DE19521141A1

DE19521141A1 - Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19521141A1
Application number: DE19521141A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2015-06-10
Also published as: DE19521141C2; JP3435612B2; JPH07332027A; US5647310A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Auslaß ventile für Kolbenkraftmaschinen und insbesondere einen Auslaßventilmechanismus gemäß dem Oberbegriff des Anspru ches 1, bei dem der das Auslaßventil öffnende und schlie ßende Nocken verbessert ist.

In einer Kolbenkraftmaschine wie etwa einem Verbrennungs motor für Kraftfahrzeuge wird das Auslaßventil im allge meinen durch einen Nocken angetrieben, der sich im Gleichlauf mit der Kurbelwelle dreht.

Wenn in diesem Fall das Ventil bei dem Versuch, die Ausstoßströmungsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, plötzlich geöffnet wird, findet eine schnelle Austreibung oder Druckentspannung der Verbrennungsgase aus dem Motor statt, so daß das Ausstoßpulsationsgeräusch zunimmt.

Beispielsweise ist aus der JP 1-159417-A (veröffentlicht 1989) eine Anordnung für einen Motor mit zwei Auslaßven tilen pro Zylinder bekannt, bei der diese Auslaßventile durch Änderung der Form der sie antreibenden Nocken mit unterschiedlichen Zeitverläufen geöffnet werden, so daß die Druckentspannung über sämtliche Zylinder hinweg gleichmäßiger erfolgt.

Da jedoch für jedes Auslaßventil ein eigener Nocken vorgesehen werden muß, wird die Konstruktion des Ventil mechanismus kompliziert und teuer. Darüber hinaus kann dieses System nicht auf einen Motor mit lediglich einem Auslaßventil pro Zylinder angewandt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschinen zu schaffen, mit dem das Ausstoßpulsationsgeräusch unabhän gig von der Anzahl der Auslaßventile pro Zylinder redu ziert werden kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschinen zu schaffen, mit dem das Ausstoßpulsationsgeräusch reduziert werden kann, ohne daß hohe Kosten verursacht werden.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschinen zu schaffen, mit dem insbesondere die hohen Frequenzkompo nenten des Ausstoßpulsationsgeräusches reduziert werden können.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Auslaßventilmechanismus der gattungsgemäßen Art, der die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 oder des Anspru ches 4 angegebenen Merkmale besitzt. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Be schreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Hubbeschleunigung des Auslaßventils und des Kurbelwinkels gemäß der vorliegenden Er findung;

Fig. 2 eine Gruppe von Graphen zur Erläuterung des Hubbetrages, der Hubgeschwindigkeit und der Hub beschleunigung eines Auslaßventils für eine Um drehung einer Kurbelwelle sowohl gemäß der vor liegenden Erfindung als auch gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine Gruppe von Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Ausstoßgeschwindigkeit im Auslaßventil und des Kurbelwinkels bei verschie denen Motordrehzahlen sowohl gemäß der Erfindung als auch gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Ausstoßpulsationsgeräusch und der Motordrehzahl sowohl gemäß der vorliegenden Er findung als auch gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 5 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Volumenwirkungsgrad und der Motor drehzahl sowohl gemäß der vorliegenden Erfindung als auch gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 6 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Pumpverlust und der Motordrehzahl sowohl gemäß der vorliegenden Erfindung als auch gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 7 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der maximalen Beschleuni gungen und dem Ausstoßpulsationsgeräusch gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Verhältnis der maximalen Beschleuni gungen und dem Abgasverlust sowohl gemäß der vor liegenden Erfindung als auch gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 2, in der jedoch eine zweite Ausführungsform der vor liegenden Erfindung veranschaulicht ist; und

Fig. 10 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 4, die sich jedoch auf die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.

Wie in Fig. 2 der Zeichnungen gezeigt, besitzt ein Aus laßventil gemäß der vorliegenden Erfindung einen Hubbe trag, der in Fig. 2(A) durch eine Strichlinie gezeigt ist, eine Hubgeschwindigkeit, die in Fig. 2(B) durch eine Strichlinie gezeigt ist, sowie eine Hubbeschleunigung, die in Fig. 2(C) durch eine Strichlinie gezeigt ist. Die durchgezogenen Linien in Fig. 2 zeigen den Stand der Technik. Dieses Abgasventil ist in einer Kolbenkraftma schine mit einer Kurbelwelle installiert. Die Kolben kraftmaschine weist außerdem einen Nocken auf, der sich im Gleichlauf mit der Kurbelwelle dreht und das Auslaß ventil öffnet und schließt.

Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, das Auslaßventil geöffnet wird, steigt seine Öffnungsgeschwindigkeit in einer Dämpfungszone mit einer vorgegebenen Beschleunigung in positiver Richtung (der Richtung, in der der Hubbetrag zunimmt) allmählich an. Anschließend wird das Auslaßven til um einen vorgegebenen Betrag vom Ventilsitz getrennt, wobei der Hub mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt, schließlich tritt das Auslaßventil bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel in eine Hubzone ein.

Im Bereich positiver Beschleunigung der Hubzone steigt die Beschleunigung zunächst allmählich in positiver Richtung direkt proportional zum Anstieg des Kurbelwin kels an, anschließend besitzt die Beschleunigung einen Maximalwert A₁ in positiver Richtung, in der das Ventil geöffnet wird. Das Auslaßventil wird dann mit allmählich ansteigender Geschwindigkeit in positiver Richtung ange hoben.

Nachdem die maximale Beschleunigung A₁ in positiver Richtung für einen vorgegebenen Kurbelwinkel aufrechter halten worden ist, während sich das Ventil öffnet, tritt das Ventil in eine Zone negativer Beschleunigung ein, in der das Ventil mit einer Beschleunigung in negativer Richtung verzögert wird.

In diesem Bereich mit negativer Beschleunigung nimmt die Geschwindigkeit in positiver Richtung bis zur maximalen Hubposition des Ventils allmählich ab, bis die Geschwin digkeit bei maximalem Hub den Wert 0 erreicht hat, an schließend ändert sich die Richtung der Geschwindigkeit, so daß das Ventil in Richtung zum Ventilsitz, d. h. in der Richtung, in der der Hubbetrag abnimmt, angetrieben wird.

Nach der maximalen Hubposition steigt die Geschwindigkeit in negativer Richtung aufgrund der negativen Beschleuni gung an, wobei das Ventil in den Bereich einer positiven Beschleunigung eintritt, während sich das Ventil schließt.

Im Bereich positiver Beschleunigung bei sich schließendem Ventil nimmt die Geschwindigkeit in negativer Richtung mit einer maximalen positiven Beschleunigung A₂ ab. Diese Beschleunigung A₂ wird für einen vorgegebenen Kurbelwin kel aufrechterhalten, woraufhin die Schließgeschwindig keit des Ventils verlangsamt wird und das Ventil in die Dämpfungszone eintritt, in der es allmählich mit dem Ventilsitz in Kontakt gelangt, wenn sich das Ventil schließt.

Vorzugsweise liegt der Maximalwert A₁ der positiven Beschleunigung bei sich öffnendem Ventil im Bereich von 60 bis 90% der maximalen positiven Beschleunigung A₂ bei sich schließendem Ventil. Gemäß der vorliegenden Ausfüh rungsform liegt der Maximalwert A₁ insbesondere bei 70%.

Die maximale Beschleunigung A₂ bei sich schließendem Ventil wird auf einen Betriebsgrenzwert gesetzt, derart, daß bei der höchsten eingestellten Motordrehzahl noch keine Rückprallwirkung auftritt.

Bei dem obenerwähnten Stand der Technik ist die maximale Beschleunigung B₁ bei sich öffnendem Ventil auf den Betriebsgrenzwert des Ventils gesetzt, die maximale Beschleunigung A₁ bei sich öffnendem Ventil gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch auf 75% dieses Maximalwerts B₁ gesetzt.

Der Öffnungszeitverlauf des Ventils ist so festgelegt, daß es um einen vorgegebenen Kurbelwinkel früher als der obenerwähnte Stand der Technik öffnet. Selbst wenn die maximale Beschleunigung A₁ bei sich öffnendem Ventil 60 bis 90% der maximalen Beschleunigung A₂ bei sich schlie ßendem Ventil beträgt, liegt das Produkt aus der Ventil öffnungsfläche und der Öffnungsdauer in der gleichen Größenordnung wie dasjenige des obenerwähnten Standes der Technik.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist im Bereich positiver Beschleu nigung bei sich öffnendem Ventil die Position, an der die maximale Beschleunigung A₁ erreicht wird, auf ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt der Kurbelwelle gesetzt, der in Fig. 1 mit BDC bezeichnet ist. Auf diese Weise wird die starke Änderung der Geschwindigkeit, mit der sich das Ventil bis 20° vor dem unteren Totpunkt öffnet, unter drückt, so daß sich das Ventil allmählich öffnet. Bei diesem Auslaßventil ist daher die Änderung der Geschwin digkeit, mit der sich das Ventil öffnet, gleichmäßiger als im obenerwähnten Stand der Technik, wie aus Fig. 2(B) hervorgeht.

Wie in den Fig. 3(A) und 3(B) gezeigt, ändert sich die Bewegung des Auslaßventils, die durch Strichlinien ge zeigt ist, für Motordrehzahlen im Bereich von 3000 bis 6000 min^-1 gleichmäßiger als im obenerwähnten Stand der Technik, der durch die durchgezogene Linie dargestellt ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt das Ausstoßpulsations geräusch in der Umgebung von 2000 min^-1 und oberhalb von 3500 min^-1 erheblich ab, außerdem werden vor allem die Hochfrequenzkomponenten des Ausstoßpulsationsgeräusches gedämpft.

Der Auslaßventil-Zeitverlauf ist im Vergleich zum obener wähnten Stand der Technik wie in Fig. 2 gezeigt nach vorn verschoben, so daß das Produkt aus der Ventilöffnungsflä che und der Öffnungsdauer im wesentlichen nicht abnimmt. Im Ergebnis sind der Motorvolumenwirkungsgrad und der Anstieg des Pumpverlusts weitaus geringer als im Stand der Technik, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, so daß das Ausstoßpulsationsgeräusch ohne jegliche Abnahme des Motorwirkungsgrades reduziert werden kann.

Der Grund, weshalb die maximale Beschleunigung A₁ während der Ventilöffnung in den Bereich von 60 bis 90% der maximalen Beschleunigung während der Ventilschließung gesetzt wird, wird nun beschrieben.

In den Fig. 7 und 8 ist anhand einer von den Erfindern ausgeführten numerischen Simulation die Beziehung zwi schen dem Verhältnis der maximalen Beschleunigungen, dem Ausstoßpulsationsgeräusch und dem Ausstoßverlust gezeigt, wobei das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen A₁/A₂ als Verhältnis der maximalen Beschleunigung A₁ bei sich öffnendem Ventil zu der maximalen Beschleunigung A₂ bei sich schließendem Ventil definiert ist.

In Fig. 7 ist die Verringerung des Ausstoßpulsationsge räusches besonders deutlich, wenn das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen 0,9 oder weniger beträgt, wobei das Ausstoßpulsationsgeräusch weiter abnimmt, wenn das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen abnimmt.

Wie in Fig. 8 gezeigt, muß jedoch bei einem Verhältnis der maximalen Beschleunigungen von weniger als 0,6 die Öffnungszeit voreilen, um das Produkt aus der Ventilöff nungsfläche und der Öffnungsdauer aufrechtzuerhalten.

Aus diesem Grund wird für das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen ein Wert von 0,6 bis 0,9 festgesetzt, um einerseits das Pulsationsgeräusch abzusenken und anderer seits einen Anstieg des Ausstoßverlusts zu unterdrücken.

Nun wird der Grund beschrieben, weshalb die Beschleuni gung allmählich bis auf 20° vor dem unteren Totpunkt, d. h. bis zu der Position, bei der die maximale Beschleu nigung erreicht wird, erhöht wird. Der Anstieg der Aus stoßdruckentspannung ist definiert zwischen dem Zeit punkt, in dem sich das Ventil zu öffnen beginnt, bis zur Spitzenausstoß-Strömungsgeschwindigkeit. Anhand von Experimenten, die die Erfinder ausgeführt haben, hat sich gezeigt, daß bei Motordrehzahlen von mehr als 4000 min^-1, bei denen das Pulsationsgeräusch ansteigt, die Spitzen ausstoß-Strömungsgeschwindigkeit ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt erhalten wird. Daher wird durch langsa mes Öffnen des Ventils bis zu dem Punkt, in dem die Druckentspannungs-Strömungsrate eine Spitze erreicht, der Anstieg der Druckentspannung gedämpft, außerdem wird das Pulsationsgeräusch reduziert und werden vor allem Hoch frequenzkomponenten verringert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher das Pulsati onsgeräusch reduziert werden, ohne daß mehrere Nocken mit unterschiedlichen Zeitverläufen wie im Stand der Technik notwendig sind. Mit anderen Worten, das Pulsationsge räusch kann unabhängig von der Anzahl der Auslaßventile pro Zylinder reduziert werden.

In den Fig. 9 und 10 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.

In Fig. 9 ist der Zeitverlauf der Nocken des Standes der Technik durch die Strichlinie gezeigt, während der Zeit verlauf der Nocken gemäß der vorliegenden Erfindung durch die durchgezogene Linie gezeigt ist. Der Maximalwert A₂′ der Beschleunigung bei sich schließendem Ventil ist auf 80% des Maximalwerts B₂′ der Strichlinie festgesetzt, die die Betriebsgrenze des Ventils bezeichnet. Ähnlich ist der Maximalwert A₁′ der Beschleunigung bei sich öffnendem Ventil auf 80% des Maximalwerts B₁′ der Strichlinie gesetzt. Die übrigen Merkmale sind die glei chen wie im Stand der Technik.

Durch Setzen der Maximalwerte A₁′, A₂′ der positiven Beschleunigung auf einen kleineren Wert als die Maximal werte B₁′ bzw. B₂′, d. h. der Betriebsgrenzwerte, wird der steile Anstieg der Druckentspannung gedämpft und wird das Ausstoßpulsationsgeräusch bei Motordrehzahlen in der Umgebung von 2000 min^-1 und oberhalb von 4000 min^-1 erheb lich reduziert, wie in Fig. 10 gezeigt ist, so daß der ruhige Lauf des Verbrennungsmotors verbessert wird.

Claims

1. Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschine, mit
einer Kurbelwelle, die sich entsprechend dem Motorbetrieb dreht,
einem Nocken, der sich im Gleichlauf mit der Kurbelwelle dreht, und
einem Ventilkörper, der durch den Nocken ange trieben wird und ein zugehöriges Ventil öffnet und schließt,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Nocken eine Form besitzt, derart, daß der Maximalwert (A₁) der Ventilkörper-Öffnungsbeschleunigung kleiner als der Maximalwert (A₂) der Ventilkörper- Schließbeschleunigung ist.

2. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert (A₁) der Ventilkörper-Öffnungsbe schleunigung in einem Bereich von 60 bis 90% des Maxi malwerts (A₂) der Ventilkörper-Schließbeschleunigung liegt.

3. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Drehzyklus der Kurbelwelle einen unteren Totpunkt (BDC) besitzt und
der Nocken die Ventilkörper-Öffnungsbeschleuni gung (A₁) zwischen dem Punkt, in dem der Nocken den Ventilkörper zu öffnen beginnt, bis ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt allmählich erhöht.

4. Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschine, mit
einer Kurbelwelle, die sich entsprechend dem Motorbetrieb dreht,
einem Nocken, der sich im Gleichlauf mit der Kurbelwelle dreht, und
einem Ventilkörper, der durch den Nocken ange trieben wird und ein zugehöriges Ventil öffnet und schließt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Öffnungs- und Schließbeschleunigungen des Ventilkörpers mechanische Betriebsgrenzen aufweisen und
der Nocken eine Form besitzt, derart, daß der Maximalwert (A₁′) der Ventilkörper-Öffnungsbeschleunigung kleiner als ein Wert (B₁′) ist, der durch die Öffnungsbe triebsgrenze bestimmt ist.

5. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert (A₁′) der Ventilkörper-Öffnungs beschleunigung in einem Bereich von 60 bis 90% eines Wertes (B₁′) liegt, der durch die Betriebsgrenze bestimmt ist.

6. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Drehzyklus der Kurbelwelle einen unteren Totpunkt (BDC) besitzt und
der Nocken die Ventilkörper-Öffnungsbeschleuni gung zwischen dem Punkt, in dem der Nocken den Ventilkör per zu öffnen beginnt, bis ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt (BDC) allmählich erhöht.