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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Vorrichtungen
zur Beeinflussung der Steuerzeiten derart, daß eine in Antriebsverbindung
mit einer Kurbelwelle stehende Nockenwelle während des Betriebes der Brennkraftmaschine
relativ zu dieser Kurbelwelle verdreht wird, sind allgemein bekannt.
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Bei
Brennkraftmaschinen mit einer einzigen Nockenwelle werden hierdurch
die Ventilerhebungskurven sowohl der Auslaß- wie auch der Einlaßventile
verschoben.
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Bei
Brennkraftmaschinen mit zwei Nockenwellen, wobei eine den Einlaßventilen
und eine andere den Auslaßventilen
zugeordnet ist, wird im allgemeinen die Einlaßnockenwelle relativ zur Kurbelwelle bzw.
zu der anderen Nockenwelle verdreht, beispielsweise bekannt aus
DE 34 21 028 A1 oder DE-40
24 056 C1.
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Solche
Verstellvorrichtungen haben sich allgemein bewährt, da durch die Umschaltung
von einer vergleichsweise kleinen auf eine relativ große Ventilüberschneidung
zwischen Einlaß- und Auslaßventilen
sowohl der Drehmomentverlauf, die Abgasemissionen, die Leistung
und das Leerlaufverhalten der Brennkraftmaschine günstig beeinflußbar ist.
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Die
hierbei verwendeten Verstellvorrichtungen zur Verdrehung der Nockenwelle
sind zumeist elektro-hydraulisch angetriebene, sogenannte Axialkolbenversteller.
Hierbei wird drehzahl- bzw. last- und/oder öltemperaturabhängig ein
Kolben axial derart verschoben, daß eine mit ihm verbundene Schrägverzahnung
die Nockenwelle verdreht.
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Nachteilig
bei solchen Anordnungen ist der erhebliche Mehraufwand an Bauteilen,
Gewicht, Bauraum und Kosten.
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Alternativ
hierzu ist eine weitere, vergleichsweise einfach aufgebaute Vorrichtung
zur Beeinflussung der Steuerzeiten aus DE-32 34 640 A1 bekannt. Unter
Beibehaltung einer in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine
festen Phasenbeziehung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle bzw.
zwischen Nockenwellen wird hierbei der Einlaßschließzeitpunkt der Einlaßventile
drehzahlabhängig
durch verschwenkbar auf der Nockenwelle gelagerte Einlaßnocken
verändert.
Hierbei nimmt mit steigender Drehzahl die Nockenbreite derart zu,
daß eine
deutliche Verbesserung der Zylinderfüllung in einem unteren wie
auch in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zu erzielen
ist.
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Diese
Vorrichtung benötigt
keinerlei Steuerung bzw. Regelung und kann daher mit vergleichsweise
geringem Aufwand an bereits vorhandenen Brennkraftmaschinen appliziert
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs
genannten Stand der Technik eine weitere Vorrichtung zur Beeinflussung der
Steuerzeiten an einer Brennkraftmaschine mit einer in ihrer Drehlage
relativ zu einer sie antreibenden Kurbelwelle verdrehbaren Nockenwelle
zu schaffen, welche eine weitere, deutliche Verbesserung bezüglich der
Abgasemissionen und des Drehmomentverlaufes bringt.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen benannt.
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Wenn
bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung
zur Beeinflussung der Steuerzeiten an einer Brennkraftmaschine zusätzlich zu
der Veränderung der
Drehlage einer Nockenwelle mittels einer Stellvorrichtung die den
Einlaßventilen
zugeordneten Nocken auf der Nockenwelle begrenzt verschwenkbar gehalten
sind, so lassen sich hiermit deutliche Fortschritte in Richtung
auf einen verbesserten Luftliefergrad einer Brennkraftmaschine erzielen.
Dieses wird erreicht durch die vergleichsweise große Winkelverstellung
an der Nockenwelle. Eine interne Abgasrückführung zur Verbesserung der
Abgasemissionen läßt sich
hierbei insbesondere durch die Veränderung der Drehlage der Nockenwelle
erzielen. Weitere Verbesserungen sind bezüglich des Leerlaufes erzielt,
ebenso steigt das Drehmoment der Brennkraftmaschine.
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Die
Erfindung ist vorteilhaft sowohl bei Brennkraftmaschinen mit einer
wie auch mit mehreren Nockenwellen anwendbar.
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Im
Falle einer einzigen, Einlaß-
und Auslaßventile
betätigenden
Nockenwelle sind die dem Einlaß dienenden
Nocken verschwenkbar gehalten und diese gemeinsam mit den den Auslaßventilen
zugeordneten, starren Nocken mittels der Stellvorrichtung gegenüber der
Kurbelwelle verdrehbar. Infolgedessen wird das gesamte Steuerdiagramm über den Kurbelwinkel
verschoben, wodurch beispielsweise unter jeweils gesonderter Abstimmung
auf die einzelne Brennkraftmaschine ein verbessertes Ansprechverhalten
eines Abgaskatalysators erreicht werden kann.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches anhand einer Zeichnung näher erläutert wird.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer Nockenwelle mit schwenkbaren Nocken und einer
Stelleinrichtung,
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2 den
Verlauf von Ventilerhebungskurven über dem Kurbelwinkel,
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3 einen
Querschnitt durch eine Nockenwelle mit schwenkbaren Nocken und einem
Gaswechselventil und
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4 den
drehzahlabhängigen
Verlauf einer Ventilerhebungskurve eines Gaswechselventiles nach 3.
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Eine
nicht gezeigte Brennkraftmaschine weist zwei obenliegende Nockenwelle
auf, von welchen eine Nockenwelle 1 als Einlaßventile 2 ausgebildete
Gaswechselventile periodisch betätigt.
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Diese
Nockenwelle 1 wird von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
mittels eines Endlostriebes angetrieben, wobei die Drehmomenteinleitung über ein
Rad 3 dieser Nockenwelle 1 erfolgt. Mittels eines
Zwischenstückes 4 wird
diese Drehbewegung zunächst
einer Verstelleinrichtung 5 zugeführt, welche von einem Regler 6 in
Abhängigkeit
der Brennkraftmaschinendrehzahl N und eines Lastsignales L angesteuert
wird. Abtriebsseitig dieser Verstelleinrichtung 5 wird
die Drehbewegung in nicht gezeigter Weise koaxial durch das Zwischenstück 4 auf die
Nockenwelle 1 übertragen.
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Die
in 1 gezeigte Nockenwelle 1 findet Verwendung
in einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit jeweils zwei Einlaßventilen 2 pro
Zylinder.
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Diese
Einlaßventile 2 eines
Zylinders werden jeweils von einem schwenkbaren Nocken 7 betätigt, wobei
jeweils zwei dieser Nocken 7 gemeinsam auf einer Hülse 8 starr
angeordnet sind, wobei diese Hülse 8 gegenüber der
Nockenwelle 1 begrenzt verschwenkbar angeordnet ist.
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Die
Funktionsweise der verschwenkbaren Nocken 7 ist am besten
aus 3 ersichtlich, wobei hier ein Querschnitt durch
eine Nockenwelle 1 für eine
Brennkraftmaschine mit lediglich einem Einlaßventil 2 pro Zylinder
unter Entfall der Hülse 8 gezeigt ist.
Jeder Nocken 7 weist eine zylindrische Durchgangsöffnung 9 zur
Aufnahme der Nockenwelle 1 auf. Von dieser Durchgangsöffnung 9 aus
erstreckt sich eine Ausnehmung 10 über den Schwenkbereich α in dem Nocken 7.
In diese greift ein fest mit der Nockenwelle 1 verbundenes
Anschlagelement 11 derart ein, daß der Schwenkbereich α des Nockens 7 zwischen
einer minimalen Ventilöffnungsdauer
mit einem frühen
Einlaßschluß und eine
maximale Öffnungsdauer
mit einem späten
Einlaßschluß drehzahlabhängig festgelegt
ist.
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Dieser
Effekt ist anhand von 4 erkennbar, in welcher der
Ventilhub H über
dem Kurbelwinkel K aufgetragen ist.
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Bei
Rotation der Nocken 7 bzw. der Nockenwelle 1 in
Betriebsdrehrichtung R nimmt die Nockenwelle 1 mittels
des Anschlagelementes 11 beim Übergang von einem Grundkreis 12 des
Nockens 7 auf eine Öffnungsflanke 13 diese
synchron mit. Hiermit korrespondiert eine Anstiegsflanke 14 der
Ventilerhebungskurve gemäß 4.
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Nach
Erreichen des maximalen Ventilhubes H überdrückt eine Ventilschließfeder 15 diese
Rotation derart, daß der
Nocken 7 aufgrund seiner Schwenkbarkeit kurzfristig schneller
rotiert als die Nockenwelle 1, wobei das Anschlagelement 11 die Ausnehmung 10 bis
zur Anlage an deren gegenüberliegendem
Ende durchfährt.
Infolgedessen fällt
die Ventilhubkurve vergleichsweise steil ab, da eine Schließflanke 16 während eines
vergleichsweise kleinen Kurbelwinkels K zur Wirkung kommt. Hiermit korrespondiert
eine Abstiegsflanke 17 gemäß 4.
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Bei
steigender Brennkraftmaschinendrehzahl N verschiebt sich die Abstiegsflanke 17 in
Richtung auf einen späten
Einlaßschluß, d. h.
bei Überschreiten
einer bestimmten Drehzahl N stellt sich die in 4 ganz
rechts gezeigte Flanke 17 ein, wobei die sich dabei einstellende
Ventilerhebungskurve einem starren Nocken entspricht.
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Durch
die Betätigung
der Verstelleinrichtung 5 während des Betriebes der Brennkraftmaschine lassen
sich die durch die schwenkbaren Nocken 7 erzielten Vorteile
noch weiter verstärken.
Durch eine Relativverdrehung der Nockenwelle 1 gegenüber der parallel
dazu verlaufenden zweiten, dem Auslaß dienenden Nockenwelle werden
die Einlaßventilerhebungskurven
im Steuerdiagramm gegenüber
den Auslaßventilerhebungskurven
verschoben, wie in 2 ersichtlich. Hierin ist eine
feste, den Auslaßventilen
zugeordnete Ventilerhebungskurve 20 und eine den Einlaßventilen 2 zugeordnete
Ventilerhebungskurve 21 zu erkennen, wobei zwischen beiden ein
Ventilüberschneidungsbereich 22 vorliegt.
In 2 ist mit den Kurvenzügen 20 und 21 eine
vergleichsweise geringe Ventilüberschneidung
dargestellt, d. h. die Einlaßventilerhebungskurven
sind in Richtung "Spät" verstellt. Eine
Relativverdrehung der Nockenwelle 1 mittels der Verstelleinrichtung 5 bewirkt
ein Verschieben der Ventilerhebungskurve 21 in Richtung "Früh" wie sie beispielhaft
in 2 durch den strichpunktiert dargestellten Kurvenzug 23 repräsentiert
wird. Drehzahlabhängig überlagert
sich den Kurvenzügen 21 bzw. 23 auf
der Abstiegsflanke 17 der anhand von 4 erläuterte Effekt
des in Richtung "Spät" verschobenen Einlaßschlusses.
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Sollte
bei abgestellter Brennkraftmaschine deren Kurbelwelle entgegen der
Betriebsdrehrichtung R bewegt werden, wie es beispielsweise in einem
mit einer solchen Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeug
bei eingelegter Fahrstufe an einem Berghang vorkommen kann, so tritt
folgender Effekt auf. Infolge der schwenkbaren Lagerung der Nocke 7 stellt
sich für
die Einlaßventile 2 eine
Ventilerhebungskurve 24 ein, wie sie in 4 gestrichelt dargestellt
ist. Diese ist in etwa spiegelbildlich zu der Ventilerhebungskurve 21 zu
sehen, d. h. einem Anstieg gemäß der Abstiegsflanke 17 bei
maximaler Drehzahl folgt eine um den Schwenkbereich α am Kurbelwinkel
verschobene maximale Ventilerhebung mit einem daran anschließenden,
vergleichsweise steilen Abfall etwa gemäß der links in 4 gezeigten
Flanke 17 bei einer minimalen Drehzahl. Der Einfachheit
halber kann angenommen werden, daß der Kurvenzug 23 in 2 mit
der Ventilerhebungskurve 24 gemäß 4 übereinstimmt.
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In 2 ist
zusätzlich
eine Kolbenwegkurve 25 über
dem Kurbelwinkel K aufgetragen, wie sie für eine Dieselbrennkraftmaschine
typisch sein kann. Die jeweiligen Umkehrbereiche der Kurven 20, 21 und 25 können als
maximale Eindringung der Ventile bzw. des Kolbens in den Brennraum
interpretiert werden, d. h. im Falle der späten Ventilerhebungskurve 21 kommt
es zu keiner Kollision zwischen Einlaßventilen und Kolben. Deutlich
wird jedoch eine Kollision zwischen Kolben und Einlaßventilen
im Falle der Kurvenzüge 23 bzw. 24,
d. h. im Falle des zuvor beschriebenen Drehens der Nockenwelle 1 entgegen der
Betriebsdrehrichtung R.
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Hier
greift vorteilhaft die Erfindung derart ein, daß es trotz der ungünstigen
Lage der Ventilerhebungskurve 24 zu keiner Kollision kommt,
da in diesem niedrigen Drehzahlbereich, bzw. bei Stillstand die
Verstelleinrichtung 5 die Nockenwelle 1 in Richtung "Spät", d. h. in Richtung
auf den Kurvenzug 21 verstellt. Somit ist eine die Brennkraftmaschine
dauerhaft schädigende
Kollision zwischen Ventilen und Kolben sicher verhindert.