Hauptstange mit dem Hilfskolben verbindet; und Drehung einer Nocke mit einem Nockenansatz, die betriebsmässig mit der Hauptstange verbunden ist, um dadurch den Hauptkolben zu bewegen und eine entsprechende Bewegung des Hilfskolbens und der Hilfsstange zu verursachen, wobei der Nockenansatz eine Form hat, die geeignet ist, um die Hilfsstange über die vorbestimmte Distanz zu bewegen, und um mit der Motorventilanordnung in Eingriff zu kommen, um das Ventilelement an einem vorbestimmten Punkt in dem Betriebszyklus des Verbrennungsmotors zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter Folgendes aufweist: Einstellung der vorbestimmten Distanz zwischen dem Ende der Hilfsstange und der Motorventilanordnung; und Zulassen, dass Strömungsmittel aus der Strömungsmittelleitung entweicht, wenn der Motor einen ersten Satz von Betriebszuständen erfährt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Ventilelement bewegt wird, wenn ein Kolben, der in einer Brennkammer angeordnet ist, die mit der Motorventilanordnung assoziiert ist, auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Kompressionshubes ist.