DE19541770A1

DE19541770A1 - Vorrichtung zum Verändern der Öffnungs- und Schließzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19541770A1
Application number: DE19541770A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Ing Scheidt; Dieter Goppelt; Stefan Dipl Ing Hes
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 1997-06-12
Also published as: WO1997017528A1; DE19680951C1; US5970930A; DE19680951D2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach den oberbegriffsbildenden Merkma len des Anspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 29 09 803 vorbekannt. Nach Start der Brennkraftmaschine tritt bei einer derartigen Vorrichtung das Problem auf, daß der jeweilige Verstellkolben mit hoher Geschwindigkeit in eine maximale Verstellposition eilt und dort unter erheblicher Geräuschemission mehrfach anschlägt. Dies rührt daher, daß nach Außerbetriebsetzung der Brennkraftma schine das in der Vorrichtung befindliche hydraulische Mittel allmählich aus dieser entweicht und somit der Verstellkolben hydraulisch nicht mehr aus reichend eingespannt ist, wobei in aller Regel ein gewisses Restvolumen an hydraulischem Mittel verbleibt. Hervorgerufen durch die Drehungleichförmig keit der Nockenwelle wird nach Wiederbefeuerung der Brennkraftmaschine der Verstellkolben, da dieser nun hydraulisch nicht mehr eingespannt ist, in eine Endlage unter der erwähnten erheblichen Geräuschentwicklung verschoben.

Dieser Zustand ist im Zeitraum zwischen Befeuerung der Brennkraftmaschine und Befüllung der Druckkammern festzustellen, d. h. wenige Sekunden nach dem Start des Motors.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vor genannten Gattung zu schaffen, bei der die aufgezeigten Nachteile beseitigt sind und insbesondere mit einfachen Mitteln, d. h. mit geringem konstruktiven Aufwand, das angezeigte Startklappern vermieden ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 12 sind.

Durch diese erfindungsgemäßen Mittel ist nicht mehr mit den beim Stand der Technik auftretenden Klappergeräuschen durch hochfrequentes Anschlagen des Verstellkolbens an seine eine Endlage zu rechnen. Sobald die Vorrichtung nach dem Außerbetriebsetzen der Brennkraftmaschine weitestgehend an hydrauli schem Mittel leergelaufen ist, ist die hydraulische Einspannung des Verstell kolbens weitestgehend aufgehoben. Eine Druckfeder verschiebt den Verstell kolben in die gewünschte Start-, Notlaufposition. Dies wäre bei einem Einlaß versteller in aller Regel die Spät- und bei einem Auslaßversteller die Frühposi tion. Beim Einlaßversteller wird diese Bewegung durch die wirkenden Schlepp-, Reibmomente der Nockenwelle unterstützt. Sobald nun diese Position erreicht ist, ist es nach der Erfindung vorgesehen, Antriebs- und Abtriebseinheit der Vorrichtung miteinander formschlüssig zu koppeln. Durch diese Maßnahme ist der Verstellkolben an einer weiteren Axialbewegung solange gehindert, bis ein ausreichender Druck an hydraulischem Mittel in der Vorrichtung aufgebaut ist, welcher Druck ein die formschlüssige Verbindung der beiden Einheiten bewir kendes Koppelmittel außer Eingriff bringt. Diese Vorrichtung kann ohne weite ren konstruktiven Aufwand in bereits bestehende Verstellvorrichtungen einge baut werden. Insbesondere erweist sich die Erfindung sinnvoll bei Vorrichtun gen, welche auslaßnockenwellenseitig vorgesehen sind, da die durch die auftretenden Schlepp-, Reibmomente der Nockenwelle vorliegende Verstellrich tung des Verstellkolbens in Richtung "spät", d. h. in Richtung großer Ventilüber schneidungen wirkt. Der Verstellkolben sollte hier in seiner Frühposition wäh rend des Starts der Brennkraftmaschine gehalten werden. Diese ansonsten auftretenden großen Ventilüberschneidungen sind speziell bei Start der Brenn kraftmaschine äußerst unerwünscht, da bei dieser Betriebssituation mit möglichst viel Frischgas im Zylinder gefahren werden muß. Ungünstigstenfalls kann dies dazu führen, daß ein Start der Brennkraftmaschine nicht möglich ist. Dadurch, daß durch die angestrebte geringe Ventilüberschneidung der Gaswechselventile durch Halten des Verstellkolbens in einer vorbestimmten Position der Restgas anteil im Zylinder verringert ist, ist auch ein zusätzlicher positiver Beitrag in Richtung Abgasemissionen geleistet.

Besonders einfach ist es, das Koppelmittel als Kolben bzw. Stift auszubilden und in komplementären Bohrungen der An- und Abtriebseinheit verlaufen zu lassen. Denkbar sind jedoch auch weitere Koppelelemente, wie beispielsweise Kugeln, Keile, Nadeln und ähnliches bzw. auch mittelbar beaufschlagte.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, einen Versorgungspfad einer Führungshülse für Hydraulikmittel zur Zuleitung dieses vor eine Stirnseite des Verstellkolbens gleichzeitig als Versorgungspfad für das Hydraulikmittel zur Beaufschlagung des Koppelmittels zu benutzen. Somit kann auf zusätzliche Zuleitungen in der Vorrichtung verzichtet werden.

Die Radialbohrung nach Anspruch 10 dient als Abströmbohrung für überschüs siges Hydraulikmittel aus der ersten Aufnahme und zur Verhinderung der Ausbildung eines Luftpolsters in dieser.

Schließlich ist durch die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 11 und 12 eine Verliersicherung für das Koppelmittel in seiner ersten Aufnahme gegeben. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil in aller Regel die Ölführungshülse als Bestand teil der Abtriebseinheit separat zu den weiteren Bauteilen der Vorrichtung angeliefert und vor Ort montiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung mit erfindungsge mäßer Koppeleinrichtung;

Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung die Vorrichtung im Bereich ihrer Koppeleinrichtung und

Fig. 3 ein Steuerdiagramm eines Viertaktmotors.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die der Fachwelt an sich bekannte Vorrichtung 1 weist ein mit einer Kurbelwel le über ein nicht dargestelltes Zugmittel in Antriebsverbindung stehendes Antriebsrad 2 auf. Das Antriebsrad 2 geht radial innen in einen sich in Axial richtung erstreckenden Axialansatz 3 über. Dieser Axialansatz 3 ist Bestandteil einer Antriebseinheit 4. Der Axialansatz 3 weist eine innenliegende Verzahnung 6 auf. Diese kämmt mit einem außenliegenden ersten Abschnitt 5 eines Verstell kolbens 7. Der Verstellkolben 7 wiederum weist einen zweiten, innenliegenden verzahnten Abschnitt 8 auf. Dieser Abschnitt 8 ist in Eingriff mit einer außen liegenden Verzahnung 9 einer konzentrischen Hülse 10, die integraler Bestand teil einer Abtriebseinheit 11 ist.

Dem Axialansatz 3 der Antriebseinheit 4 ist ein weiterer Axialansatz 12 zu geordnet. Dieser liegt radial innerhalb des ersten Axialansatzes 3 und verläuft in einer Ringaussparung 13 der Hülse 10. Somit ist die Antriebseinheit 4 relativ beweglich gegenüber der Abtriebseinheit 11 mit Hülse 10 abgestützt. Ver drehfest mit der Hülse 10 ist eine Zuführhülse 14 für Hydraulikmittel verbun den. Diese Zuführhülse 14 umschließt Endbereiche einer nicht dargestellten Nockenwelle. In ihrem Ringbereich weist die Zuführhülse 14 zumindest einen Versorgungspfad 15 auf. Über den Versorgungspfad 15 erfolgt eine Lieferung von hydraulischem Mittel vor eine Stirnseite 16 des Verstellkolbens 7. Gleich zeitig befindet sich im Axialansatz 12 ein Ringraum 17 für hydraulisches Mittel. Dieser Ringraum 17 ist unmittelbar vor einander zugewandten Stirnflächen 18, 19 der Antriebseinheit 4 und der Abtriebseinheit 11 angeordnet.

In einer ersten Aufnahme 20 der Abtriebseinheit 11 verläuft ein als Kolben ausgebildetes Koppelmittel 21. Die Antriebseinheit 4 weist im Bereich ihres Axialansatzes 12 eine weitere Aufnahme 22 auf. Diese ist von dem Ringraum 17 einenends begrenzt. Das Koppelmittel 21 ist in Koppelrichtung von der Kraft eines als Druckfeder ausgebildeten Federmittels 23 beaufschlagt. Eine Ver schiebung des Koppel mittels in Entkoppelrichtung soll über aus dem Versor gungspfad 15 und dem Ringraum 17 anliegenden Hydraulikmitteldruck derart erfolgen, daß das Koppelmittel 21 die Stirnflächen 18, 19 nicht mehr schneidet.

Läuft nun die Vorrichtung 1 nach dem Außerbetriebsetzen der Brennkraftma schine an hydraulischem Mittel leer, so wird der Verstellkolben 7 über die Kraft einer ihn beaufschlagenden Druckfeder 24 in eine Vorzugsstellung verschoben (siehe Beschreibungseinleitung). Das Federmittel 23 verschiebt dabei das Kop pelmittel 21 in Koppelposition. Hierfür sind die Aufnahmen 20, 22 derart zueinander angeordnet, daß sie in der eben genannten Drehstellung der Ein heiten 4, 11 zueinander fluchten. Das Koppelmittel 21 wird somit in die weitere Aufnahme 22 mit Teilabschnitten verschoben. Beide Einheiten 4, 11 sind form schlüssig miteinander gekoppelt. Wird nun die Brennkraftmaschine wieder befeuert, so ist der Verstellkolben 7 bei nicht ausreichender hydraulischer Einspannung aufgrund der Drehungleichförmigkeit der Nockenwelle bestrebt, an seine Anschlagposition hochfrequent anzuschlagen. Dies ist durch die Erfindung verhindert, indem wie oben genannt für diesen Startzeitraum Antriebs- und Ab triebseinheit 4, 11 formschlüssig miteinander gekoppelt sind. Sobald sich ein ausreichend großer Druck an hydraulischem Mittel beidseitig des Verstellkol bens 7 aufgebaut hat, verhindert diese hydraulische Einspannung dieses An schlagen und gestattet eine Verstellung des Verstellkolbens 7 in die gewünschte Richtung. Durch den Aufbau des Drucks an hydraulischem Mittel, welches über den Versorgungspfad 15 ebenfalls zum Ringraum 17 vor eine zweite Stirnfläche 25 des Koppelmittels 21 geleitet ist, wird das Koppelmittel 21 vollständig in seine erste Aufnahme 20 verschoben. Die physische Kopplung der Einheiten 4, 11 ist aufgehoben.

Gleichfalls sind die erfindungsgemäßen Maßnahmen auch an einer Vorrichtung 1 denkbar, die einer Auslaßnockenwelle zugeordnet ist. Hierbei müßte die Druckfeder 24 derart eingebaut werden, daß sie entgegen den in Richtung "spät" wirkenden Schlepp-, Reibmomenten der Nockenwelle auf den Verstell kolben 7 wirkt. Sobald die Vorrichtung 1 dann an hydraulischem Mittel leerge laufen bzw. weitestgehend leergelaufen ist, würde die Druckfeder 24 den Verstellkolben 7 in seine "frühe" Anschlagposition verschieben, wobei dann über die Kraft des Federmittels 23 wiederum eine formschlüssige Kopplung der Einheiten 4, 11 in dieser Anschlagposition aufgebaut ist. Die Verstellung der Auslaßnockenwelle während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine in Richtung "früh" garantiert die gewünschte geringe Ventilüberschneidung und somit geringe Restgasanteile im Zylinder.

Hinter einer ersten Stirnfläche 26 des Koppelmittels 21 verläuft eine die erste Aufnahme 20 schneidende Radialbohrung 27. Diese Radialbohrung 27 dient der Abfuhr von überschüssigem Hydraulikmittel aus der Aufnahme 20, welches sich während der Beaufschlagung des Koppelmittels 21 als Leckagemenge ansam melt. Gleichzeitig dient die Radialbohrung 27 dazu, den Aufbau eines Luftpol sters in der weiteren Aufnahme 22 zu verhindern. Ein Abströmen des über schüssigen Hydraulikmittels über die Radialbohrung 27 erfolgt in den Zylin derkopf. Zusätzlich verläuft in der weiteren Aufnahme 22 im Bereich des Koppelmittels 21 ein das Koppelmittel 21 umschließender separater Ring 28 (siehe auch Fig. 2) als Hülsenabschnitt. Das Koppelmittel 21 besitzt im Bereich seines in die Aufnahme 20 ragenden Abschnitts eine Durchmessererweiterung 29 (hier als separater Ring ausgebildet). Somit ist eine einfache Verliersicherung für das Koppelmittel 21 aus der Aufnahme 20 und gleichzeitig ein Anschlag für das Koppelmittel 21 geschaffen.

Schließlich zeigt die Fig. 3 ein Steuerdiagramm eines Viertaktmotors zur besseren Veranschaulichung des Ladungswechsels und der Ventilüberschnei dung Ü_v wie vorgehend besprochen.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung
2 Antriebsrad
3 Axialansatz
4 Antriebseinheit
5 erster Abschnitt
6 Verzahnung
7 Verstellkolben
8 zweiter Abschnitt
9 Verzahnung
10 Hülse
11 Abtriebseinheit
12 Axialansatz
13 Ringaussparung
14 Zuführhülse
15 Versorgungspfad
16 Stirnseite
17 Ringraum
18 Stirnfläche
19 Stirnfläche
20 erste Aufnahme
21 Koppelmittel
22 weitere Aufnahme
23 Federmittel
24 Druckfeder
25 zweite Stirnfläche
26 erste Stirnfläche
27 Radialbohrung
28 Ring
29 Durchmessererweiterung
Q_A momentan freier Ventilspalt querschnitt
α Kurbelwinkel
t Zeit
AÖ Öffnungsbeginn Auslaßventil
EÖ Öffnungsbeginn Einlaßventil
AS Schließende Auslaßventil
ES Schließende Einlaßventil
Ü_v Ventilüberschneidung
H_A Ventilhub Auslaßventil
H_E Ventilhub Einlaßventil
t_N- Verschiebung Steuerzeiten durch Vorrichtung (Verstellkolben) in Richtung frühes Öffnen und Schließen Ein- oder Auslaßventil
t_N+ Verschiebung Steuerzeiten durch Vorrichtung (Verstellkolben) in Richtung spätes Öffnen und Schließen Ein- oder Auslaßventil

Claims

1. Vorrichtung (1) zum Verändern der Öffnungs- und Schließzeiten von Gas wechselventilen einer Brennkraftmaschine, die innerhalb eines Steuertriebs von zumindest einer in einem Zylinderkopf gelagerten Ein- oder Auslaßnockenwelle, vorzugsweise an einem mit der Nockenwelle in Antriebsverbindung stehenden Antriebsrad (2) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung einen über hydraulisches Mittel axial verschiebbaren Verstellkolben (7) aufweist, der mit zwei, bevorzugt gegenläufig, schräg verzahnten Abschnitten (5, 8) versehen ist, von denen der erste Abschnitt (5) mit einer komplementären Verzahnung (6) einer drehfest mit dem Antriebsrad (2) verbundenen Antriebseinheit (4) und der zweite Abschnitt (8) mit einer komplementären Verzahnung (9) einer drehfest mit der Nocken welle verbundenen Abtriebseinheit (11) kommuniziert, welche Einheiten (4, 11) einander zugewandte Stirnflächen (18, 19) aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

- daß in einer ersten Aufnahme (20) einer der beiden Einheiten (11, 4), im Bereich der einander zugewandten Stirnflächen (19, 18), zumindest ein bevorzugt parallel zur Axiallinie der Nockenwelle sich erstreckendes Kop pelmittel (21) verläuft,
- daß in der jeweils anderen Einheit (4, 11) eine weitere Aufnahme (22) angeordnet ist, in welche in einer Drehstellung der Einheiten (4, 11) zuein ander das Koppelmittel (21) über die Kraft eines Federmittels (23) mit Teilabschnitten verschiebbar ist und
- daß das Koppelmittel (21) über eine Servounterstützung wie Hydraulikmittel in Entkoppelrichtung in die erste Aufnahme (20) verlagerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (20, 22) bei Applikation einer Vorrichtung (1) an einer Einlaßnockenwelle in einer Endstellung des Verstellkolbens (7) zueinander fluchten, in der ein "spä tes" Öffnen und Schließen der Gaswechselventile vorliegt, und daß die Auf nahmen (20, 22) bei einer Applikation einer Vorrichtung (1) an einer Auslaß nockenwelle in einer Endstellung des Verstellkolbens (7) zueinander fluchten, die durch ein "frühes" Öffnen und Schließen der Gaswechselventile determi niert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppel mittel (21) als Kolben/Stift ausgebildet ist, welcher in den als Bohrungen ausge bildeten Aufnahmen (20, 22) verläuft, wobei das Federmittel (23) als zumindest eine Schraubenfeder hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Auf nahme (20) für das Koppelmittel (21) in die Abtriebseinheit (11) und die weitere Aufnahme (22) in die Antriebseinheit (4) integriert ist, wobei in der ersten Aufnahme (20) das Federmittel (23) eingebaut ist, das auf eine erste Stirnfläche (26) des Koppelmittels (21) in Koppelrichtung einwirkt und der weiteren Auf nahme (22) ein Ringraum (17) vorgeordnet ist, über welchen das Hydraulik mittel aus einem Versorgungspfad (15) vor eine zweite Stirnfläche (25) des Koppelmittels (21) in Entkoppelrichtung leitbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest Teilabschnitte der Abtriebseinheit (11) als Zuführhülse (14) für das Hydraulikmittel dienen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Versor gungspfad (15) für das Hydraulikmittel integraler Bestandteil der Zuführhülse (14) ist und im Bereich der einander zugewandten Stirnflächen (18, 19) mit dem Ringraum (17) kommuniziert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Versor gungspfad (15) zur Zuführung des Hydraulikmittels zum Ringraum (17) gleich zeitig als Versorgungspfad (15) zur Zuführung des Hydraulikmittels vor eine Stirnseite (16) des Verstellkolbens (7) hergestellt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsein heit (4) mit einem radial innen liegenden Axialansatz (12) konzentrisch zu dem Axialansatz (3) und relativ verdrehbeweglich in einer Ringaussparung (13) einer drehfest mit der Abtriebseinheit (11) verbundenen und Bestandteil dieser dar stellenden Hülse (10) verläuft, welche Hülse (10) die komplementäre Verzah nung (9) zum zweiten Abschnitt (8) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von der ersten Aufnahme (20) für das Koppelmittel (21), der ersten Stirnfläche (26) des Koppelmittels (20) in Bohrungsrichtung vorgeordnet eine Radialbohrung (27) durch die Abtriebseinheit (11) verläuft.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Koppelmittel (21) in der ersten Aufnahme (20) in einem gegenüber dem Aufnahmedurchmesser verringerten Hülsenabschnitt (28) ver läuft und an dessem der ersten Stirnfläche (26) zugewandten Ende eine Durch messererweiterung (29) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch messererweiterung (29) als separater Ring hergestellt ist.