DE19651806C2 - Ventilbetrieb für Gaswechselventile in Hubkolbenmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Ventiltrieb für Gas­ wechselventile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Betätigung von Gaswechselventilen erfolgt im allgemei­ nen mit Hilfe von Nockenwellen, die exzentrische Erhebungen aufweisen. Diese üben, gegebenenfalls über einen Betäti­ gungsmechanismus, eine Druckkraft auf die Ventile aus, um diese zu öffnen. Das Schließen der Ventile erfolgt über Ventilfedern. Damit die Ventile auch bei einer Längenaus­ dehnung infolge Erwärmung immer sicher schließen, muß zwi­ schen dem Nocken der Nockenwelle und dem Ventil ein Ventil­ spiel vorgesehen werden, welches von Zeit zu Zeit manuell nachzustellen ist oder über einen hydraulischen Ventil­ spielausgleich automatisch eingestellt wird.

Ein gattungsgemäßer Ventiltrieb ist aus Fig. 4 der DE-OS 20 61 481 bekannt. Dabei übt die Steuerwelle über eine Rol­ le und einen starren Korb eine in Schließrichtung auf das Ventil wirkende Zugkraft aus. Das Öffnen des Ventils er­ folgt in gesteuerter Weise durch elastische Mittel, z. B. eine Feder oder Druckmitteldruck. Diese Konstruktion be­ dingt verhältnismäßig große oszillierende Massen und ist für den Einsatz von Verstellgliedern zum Steuern der Öff­ nungszeiten der Ventile ebenso ungeeignet wie die bekannten Ventiltriebe, bei denen die Ventile durch starre Druckstö­ ßel gegen Federkraft geöffnet werden, selbst wenn diese ge­ mäß DE-PS 555 943 über schwenkbar gelagerte Hebel und eine an sich leichte Blattfeder auf das Ventil wirken.

In jüngerer Zeit wurden verschiedene variable Nockenwellen­ steuerungen entwickelt, mit Hilfe derer die Steuerzeiten, d. h. die Öffnungsdauer der Ein- und Auslaßventile, in Ab­ hängigkeit von den Betriebsparametern einstellbar sind. Va­ riable Ventilsteuerungen basieren entweder auf einer Rela­ tivverdrehung zwischen Nocken- und Kurbelwelle oder auf zu­ sätzlichen Elementen, die zwischen Nockenwelle und Ventilen angeordnet sind. Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen verschiedene Nocken auf der Nockenwelle einzeln angesteuert werden können, um damit den Ventilhub und die Steuerzeiten zu verstellen.

Soll zur Verstellung der Steuerzeiten die Nockenwelle rela­ tiv zur Kurbelwelle verdreht werden, besteht das Problem, daß sich die Nockenwelle immer mit halber Kurbelwellendreh­ zahl dreht, so daß das Verstellglied zwischen zwei sich drehende Teile eingebracht werden muß. Dies führt zu einem hohen Aufwand, da der Energiefluß über Drehverteiler einge­ bracht und außerdem über die Verstellmechanik das Antriebs­ moment für die Nockenwelle übertragen werden muß.

Werden zwischen Nockenwelle und Ventilen variierbare Ele­ mente zur Beeinflußung der Steuerzeiten vorgesehen, erhöhen sich die oszillierenden Massen des Ventiltriebes erheblich. Große oszillierende Massen führen zu einem erhöhten Ver­ schleiß des Ventiltriebes, der mit größeren Energiever­ lusten und einer höheren Geräuschentwicklung einhergeht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ventiltrieb der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem kleinere Massen als bisher üblich translatorisch bewegt werden und der sich auch für eine Ausgestaltung als varia­ ble Nockenwellensteuerung eignet.

Vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb müssen zum Öffnen des Ventils neben dessen Masse nur die anteilige Masse der Ven­ tilfeder und die biegsamen Zugmittel translatorisch bewegt werden, wobei sich letztere als Stahlband oder Stahlseil extrem massearm fertigen lassen. Der neue Ventiltrieb ar­ beitet verschleiß- und geräuscharm.

Die weitere Zielsetzung der Erfindung, den Ventiltrieb so ausgestalten zu können, daß die Steuerzeiten des betätigten Ventils in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Hub­ kolbenmotors ohne Erhöhung der oszillierenden Massen vari­ iert werden können, läßt sich dadurch erreichen, daß der Umschlingungswinkel der biegsamen Zugmittel im Umschlin­ gungsbereich in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Hubkolbenmotors variiert wird.

Infolge des unterschiedlichen Radius der Steuerwelle kann mit Hilfe dieser Maßnahme die Öffnungszeit des Ventils in einem weiten Bereich verändert werden. Es ist auch ohne weiteres möglich, die Zugmittel völlig aus dem Eingriffsbe­ reich der Steuerwelle zu bringen. Dies kann dann von Vor­ teil sein, wenn man den zugehörigen Zylinder abschalten möchte.

Vorzugsweise hat die Steuerwelle im jeweiligen Umschlin­ gungsbereich einen über einen bestimmten Winkel ausgespar­ ten Kreisquerschnitt mit einer Vorlaufkante und einer Nach­ laufkante. Eine derartige Steuerwelle läßt sich sehr ein­ fach und kostengünstig herstellen, da aus einer kreisrunden Welle lediglich die Aussparungen ausgefräst werden müssen. Damit läßt sich die Steuerwelle auch wesentlich einfacher als herkömmliche Nockenwellen herstellen.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß innerhalb der Zugmittel Elastizitäten vor­ gesehen sind, die bei geschlossenem Ventil für eine Zug­ spannung innerhalb der Zugmittel sorgen, wobei die Federra­ ten der Elastizitäten deutlich über der Federrate der Ven­ tilfedern liegen.

Der Vorteil derart ausgestalteter Zugmittel liegt darin, daß das Ventil auch dann sicher an seinem Sitz anliegt, wenn es infolge von Erwärmungen zu einer Längung des Ven­ tilschaftes gekommen ist. Diese Längung wird durch die Ela­ stizitäten der Zugmittel aufgefangen. Ein komplizierter hy­ draulischer Ventilspielausgleich oder eine regelmäßige ma­ nuelle Kontrolle des Ventilspiels kann somit entfallen. Zur Erzeugung der Elastizität können die Zugmittel an der Ver­ bindungsstelle mit dem Ventil ein elastisches Element auf­ weisen.

Wesentlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Schaffung eines variablen Ventiltriebs, der trotz der Verstellbarkeit der Steuerzeiten die oszillierenden Massen nicht vergrößert. Es ist daher weiterhin vorgesehen, daß die gehäuseseitigen Befestigungspunkte der Zugmittel zumin­ dest einiger Ventile auf einer Evolventenbahn um den Kreis­ radius der Steuerwelle verstellbar sind.

Der Abstand des Befestigungspunktes der über den unausge­ sparten Kreisquerschnitt der Steuerwelle laufenden Zugmit­ tel vom Ventilsitz bleibt dabei unabhängig von seiner Posi­ tion auf der Evolventenbahn gleich. Die Variation der Steu­ erzeiten ergibt sich dadurch, daß die Zugmittel über einen größeren Winkel an der Umfangsfläche der Steuerwelle anlie­ gen, wodurch sich die Eingriffszeitpunkte der Vorlauf- bzw. Nachlaufkante verändern.

Vorzugsweise liegen die Befestigungspunkte der Zugmittel mehrerer Ventile auf einer gemeinsamen Achse, die auf der Evolventenbahn verstellbar ist. Damit lassen sich z. B. die Einlaß- und die Auslaßventile untereinander zu Gruppen zu­ sammenfassen, deren Öffnungzeiten für jeden zugehörigen Zy­ linder gleich sind.

Die Verstellung der Achse kann beispielsweise dadurch er­ folgen, daß die Zugmittel mehrerer Ventile an einer Welle befestigt sind, die wenigstens über ein Zahnrad auf einer gekrümmten Zahnstange verstellbar ist, welche auf der Evol­ ventenbahn angeordnet ist. Der Antrieb der Welle kann z. B. mit Hilfe eines kleinen Elektromotors erfolgen.

Zur Verringerung des Materialverschleißes im Bereich der Aussparung und im Bereich der Zugmittel ist es zweckmäßig, daß an der Vorlaufkante und/oder der Nachlaufkante des aus­ gesparten Kreisquerschnittes drehbar gelagerte Rollen vor­ gesehen sind, auf denen die Zugmittel laufen.

Zur Erzielung einer noch größeren Variabilität ist es ohne weiteres denkbar, daß in noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Radien der Steuerwelle im axialen Umschlin­ gungsbereich verstellbar sind. Eine derartige Verstellung kann z. B. mit Hilfe einer Schaltstange erfolgen, die durch die hohle Steuerwelle verläuft und bei axialem Verschieben ein bewegliches Glied im Umschlingungsbereich radial be­ wegt. Damit lassen sich Öffnungszeit und Öffnungshub eines Ventils nahezu beliebig variieren.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ventiltrieb bei geschlossenem Ventil;

Fig. 2 den Ventiltrieb nach Fig. 1 bei geöff­ netem Ventil.

Der in Fig. 1 dargestellte Ventiltrieb besteht aus einem Ventil 10, einer dieses über eine Tellerscheibe 11 in Rich­ tung der geöffneten Stellung vorbelastenden Ventilfeder 12 und einem Stahlband 14, das über ein elastisches Element 16 am Ventilschaft und mit seinem anderen Ende über einen Befestigungpunkt 18 an einer Zahnradwelle 20 befestigt ist. Das Stahlband umschlingt eine sich mit halber Kurbelwellen­ drehzahl drehende Steuerwelle 22, die über einen bestimmten Winkelbereich eine geradlinige Abflachung 24 mit einer Vor­ laufkante 26 und einer Nachlaufkante 28 besitzt. Im Bereich der Vorlauf- bzw. der Nachlaufkante 26, 28 sind drehbar ge­ lagerte Rollen 30 vorgesehen, über welche das Stahlband 14 reibungsarm und mit größerem Knickradius laufen kann. Die Zahnradwelle 20 ist mit Hilfe eines nicht dargestellten Elektromotors auf einer Zahnstange 32 verstellbar, die be­ züglich des unausgesparten Radius der Steuerwelle 22 evol­ ventenförmig gekrümmt ist.

Der vorstehend beschriebene Ventiltrieb funktioniert in der Weise, daß das Stahlband 14 das Ventil 10 gegen die Kraft der Ventilfeder 12 in seinem Ventilsitz 34 im Zylinderkopf 36 geschlossen hält, wenn es die Steuerwelle 22 außerhalb des Bereichs der Abflachung 24 umschlingt. Die exzentrische Abflachung 24 der Welle bewirkt, daß die Länge der Um­ schlingung reduziert wird, sobald die Vorlaufkante 26 das Stahlband 14 erreicht. Dies führt zu einem Hub des Ventils 10, da sich dieses nun unter der Kraft der Ventilfeder 12 öffnen kann. Das Edelstahlband 14 besitzt im Vergleich zu herkömmlichen Tassenstößeln bei nockenbetätigten Ventil­ trieben eine sehr geringe Masse.

Um das Ventil 10 auch nach Erwärmung und damit verbundener Längung des Ventilschafts sicher schließen zu können, ist es sinnvoll, daß das Stahlband 14 eine elastische Vorspan­ nung besitzt. Diese wird durch ein elastisches Element 16 an der Verbindungsstelle zwischen Ventilschaft und Stahl­ band 14 erzeugt. Es wäre jedoch auch denkbar, die elasti­ sche Vorspannung durch eine Dehnung des Bandes 14 selbst, durch ein elastisches Element zwischen Band 14 und Zahnrad­ welle 20 oder durch eine elastisches Element zwischen der Zahnstange 32 und dem Gehäuse (nicht dargestellt) zu erzeu­ gen. Die Vorspannung ist so zu wählen, daß auch die thermi­ sche Ausdehnung der Ventile 10 berücksichtigt wird. Damit entsteht ein sehr einfacher automatischer Ventilspielaus­ gleich, der nur aus einem elastischen Element 16 besteht.

Möchte man die Steuerzeiten des Ventils 10 verändern, kann man die Zahnradwelle 20 auf der Zahnstange 32 verfahren, wodurch sich der Umschlingungswinkel des Bandes 14 um die Steuerwelle 22 ändert. Wird die Zahnradwelle 20 in ihre oberste Stellung S₀ verfahren, in welcher das Stahlband 14 die Steuerwelle 22 lediglich in einem Punkt tangiert, kann das Ventil 10 nicht mehr öffnen. Der gesteuerte Zylinder des Motors kann dadurch abgeschaltet werden. Je weiter die Zahnradwelle 20 von dieser obersten Stellung aus in weitere Stellungen S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ auf der evolventenbahnartigen Zahnstange 32 verfahren wird, desto größer ist der Um­ schlingungswinkel des Stahlbandes 14 um die Steuerwelle 22. Je größer aber der Umschlingungswinkel ist, desto größer ist die Zeit, in welcher ein Teil des Stahlbandes 14 sich im Bereich der Abflachung 24 befindet. Damit kann die Öff­ nungszeit des Ventils verlängert werden.

Der maximale Hub des Ventils bestimmt sich aus der Diffe­ renz des gedachten Kreisumfangs zwischen der Vorlaufkante 26 und der Nachlaufkante 28 und der geradlinigen Verbindung zwischen diesen beiden Punkten. Gegebenenfalls wäre eine radiale Verstellung der Kanten denkbar, um auch bezüglich des Ventilhubes noch weitergehende Verstellmöglichkeiten zu erlangen.

Um zu vermeiden, daß beim Öffnen des Ventils 10 ein Winkel­ versatz des Stahlbandes 14 aus der senkrechten Verlängerung des Ventilschaftes auftritt, durch den gefährliche Quer­ kräfte auf den Ventilkörper auftreten könnten, kann es zweckmäßig sein, das Stahlband 14 zusätzlich in der Verlän­ gerung des Ventilschafts zu führen, z. B. mittels einer Rol­ lenführung.

Es versteht sich, daß sowohl Ausführungen, bei denen sich die Steuerwelle 22 mit Bezug auf die Zeichnung im Uhrzei­ gersinn dreht, wie solche mit entgegengesetzter Drehrich­ tung denkbar sind.

Claims (10)

1. Ventiltrieb für Gaswechselventile in Hubkolbenmotoren mit wenigstens einer mit der Kurbelwelle gekoppelten Steuerwelle zur Steuerung des Ventilhubes, wobei das jeweilige Ventil (10) mit Hilfe von Zugmitteln (14) ge­ gen die Kraft einer Ventilfeder (12) in seine geschlos­ sene Stellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugmittel (14, 16) biegsam sind und zwischen einem ventilseitigen und einem gehäuseseitigen Befestigungs­ punkt (18) die Steuerwelle (22) über einen bestimmten Winkel umschlingen, und daß die Steuerwelle (22) im axialen Umschlingungsbereich einen über den Umfang un­ terschiedlichen Radius besitzt.

2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern der Öffnungszeiten der Ventile (10) der Umschlingungswinkel der biegsamen Zugmittel (14, 16) im Umschlingungsbereich in Abhängigkeit von den Betriebs­ parametern des Hubkolbenmotors veränderbar ist.

3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerwelle (22) im jeweiligen Um­ schlingungsbereich einen über einen bestimmten Winkel ausgesparten Kreisquerschnitt (24) mit einer Vorlauf­ kante (26) und einer Nachlaufkante (28) hat.

4. Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorlaufkante (26) und/oder der Nachlaufkante (28) des ausgesparten Kreisquerschnitts (24) drehbar gelagerte Rollen (30) vorgesehen sind, auf denen die Zugmittel (14) laufen.

5. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Zugmittel (14, 16) Elastizitäten vorgesehen sind, die bei geschlossenem Ventil (10) für eine Zugspannung innerhalb der Zugmit­ tel (14, 16) sorgen, wobei die Federraten der Elastizi­ täten deutlich über den Federraten der Ventilfeder (12) liegen.

6. Ventiltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Elastizität die Zugmittel (14, 16) ein elastisches Element (16) an der Verbindungstelle mit dem Ventil (10)aufweisen.

7. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die gehäuseseitigen Befe­ stigungspunkte (18) der Zugmittel (14, 16) einiger Ven­ tile auf einer Evolventenbahn um den Kreisradius der Steuerwelle (22) verstellbar sind.

8. Ventiltrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungspunkte (18) der Zugmittel (14, 16) mehrerer Ventile (10) auf einer gemeinsamen Achse (20) liegen, die auf der Evolventenbahn verstellbar ist.

9. Ventiltrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zugmittel (14, 16) mehrerer Ventile (10) an einer Welle (20) befestigt sind, die über we­ nigstens ein Zahnrad auf einer gekrümmten Zahnstange (32) verstellbar ist, welche auf der Evolventenbahn an­ geordnet ist.

10. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien der Steuerwelle (22) im axialen Umschlingungsbereich ver­ stellbar sind.