DE112014000940B4

DE112014000940B4 - Nockenfolger für eine Ventilstößelanordnung in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112014000940B4
Application number: DE112014000940.7T
Authority: DE
Inventors: Niclas Gunnarsson
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2034-02-22
Also published as: WO2014142731A3; SE1350285A1; SE537693C2; WO2014142731A2; DE112014000940T5

Abstract

Nockenfolger für eine Ventilstößelanordnung in einem Verbrennungsmotor, wobei der Nockenfolger (4) Folgendes umfasst: – eine primäre Vorrichtung (8), die um eine Neigungsachse (7) herum bewegbar angeordnet ist und ein primäres Kontaktelement (5), das eine Steuerbewegung von einer primären Führungsfläche (2) an einer Nockenwelle (1) empfängt, und ein Kontaktelement (9), das angepasst ist, um Steuerbewegungen von der primären Vorrichtung (8) zum Anheben von mindestens einem Ventil auszugeben, umfasst, – eine sekundäre Vorrichtung (10), die um die Neigungsachse (7) herum bewegbar angeordnet ist und ein sekundäres Kontaktelement (6) umfasst, das Steuerbewegungen von einer sekundären Führungsfläche (3) an der Nockenwelle (1) empfängt und – eine Verriegelungskomponente (13), die an der sekundären Vorrichtung (10) angebracht ist und die eine Kontaktfläche (13c1) umfasst, die angepasst ist, um in ein Ineinandergreifen mit einer Kontaktfläche (8a1) an der zweiten der Vorrichtungen (8) bewegt zu werden, wobei die Verriegelungskomponente (13) in einer entriegelten Position, in der Steuerbewegungen von der sekundären Vorrichtung (10) nicht über die Kontaktflächen (8a1, 13c1) an die primäre Vorrichtung (8) übertragbar sind, in einer teilweise verriegelten Position und in einer vollständig verriegelten Position, in der Steuerbewegungen von der sekundären Vorrichtung (10) über die Kontaktflächen (8a1, 13c1) an die primäre Vorrichtung (8) übertragbar sind, anwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (8a1, 13c1) eine sich ergänzende Form aufweisen, dass sie in der teilweise verriegelten Position nicht vollständig miteinander in Kontakt stehen und dass sie in der vollständig verriegelten Position vollständig miteinander in Kontakt stehen und dass sie in der teilweise verriegelten Position bezogen aufeinander einen Gradienten aufweisen, so dass, wenn eine Steuerbewegung von der sekundären Vorrichtung (10) auf ...

Description

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenfolger für eine Ventilstößelanordnung in einem Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein Nockenfolger erfährt eine Hebebewegung, wenn er mit einem Nockenkamm an einer Nockenwelle in Kontakt kommt. Die Hebebewegung wird über geeignete bewegungsübertragende Komponenten in eine Hebebewegung von wenigstens einem Ventil übertragen, das ein Einlassventil oder ein Auslassventil in einem Verbrennungsmotor sein kann. Die Nockenwelle kann eine tiefliegende Nockenwelle oder eine obenliegende Nockenwelle sein. Die Öffnungs- und Schließbewegungen von konventionellen Einlassventilen und Auslassventilen werden durchgeführt, wenn sich die Kolbenstange in den entsprechenden Zylindern des Verbrennungsmotors in feststehenden, vorgegebenen Positionen befinden. Die feststehenden Positionen zum Öffnen und Schließen der Ventile stellen einen Kompromiss dar, der hinsichtlich eines ordnungsgemäßen Betriebs des Verbrennungsmotors unabhängig von der Last und Motordrehzahl ausgewählt wird. Die Einlassventile und die Auslassventile öffnen und schließen sich während aller Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors somit nicht immer zu vollständig optimalen Zeiten.
VVA (Variable Ventilsteuerung) stellt einen Oberbegriff für verschiedene Technologien dar, die es ermöglichen, die Öffnungs- und Schließbewegungen der Ventile in einem Verbrennungsmotor zu variieren. Dies kann die Verwendung eines Nockenfolgers erforderlich machen, der aus einem gewöhnlichen Ventilstößel, der eine Steuerbewegung von einem primären Nocken an ein Ventil überträgt, und einem alternativen Ventilstößel, der eine Steuerbewegung von einem sekundären Nockenkamm an den gewöhnlichen Ventilstößel und das Ventil überträgt, besteht. Damit die Steuerbewegung des alternativen Ventilstößels an den gewöhnlichen Ventilstößel übertragen wird, müssen die Ventilstößel miteinander verrastet sein. Dies kann mit Hilfe einer Verriegelungsvorrichtung erfolgen, die einen hydraulisch gesteuerten Verriegelungsstift umfasst.
Überträgt der alternative Ventilstößel eine Steuerbewegung vom sekundären Nockenkamm an den gewöhnlichen Ventilstößel, wird der Verriegelungsstift einer Kraftbelastung ausgesetzt. Hat sich der Verriegelungsstift noch nicht vollständig von einer entriegelten Position in eine vollständig verriegelte Position verschoben, wenn diese Kraftbelastung beginnt, besteht ein Risiko, dass der Verriegelungsstift in einer teilweise verriegelten Position hängen bleiben kann. In einer teilweise verriegelten Position kann nur ein kleinerer Abschnitt des Verriegelungsstifts verwendet werden, um Steuerbewegungen vom alternativen Ventilstößel an den gewöhnlichen Ventilstößel zu übertragen. Somit besteht das Risiko, dass der Verriegelungsstift verformt wird oder seine Funktion auf eine andere Weise verliert, was zu einer Beschädigung des Verbrennungsmotors führen kann.
Um diese Art der Beschädigung zu verhindern, kann der Verriegelungsstift so dimensioniert sein, dass er eine bestimmte Anzahl an unvorteilhaften Aktivierungen oder Deaktivierungen bewältigt, ohne seine Funktion zu verlieren. Alternativ wird die Steuerung der Aktivierung und Deaktivierung der Verriegelung im Hinblick auf den Nockenwellenwinkel jeweils zwischen einigen wenigen Zylindern im Verbrennungsmotor aufgeteilt. Diese Vorgehensweise der Problemlösung bedeutet, dass die Komponenten entweder überdimensioniert werden müssen oder zusätzliche und kostenintensivere Komponenten eingeführt werden müssen.
Das Dokument US 2007/0 039 573 A1 offenbart einen Nockenfolger für eine Ventilstößelanordnung in einem Verbrennungsmotor, wobei der Nockenfolger folgendes umfasst: eine primäre Vorrichtung, die um eine Neigungsachse herum bewegbar angeordnet ist und ein primäres Kontaktelement, das eine Steuerbewegung von einer primären Führungsfläche an einer Nockenwelle empfängt, und ein Kontaktelement, das angepasst ist, um Steuerbewegungen von der primären Vorrichtung zum Anheben von mindestens einem Ventil auszugeben, umfasst, sowie eine Verriegelungskomponente, die an einer der Vorrichtung angebracht ist und die eine Kontaktfläche umfasst, die angepasst ist, um in ein Ineinandergreifen mit einer Kontaktfläche des primären Kontaktelements bewegt zu werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Nockenfolger bereitzustellen, der eine primäre Vorrichtung und eine sekundäre Vorrichtung umfasst, die mit Hilfe einer Verriegelungskomponente, die eine Struktur aufweist, bei der kein Risiko besteht, in einer teilweise verriegelten Position hängen zu bleiben, verbunden sein können.
Diese Aufgabe wird mit einer Ventilstößelanordnung des zu Beginn spezifizierten Typs erzielt, die durch die Merkmale gekennzeichnet ist, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 spezifiziert werden.
Lediglich die primäre Vorrichtung des Nockenfolgers umfasst ein Kontaktelement zum Übertragen von Steuerbewegungen an das Ventil. Damit Steuerbewegung von der sekundären Führungsfläche an das Ventil übertragbar sind, muss die sekundäre Vorrichtung mit der primären Vorrichtung miteinander verrastet sein. Bei Ereignissen, bei denen die sekundäre Führungsfläche den Ventilstößel steuern sollte, werden die Verriegelungskomponenten daher von einer unverriegelten in eine verriegelte Position verschoben. Kommen die Kontaktelemente der sekundären Vorrichtung mit einem Nockenkamm an der sekundären Führungsfläche der Nockenwelle in Kontakt, werden die Kontaktflächen zusammengepresst. Bei Ereignissen, bei denen die Verriegelungskomponente eine vollständig verriegelte Position erreicht hat, stehen die Kontaktflächen bereits vollständig in Kontakt miteinander.
Befinden sich die Verriegelungskomponenten in der vollständig verriegelten Position, können alle Kontaktflächen verwendet werden, um Steuerbewegungen von der sekundären Vorrichtung an die primäre Vorrichtung zu übertragen. Bei Ereignissen, bei denen die Verriegelungskomponente nur eine teilweise verriegelte Position erreicht hat, erfahren die Kontaktflächen einen unvollständigen Kontakt zueinander, wenn die Steuerbewegung von der sekundären Vorrichtung an die primäre Vorrichtung übertragen werden soll.
Die Steuerbewegung von der sekundären Vorrichtung presst die Kontaktflächen zusammen, so dass sie bezogen auf einander verschoben werden, bis sie vollständigen Kontakt zueinander erfahren. Die Steuerbewegung verschiebt somit die Verriegelungskomponente von der teilweise verriegelten Position in die vollständig verriegelte Position. Mit einer solchen Konstruktionsweise der Kontaktflächen erfährt die Verriegelungskomponente immer eine Verschiebungsbewegung von der entriegelten Position in die vollständig verriegelte Position. Das Risiko, dass die Kontaktflächen, die die Steuerbewegung von der sekundären Vorrichtung an die primäre Vorrichtung übertragen, verformt werden, wird somit im Wesentlichen beseitigt.
Bei Ereignissen, bei denen die primäre Führungsfläche den Ventilhub wieder steuern muss, wird die Verriegelungskomponente aus der vollständig verriegelten Position in eine Richtung hin zur entriegelten Position zurück verschoben. Bei Ereignissen, bei denen die Verriegelungskomponente die verriegelte Position nicht erreicht hat, wenn die sekundäre Vorrichtung von der sekundären Führungsfläche an der Nockenwelle angehoben wird, wird eine Steuerbewegung erhalten, die die Kontaktflächen gegeneinander drückt. Die Kontaktflächen werden bezogen aufeinander verschoben, bis sie vollständigen Kontakt erfahren. Bei Ereignissen, bei denen die Verriegelungskomponente die entriegelte Position nicht erreicht hat, ehe die sekundäre Vorrichtung einen Nockenkamm an der sekundären Führungsfläche erreicht, wird die Verriegelungskomponente somit zurück in die vollständig verriegelte Position bewegt. Wurde der Nockenkamm an der sekundären Führungsfläche passiert, wird die Verriegelungskomponente die vollständige Strecke zur entriegelten Position bewegt. Sowohl bei Aktivierung als auch bei Deaktivierung der Verriegelungskomponente wird diese bei Ereignissen, bei denen die Bewegung der Verriegelungskomponente hin zur vollständig verriegelten Position und zur entriegelten Position nicht rechtzeitig vollzogen werden kann, somit automatisch in die vollständig verriegelte Position bewegt. Die Verriegelungskomponente gemäß der Erfindung kann somit nicht in einer teilweise verriegelten Position hängen bleiben. Das Risiko der Beschädigung der Kontaktflächen, wenn sie vollständig in Kontakt zueinander stehen, wird somit im Wesentlichen beseitigt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen die Kontaktflächen aus ebenen Oberflächen. Zwei ebene Kontaktflächen weisen eine sich ergänzende Form auf. Ist die Verriegelungskomponente nicht in der Lage, die vollständig verriegelte Position rechtzeitig zu erreichen, bilden diese ebenen Kontaktflächen einen Winkel zueinander. Die von der Steuerbewegung erzeugte Druckkraft presst jedoch die Kontaktflächen zusammen, bis die Kontaktfläche der Verriegelungskomponente zur Kontaktfläche der Vorrichtung parallel ist. In diesem Fall muss die Verriegelungskomponente eine Beweglichkeit aufweisen, so dass der Winkel der Kontaktfläche bezogen auf die Kontaktfläche der Vorrichtung regulierbar ist. Alternativ können die Kontaktflächen andere Arten sich ergänzender Formen aufweisen. Eine der Kontaktflächen kann eine unrunde, konkave Form aufweisen, und die andere Kontaktfläche kann eine entsprechende konvexe Form aufweisen, so dass die Kontaktflächen nur dann vollständigen Kontakt zueinander erfahren, wenn sie in einer wechselseitig aneinander anliegenden Position zueinander sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Verriegelungskomponente eine drehbare Welle. Eine solche Verriegelungskomponente stellt eine Drehbewegung bereit, und die Kontaktfläche kann somit bezogen auf die Kontaktfläche der Vorrichtung einen regulierbaren Winkel erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Nockenfolger eine Kolbenstange, die hydraulisch aktiviert werden kann, die angepasst ist, um die Verriegelungskomponente von der entriegelten Position in die vollständig verriegelte Position zu verschieben. Durch Hinzufügen von Hydrauliköl mit einem geeigneten Druck auf einer Seite der Kolbenstange kann diese dazu gebracht werden, die Verriegelungskomponente von der entriegelten Position in die vollständig verriegelte Position zu verschieben. In solchen Fällen, in denen die Kolbenstange nicht fähig ist, die Verriegelungskomponente in die vollständig verriegelte Position zu verschieben, unterstützen die Kontaktflächen das Erzielen eines verbleibenden Anteils der Verschiebungsbewegung. Die Welle kann eine periphere Aussparung umfassen, die angepasst ist, um in Kontakt mit der Kolbenstange zu stehen. Somit erzielt die Kolbenstange Kontakt mit einem Abschnitt der Welle, der in einer Entfernung zum Drehpunkt der Welle liegt. Eine lineare Verschiebungsbewegung der Kolbenstange kann hier in eine Drehbewegung der Welle umgewandelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Nockenfolger eine Rückstellfeder, die angepasst ist, um die Verriegelungskomponente von der vollständig verriegelten Position in die entriegelte Position zu verschieben. Solch eine Rückstellfeder kann eine Schraubenfeder sein. Mit einer geeigneten Anbringung einer solchen Feder kann die Verriegelungskomponente eine Verschiebungsbewegung zurück zur entriegelten Position erfahren, wenn die hydraulische Kolbenstange nicht aktiviert ist. In solchen Fällen, in denen die Rückstellfeder nicht fähig ist, die Welle die ganze Strecke zur entriegelten Position zurück zu stoßen, wird die Welle mit Hilfe der Kontaktflächen in die vollständig verriegelte Position gedreht. Die Welle kann eine periphere Aussparung umfassen, die angepasst ist, um in Kontakt mit der Rückstellfeder zu stehen. Somit erzielt die Feder Kontakt mit einem Abschnitt der Welle, der in einer Entfernung zum Drehpunkt der Welle liegt. Eine Spiralfeder kann hier über eine lineare Verschiebungsbewegung eine Drehbewegung der Welle erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die drehbare Welle eine Aussparung zum Aufnehmen der zweiten Kontaktfläche, wenn sich diese in der entriegelten Position befindet. In der entriegelten Position stellt die primäre Führungsfläche den Ventilhub bereit. Somit können die Steuerbewegungen, die die sekundäre Vorrichtung von der sekundären Führungsfläche erfährt, nicht an die primäre Vorrichtung übertragen werden. Mit einer solchen Aussparung in der Welle kann die sekundäre Vorrichtung eine Drehbewegung um die Neigungsachse bereitstellen, ohne mit der primären Vorrichtung in Kontakt zu kommen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Nockenfolger eine solche Konstruktionsweise auf, dass er in der verriegelten Position eine Steuerbewegung von derjenigen Führungsfläche, die den größten Ventilhub bereitstellt, überträgt. Überträgt die sekundäre Führungsfläche eine Steuerbewegung an die sekundäre Vorrichtung, stellt sie eine Drehbewegung um die Neigungsachse bereit, so dass die Kontaktflächen zusammengepresst werden. In diesem Fall führt ein Nockenkamm an der primären Führungsfläche dazu, dass die primäre Vorrichtung in einer Richtung um die Neigungsachse gedreht wird, so dass sich die Kontaktfläche voneinander wegbewegen. Somit kommen die Kontaktfläche miteinander in Kontakt, wenn die sekundäre Führungsfläche den größten Ventilhub bereitstellt, und werden voneinander getrennt, wenn die primäre Führungsfläche den größten Ventilhub bereitstellt. Die Führungsfläche, die den größten Ventilhub bereitstellt, wird somit das Ventil steuern, wenn sich die Verriegelungskomponente in der vollständig verriegelten Position befindet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Nockenfolger einen Hohlkörper, der an einer der Vorrichtungen befestigt ist und die drehbare Welle umschließt. Die drehbare Welle kann in einem solchen Hohlkörper einen geschützten Platz erhalten. Der Hohlkörper weist vorzugsweise eine Innenfläche mit einem kreisförmigen Querschnitt auf, um die Drehbewegung der Welle zu vereinfachen. Der Hohlkörper erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Neigungsachse. Somit können die Aussparung für die die Welle drehende Kolbenstange und die Kontaktflächen in Verbindung zu den jeweiligen Vorrichtungen in einer axialen Entfernung voneinander konzipiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Nockenfolger zwei primäre Vorrichtungen, die jeweils ein Kontaktelement umfassen, wobei die Kontaktelemente in einer axialen Entfernung voneinander in Kontakt mit zwei Führungsflächen in identischer Konstruktionsweise an der Nockenwelle angeordnet sind. Mit zwei solchen Kontaktelementen erfährt der Nockenfolger eine stabile Positionierung an der Nockenwelle. Die beiden Kontaktelemente erzeugen in diesem Fall eine identische Hebebewegung, die jeweils an ein Ventil übertragen werden kann. Die sekundäre Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein sekundäres Kontaktelement, das zwischen den primären Kontaktelementen angeordnet ist. Eine mittig platzierte sekundäre Vorrichtung kann identische Steuerbewegungen an die auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten primären Vorrichtungen übertragen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Kontaktelemente Rollenelemente, die angepasst sind, um entlang der jeweiligen Führungsfläche an der Nockenwelle zu rollen. Die Reibung zwischen den Führungsflächen und den Kontaktelementen wird dadurch minimiert. Alternativ können die Kontaktelemente aus geeigneten Gleitelementen bestehen, die entlang der Führungsfläche gleiten. Die primäre Vorrichtung kann ein Kontaktelement umfassen, das Steuerbewegungen ohne einen weiteren Bewegungsübertragungsmechanismus im Wesentlichen direkt an ein Ventil überträgt. In diesem Fall erfährt der Nockenfolger Steuerbewegungen von einer obenliegenden Nockenwelle. Alternativ kann das Kontaktelement in der primären Vorrichtung aus einem kugelförmigen Sockel oder Ähnlichem bestehen, um ein unteres Ende einer Schubstange aufzunehmen, die Steuerbewegungen über einen Kipphebel an ein Ventil überträgt. In diesem Fall ist der Nockenfolger an einer tiefliegenden Nockenwelle angeordnet.
Kurzbeschreibung der Figuren
Untenstehend findet sich als Beispiel eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, wobei gilt:
1 zeigt einen Nockenfolger gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt den Nockenfolger aus 1 von unten betrachtet,
3 zeigt den Nockenfolger aus 1 von einer Seite aus betrachtet,
4a zeigt eine Schnittansicht des Nockenfolgers aus 3 in der Ebene A-A, wenn er sich in einer entriegelten Position befindet,
4b zeigt eine Schnittansicht des Nockenfolgers aus 3 in der Ebene B-B, wenn er sich in einer vollständig verriegelten Position befindet,
5a zeigt eine Schnittansicht des Nockenfolgers aus 3 in der Ebene A-A, wenn er sich in einer vollständig verriegelten Position befindet,
5b zeigt eine Schnittansicht des Nockenfolgers aus 3 in der Ebene B-B, wenn er sich in einer vollständig verriegelten Position befindet.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt einen Nockenfolger für eine Ventilstößelanordnung in einem Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor ist bei dieser Ausführungsform mit einer obenliegenden Nockenwelle 1 ausgestattet, die mit einer Motordrehzahl, die mit der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors (Kurbelwellendrehzahl) in Beziehung steht, drehbar ist. Der Verbrennungsmotor kann alternativ mit einer tiefliegenden Nockenwelle ausgestattet sein. Die Nockenwelle 1 ist mit zwei primären Führungsflächen 2 und einer sekundären Führungsfläche 3 ausgestattet. Jede der Führungsflächen 2, 3 ist mit einem radial vorstehenden Abschnitt in Form eines Nockenkamms ausgestattet. Ein Nockenfolger 4 ist angepasst, um in Kontakt zu den primären und sekundären Führungsflächen 2, 3 zu stehen. Der Nockenfolger 4 umfasst zwei primäre Kontaktelemente in Form zweier primärer Rollenelemente 5, die jeweils in Kontakt mit einer primären Führungsfläche 2 stehen, und ein sekundäres Kontaktelement in Form eines sekundären Rollenelements 6, das in Kontakt mit einer sekundären Führungsfläche 3 steht. Der Nockenfolger 4 ist auf einer Neigungsachse 7 drehbar gelagert.
Die 2 und 3 zeigen eine Ansicht des Nockenfolgers 4 von unten und von einer Seite. Der Nockenfolger 4 umfasst zwei primäre Vorrichtungen 8 in einer identischen Konstruktionsweise. Die beiden primären Vorrichtungen 8 sind um die Neigungsachse 7 in einem Mittelabschnitt drehbar gelagert. Die beiden primären Vorrichtungen 8 umfassen jeweils ein primäres Rollenelement 5 an einem Endabschnitt und ein Kontaktelement 9 an einem gegenüberliegenden Endabschnitt. Das Kontaktelement 9 ist angepasst, um eine Steuerbewegung von der primären Vorrichtung 8 an ein Ventil zu übertragen, das ein Einlassventil oder ein Auslassventil sein kann. Der Nockenfolger 4 umfasst eine sekundäre Vorrichtung 10, die zwischen den beiden primären Vorrichtungen 8 platziert ist. Die sekundäre Vorrichtung 10 ist um die Neigungsachse 7 in einem Mittelabschnitt drehbar gelagert. Die sekundäre Vorrichtung 10 umfasst sekundäre Rollenelemente 6 an einem Endabschnitt und eine Verriegelungsvorrichtung 11 an einem gegenüberliegenden Endabschnitt. Die sekundäre Vorrichtung 10 kann mit den primären Vorrichtungen 8 mittels der Verriegelungsvorrichtung 11 verrastet werden. Die Verriegelungsvorrichtung 11 umfasst einen Hohlkörper 12, der an der sekundären Vorrichtung 10 angebracht ist. Der Hohlkörper 12 erstreckt sich in einer quer liegenden Weise im Wesentlichen entlang der gesamten Breite des Nockenfolgers 4. Der Hohlkörper 12 weist einen Endabschnitt in Verbindung mit einer der primären Vorrichtungen 8 und einen gegenüberliegenden Endabschnitt in Verbindung mit der anderen primären Vorrichtung 8 auf. Der Hohlkörper 12 umschließt eine Verriegelungskomponente in der Form einer drehbaren Welle 13. Die drehbare Welle 13 weist einen Mittelabschnitt in Verbindung mit der sekundären Vorrichtung 10 und zwei Endabschnitte in Verbindung mit den jeweiligen primären Vorrichtungen 8 auf. Der Hohlkörper 12 ist am Mittelabschnitt mit einem zylindrischen vorstehenden Abschnitt 14 ausgestattet.
Die 4a und 4b zeigen einen Querschnitt der sekundären Vorrichtung 10. Dies zeigt, dass der zylindrische Abschnitt 14 einen zylindrischen Raum für eine Rückstellfeder 15 umfasst. Die Rückstellfeder 15 ist hierbei eine Schraubenfeder. Die drehbare Welle 13 ist mit einer ersten peripheren Aussparung 13a zum Aufnehmen eines Endes der Rückstellfeder 15 ausgestattet. Die Rückstellfeder steht mit der Welle 13 in einer Entfernung von ihrem Drehpunkt in Kontakt. Somit strebt die Rückstellfeder 15 danach, die Welle 13 in einem Uhrzeigersinn zu drehen. Die drehbare Welle 13 ist mit einer zweiten Aussparung 13b zum Aufnehmen einer Kolbenstange 16, die hydraulisch verschoben werden kann, ausgestattet.
In diesem Fall kann die Hydraulikflüssigkeit auf die obere Seite der Kolbenstange 16 geführt werden und diese in einem geraden Kanal 10a in der sekundären Vorrichtung 10 verschieben. Die Hydraulikflüssigkeit, die die Kolbenstange 16 verschiebt, kann durch eine Pumpe, die von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, unter Druck gesetzt werden. Die Kolbenstange 16 ist angeordnet, um zwischen einer oberen entriegelten Position und einer unteren vollständig verriegelten Position verschoben zu werden. Die Kolbenstange wird in 4b in der letzteren Position gezeigt. Wird die Kolbenstange 16 von der entriegelten Position in die vollständig verriegelte Position verschoben, dreht sie die Welle 13 in einem Gegenuhrzeigersinn gegen die Wirkungsweise der Rückstellfeder 15.
Die 5a und 5b zeigen einen Querschnitt einer der primären Vorrichtungen 8. Dies zeigt, dass der Hohlkörper 12 eine periphere Öffnung in Verbindung mit der primären Vorrichtung 8 aufweist.
Die drehbare Welle 13 weist hierbei einen verringerten Querschnitt 13c auf. Der verringerte Querschnitt 13c der drehbaren Welle umfasst eine Kontaktfläche 13c ₁. Der verringerte Querschnitt der Welle 13 wird von einer Aussparung 13d erzeugt. Die primäre Vorrichtung 8 weist einen vorstehenden Kontaktabschnitt 8a mit einer Kontaktfläche 8a ₁ auf. Befindet sich die Kolbenstange 16 in der verriegelten Position, befindet sich die Kontaktfläche 13c ₁ in der in 5a gezeigten Position. Wird die sekundäre Vorrichtung 10 durch die sekundäre Führungsfläche 3 angehoben und bezogen auf die primäre Vorrichtung 8 in einem Gegenuhrzeigersinn gedreht, kommen die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ nicht in Kontakt zueinander. Hat die Kolbenstange 16 die Welle 13 in einem Gegenuhrzeigersinn gegen die Wirkungsweise der Rückstellfeder 15 in die vollständig verriegelte Position gedreht, befindet sich die Kontaktfläche 13c ₁ in der in 5b gezeigten Position. Wird die sekundäre Vorrichtung 10 durch die sekundäre Führungsfläche 3 angehoben und bezogen auf die primäre Vorrichtung 8 in einem Gegenuhrzeigersinn gedreht, kommen die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ in Kontakt zueinander.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors empfängt eine nicht dargestellte Motorsteuervorrichtung im Wesentlichen durchgehend Informationen über verschiedene Motorparameter wie Motordrehzahlen und -lasten. Mit Hilfe dieser Informationen legt die Motorsteuervorrichtung fest, ob die Ventile von den primären Führungsflächen 2 oder den sekundären Führungsflächen 3 gesteuert werden sollen. Bei Ereignissen, bei denen die Motorsteuervorrichtung entscheidet, dass die Ventile von den primären Führungsflächen 2 gesteuert werden sollen, findet keine Aktivierung der Kolbenstange 16 statt. Die Kolbenstange 16 wird somit, wie in 4a gezeigt, von der Rückstellfeder 15 in der entriegelten Position gehalten. Kommen die Rollenelemente 6 der sekundären Vorrichtung 10 an den Nockenkamm an der Führungsfläche 3, erfährt die sekundäre Vorrichtung 10 einen Hub, der bewirkt, dass sie sich in einem Gegenuhrzeigersinn um die Neigungsachse 7 dreht. Die Kontaktfläche 13c ₁ der Welle befindet sich hier in einer gedrehten Position, so dass sie nicht in Kontakt mit den Kontaktflächen 8a ₁ der primären Vorrichtungen kommt. Die Aussparung 13d der Welle kann hier die Kontaktabschnitte 8a und Kontaktflächen 8a ₁ der primären Vorrichtung aufnehmen. Somit wirken sich die Bewegungen der sekundären Vorrichtung 10 in keinster Weise auf die Steuerbewegungen der primären Vorrichtung 8 auf die Ventile aus. Erreichen die Rollenelemente 5 der primären Vorrichtungen 8 den Nocken an den Führungsflächen 2, erfahren die primären Vorrichtungen 8 eine Drehbewegung in einem Gegenuhrzeigersinn um die Neigungsachse 7. Die Kontaktabschnitte 8a ₁ der primären Vorrichtungen bewegen sich hierbei weg von dem Kontaktabschnitt 13c ₁ der Welle. Die Bewegung der primären Vorrichtungen 8 wird über die Kontaktelemente 9 auf Hebebewegungen der Ventile ausgeweitet. Befinden sich die Kolbenstange 9 und die Welle 13 in der entriegelten Position, werden die Ventile von der primären Führungsfläche 2 gesteuert.
Bei Ereignissen, bei denen die Motorsteuervorrichtung festlegt, dass die Ventile wenigstens teilweise von der sekundären Führungsfläche 3 gesteuert werden sollen, wird die Kolbenstange 16 aktiviert. Somit wird die Kolbenstange 16 entgegen der Wirkungsweise der Rückstellfeder 15 hin zur in 4 dargestellten verriegelten Position bewegt. Somit wird die Welle 13 gedreht, so dass die Kontaktfläche 13c1 der Welle eine Position einnimmt, die wie in 5b dargestellt in enger Verbindung zur Kontaktfläche 8a ₁ der primären Vorrichtung 8 steht. Erreichen die Rollenelemente 6 der sekundären Vorrichtung 10 den Nocken an der Führungsfläche 3, erfährt die sekundäre Vorrichtung 10 einen Hub, der bewirkt, dass sie sich in einem Gegenuhrzeigersinn bezogen auf die primären Vorrichtungen 8 um die Neigungsachse 7 dreht. Eine Steuerbewegung der sekundäre Führungsfläche 3 wird über die sekundäre Vorrichtung 10, die Welle 13 und die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ an die primären Vorrichtungen 8 übertragen. Die Steuerbewegung wird von den primären Vorrichtungen 8 über die Kontaktelemente 9 an die Ventile übertragen. Die sekundäre Führungsfläche 3 stellt in diesem Fall den Hub der Ventile bereit. Die Rollenelemente 5 der primären Vorrichtungen 8 werden hierbei bezogen auf die primären Führungsflächen 2 in einer angehobenen Position getrennt gehalten. Erreichen die Rollenelemente 5 der primären Vorrichtungen 8 den Nockenkamm an den sekundären Führungsflächen 2, stellen die Rollenelemente 5 eine Hebebewegung bereit, die bewirkt, dass sich die primären Vorrichtungen 8 in einem Gegenuhrzeigersinn um die Neigungsachse 7 drehen. So lange die sekundäre Führungsfläche 3 einen größeren Ventilhub als die primäre Führungsfläche 2 bereitstellt, steuert die sekundäre Führungsfläche 3 den Hub der Ventile. Stellt die primäre Führungsfläche 2 eine größere Ausgangsleistung als die sekundäre Führungsfläche 3 bereit, übernimmt sie den Hub der Ventile.
Bei Ereignissen, bei denen die Ventile von der sekundären Führungsfläche 3 gesteuert werden müssen, wird die Kolbenstange 16 aktiviert, so dass sie von der entriegelten Position in die vollständig verriegelte Position bewegt wird. Die Kolbenstange 16 dreht somit die Welle 13 entgegen der Wirkungsweise der Rückstellfeder 15. Generell gilt, dass die Kolbenstange 16 die Welle 13 in die vollständig verriegelte Position dreht, bevor die Rollenelemente 6 der sekundären Vorrichtung 10 den Nocken an der zweiten Führungsfläche 2 erreichen. Dreht sich die Welle 13 nicht vollständig in die vollständig verriegelte Position, befindet sich die Welle 13 in einer teilweise verriegelten Position. Dies bringt mit sich, dass nur ein Teil der Kontaktfläche 13c ₁ mit einem Teil der Kontaktflächen 8a ₁ der primären Vorrichtungen 8 in Kontakt kommt. Solange die Kontaktfläche 13c ₁ der Welle Zeit hatte, sich die ganze Strecke bis zur vollständig verriegelten Position zu drehen, sind die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ jedoch nicht parallel. Erreichen die Rollenelemente 6 der sekundären Vorrichtung 10 den Nocken der zweiten Führungsfläche 2, erfährt die sekundäre Vorrichtung 10 eine Steuerbewegung, die die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ aufeinander zu presst. Dies bewirkt, dass die Welle 13 sich entgegen der Wirkungsweise der Rückstellfeder 15 dreht, bis die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ vollständig parallel zueinander sind. Sind die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ zueinander parallel, wurde die Welle in die vollständig verriegelte Position gedreht. Mit Hilfe der Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ kann jederzeit garantiert werden, dass die Welle in die verriegelte Position gedreht wird. In diesem Fall wird das Risiko, dass die Welle 13 in einer teilweise verriegelten Position zwischen der entriegelten Position und der vollständig verriegelten Position hängen bleibt, somit beseitigt. Gleichzeitig wird garantiert, dass die ganzen Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ verwendet werden, um die Steuerbewegung von der sekundären Vorrichtung 10 an die primären Vorrichtungen 8 zu übertragen.
Bei Ereignissen, bei denen die Ventile wieder von den primären Führungsflächen 2 gesteuert werden müssen, wird die Kolbenstange 16 deaktiviert, so dass die Rückstellfeder 15 die Welle 13 zurück in die entriegelte Position dreht. Generell gilt, dass die Welle 13 in die vollständig verriegelte Position zurück versetzt wird, bevor die Rollenelemente 6 der sekundären Vorrichtung 10 den Nockenkamm an der zweiten Führungsfläche 2 erreichen. Hat die Welle 13 keine Zeit, sich die ganze Strecke bis zur entriegelten Position zu drehen, befindet sich die Welle 13 in einer teilweise verriegelten Position, wenn die sekundäre Vorrichtung eine Steuerbewegung an die Welle 13 und die primären Vorrichtungen 8 überträgt.
Der Druck, den die Steuerbewegung auf die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ ausübt, bewirkt, dass die Welle 13 eine Drehbewegung entgegen der Wirkungsweise der Rückstellfeder bereitstellt, bis die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ parallel zueinander sind. Sind die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ zueinander parallel, wurde die Welle 13 in die vollständig verriegelte Position gedreht. Dreht sich die Welle 13 nicht in die entriegelte Position, bevor die Rollenelemente 6 der sekundären Vorrichtung 10 den Nocken an der zweiten Führungsfläche 2 erreichen, wird die Welle 13 somit zurück in die verriegelte Position gedreht. Dies geschieht schnell, und der Hauptteil der Steuerbewegung findet über die Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ statt, wenn sie parallel sind. Somit kann auch garantiert werden, dass die Welle 13 nicht in einer teilweise verriegelten Position hängen bleibt, wenn die Kolbenstange 16 deaktiviert ist. Sobald die sekundäre Vorrichtung 10 den Nocken an der sekundären Führungsfläche 3 passiert hat, kann die Rückstellfeder 15 die Welle 13 zurück in die entriegelte Position drehen. Die Übertragung einer Steuerbewegung von der sekundären Vorrichtung über die Welle 13 an die primären Vorrichtungen 8 findet somit im Wesentlichen immer statt, wenn die ebenen Kontaktflächen 8a ₁, 13c ₁ zueinander parallel sind. Die Kontaktflächen stehen hierbei vollständig in Kontakt zueinander. Die zwischen den Kontaktflächen erfahrene Kraftübertragung wird somit über eine relativ große Oberfläche verteilt. Somit besteht kein Risiko, dass die Kontaktflächen verformt werden könnten.
In diesem Fall wird ein Nockenfolger 4 verwendet, der zwei primäre Vorrichtungen 8 mit jeweils einem Rollenelement 5 umfasst, die jeweils entlang einer primären Führungsfläche 2 rollen. Die Führungsflächen 2 weisen ein identisches Profil auf. Die sekundäre Vorrichtung 10 weist ein Rollenelement 6 auf, das entlang einer Führungsfläche 3, die sich zwischen den Führungsflächen 2 der primären Vorrichtung befindet, rollt. Die sekundäre Vorrichtung 10 hat hierbei eine mittige Lage zwischen den primären Vorrichtungen 8. Eine solche Konstruktionsweise des Nockenfolgers 4 bringt mit sich, dass sowohl wenn die primären Vorrichtungen 8 als auch wenn die sekundäre Vorrichtung 10 verwendet werden, um die Hebebewegungen an die Ventile zu übertragen, symmetrische Lastpfade durch den Nockenfolger erfahren werden. Der Nockenfolger 4 wird mit einer solchen Konstruktionsweise kompakt und stabil.
Im oben aufgeführten Beispiel können die Nocken an den Führungsflächen verschoben werden, so dass die Ventile mit Hilfe der sekundären Führungsfläche 3 einen früheren Hub erfahren. Alternativ kann eine sekundäre Vorrichtung 10 im Nockenfolger 4 auch verwendet werden, um ein späteres Schließen der Ventile oder bezogen auf den mit der primären Vorrichtung 8 im Nockenfolger 4 bereitgestellten Hub einen größeren Hub der Ventile 3 bereitzustellen. Die Ventile können somit Einlassventile oder Auslassventile sein. Um die Austrittstemperatur zu erhöhen, kann die Öffnungszeit der Auslassventile gesteuert werden. Durch ein früheres Öffnen der Auslassventile als normal wird die Ausdehnung bei höheren Temperaturen unterbrochen, was zu einer erhöhten Austrittstemperatur führt. Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren ist die Abgasturbine so dimensioniert, dass sie bei niedrigen Motordrehzahlen hohe Lastdrücke bereitstellen kann. Dies bedeutet, dass die Turbine bei hohen Motordrehzahlen und Lasten überdreht. Um dies zu vermeiden, wird ein Teil des Abgasstroms durch ein sogenanntes Wastegate an der Turbine vorbeigeleitet. Die Notwendigkeit für ein Wastegate kann durch das Hinauszögern der Öffnungszeit des Auslassventils verringert werden. Dies würde zudem den Wirkungsgrad erhöhen.
Aus verschiedenen Aspekten kann es vorteilhaft sein, die Schließzeit des Einlassventils zu steuern. Mit einer solchen Steuerung kann die Füllrate der Zylinder bei verschiedenen Motordrehzahlen optimiert werden, was beim Vorkommen einer hohen Motorlast wünschenswert ist. Die Steuerung der Schließzeit des Einlassventils vereinfacht zudem die Steuerung der effektiven Kompressionsrate. Eine Verzögerung der Schließzeit des Einlassventils bezogen auf die Schließzeit, die eine optimale Füllrate bereitstellt, bedeutet, dass die Kompression später beginnt und eine Kompression daher während eines kürzeren Abschnitts der Kolbenstangenbewegung erfolgt. Die anschließende Ausdehnung bleibt jedoch unverändert. Dies bewirkt, dass die Ausdehnungsrate höher als die Kompressionsrate ist, was bei bestimmten Betriebsbedingungen aus einem Effizienz-Standpunkt heraus vorteilhaft ist. Es ist jedoch nicht bei allen Betriebsbedingungen möglich, das Einlassventil verspätet zu schließen. Während des Starts eines Verbrennungsmotors wird die Kompressionsrate beispielsweise so niedrig, dass die Zündung nicht einwandfrei funktioniert.
Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren stellt ein frühes Öffnen der Auslassventile mehr Energie für die Abgasturbine und somit einen potentiell höheren Lastdruck bereit. Ein spätes Öffnen des Auslassventils stellt dem Verbrennungsmotor mehr Energie zur Verfügung, der somit einen höheren Wirkungsgrad erfährt. Durch variable Öffnungszeiten des Auslassventils können Wirkungsgrad und Leistung des Verbrennungsmotors somit variiert werden. Im Fall von Einschwingvorgängen kann es ebenfalls vorteilhaft sein, die Auslassventile früher zu öffnen und somit einen schnelleren Anstieg des Ladedrucks zu erhalten.
Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb des Rahmens der Patentansprüche frei variiert werden. Ein Nockenfolger mit einer ähnlichen Verriegelungsvorrichtung kann ebenfalls verwendet werden, um Steuerbewegungen von einer tiefliegenden Nockenwelle über eine Stößelstange und einen Kipphebel an anpassbares Heben von Ventilen 3 zu übertragen. Die Welle 13 ist in der dargestellten beispielhaften Ausführungsform an der sekundären Vorrichtung 10 angebracht. Sie könnte alternativ an den primären Vorrichtungen 8 angebracht sein. In diesem Fall hätte die Welle eine Kontaktfläche, die mit einer Kontaktfläche an der sekundären Vorrichtung zusammenwirken würde.

Claims

Nockenfolger für eine Ventilstößelanordnung in einem Verbrennungsmotor, wobei der Nockenfolger (4) Folgendes umfasst: – eine primäre Vorrichtung (8), die um eine Neigungsachse (7) herum bewegbar angeordnet ist und ein primäres Kontaktelement (5), das eine Steuerbewegung von einer primären Führungsfläche (2) an einer Nockenwelle (1) empfängt, und ein Kontaktelement (9), das angepasst ist, um Steuerbewegungen von der primären Vorrichtung (8) zum Anheben von mindestens einem Ventil auszugeben, umfasst, – eine sekundäre Vorrichtung (10), die um die Neigungsachse (7) herum bewegbar angeordnet ist und ein sekundäres Kontaktelement (6) umfasst, das Steuerbewegungen von einer sekundären Führungsfläche (3) an der Nockenwelle (1) empfängt und – eine Verriegelungskomponente (13), die an der sekundären Vorrichtung (10) angebracht ist und die eine Kontaktfläche (13c ₁) umfasst, die angepasst ist, um in ein Ineinandergreifen mit einer Kontaktfläche (8a ₁) an der zweiten der Vorrichtungen (8) bewegt zu werden, wobei die Verriegelungskomponente (13) in einer entriegelten Position, in der Steuerbewegungen von der sekundären Vorrichtung (10) nicht über die Kontaktflächen (8a ₁, 13c ₁) an die primäre Vorrichtung (8) übertragbar sind, in einer teilweise verriegelten Position und in einer vollständig verriegelten Position, in der Steuerbewegungen von der sekundären Vorrichtung (10) über die Kontaktflächen (8a ₁, 13c ₁) an die primäre Vorrichtung (8) übertragbar sind, anwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (8a ₁, 13c ₁) eine sich ergänzende Form aufweisen, dass sie in der teilweise verriegelten Position nicht vollständig miteinander in Kontakt stehen und dass sie in der vollständig verriegelten Position vollständig miteinander in Kontakt stehen und dass sie in der teilweise verriegelten Position bezogen aufeinander einen Gradienten aufweisen, so dass, wenn eine Steuerbewegung von der sekundären Vorrichtung (10) auf die Kontaktflächen (8a ₁, 13c ₁) angewandt wird, die Kontaktfläche (13c ₁) der Verriegelungskomponente bezogen auf die zweite Kontaktfläche (8a ₁) angepasst wird, bis die Kontaktflächen (8a ₁, 13c ₁) Kontakt zueinander erfahren und die Verriegelungskomponente (13) sich in der vollständig verriegelten Position befindet.
Nockenfolger nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (8a ₁, 13c ₁) aus ebenen Oberflächen bestehen.
Nockenfolger nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungskomponente aus einer drehbaren Welle (13) besteht.
Nockenfolger nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kolbenstange (16) umfasst, die hydraulisch aktiviert werden kann, die angepasst ist, um die drehbare Welle (13) aus der entriegelten Position in die vollständig verriegelte Position zu drehen.
Nockenfolger nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Welle (13) eine periphere Aussparung (13b) umfasst, die angepasst ist, um mit der Kolbenstange (16) in Kontakt zu stehen.
Nockenfolger nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Rückstellfeder (15) umfasst, die angepasst ist, um die drehbare Welle (13) von der vollständig verriegelten Position in die entriegelte Position zurück zu versetzen.
Nockenfolger nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Welle (13) eine periphere Aussparung (13a) umfasst, die angepasst ist, um mit der Rückstellfeder (15) in Kontakt zu stehen.
Nockenfolger nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Welle (13) eine Aussparung (13d) zum Aufnehmen der zweiten Kontaktfläche (8a ₁), wenn sie sich in der entriegelten Position befindet, umfasst.
Nockenfolger nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Hohlkörper (11) umfasst, der an einer der Vorrichtungen (10) angebracht ist und die drehbare Welle (13) umschließt.
Nockenfolger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Konstruktionsweise aufweist, so dass, wenn die Verriegelungskomponente (13) sich in der vollständig verriegelten Position befindet, sie Steuerbewegungen an das Ventil von derjenigen Führungsfläche (2, 3) überträgt, die den größten Ventilhub bereitstellt.
Nockenfolger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei primäre Vorrichtungen (8) umfasst, die jeweils ein Kontaktelement (5) umfassen, wobei die Kontaktelemente in einer axialen Entfernung voneinander in Kontakt mit zwei Führungsflächen (2) in identischer Konstruktionsweise an der Nockenwelle (1) angeordnet sind.
Nockenfolger nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Vorrichtung (10) ein sekundäres Kontaktelement (6) umfasst, das in einer Position zwischen den primären Kontaktelementen (5) angeordnet ist.
Nockenfolger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement aus Rollenelementen (5, 6) besteht, die angepasst sind, um entlang ihrer jeweiligen Führungsflächen (2, 3) an der Nockenwelle (5) zu rollen.