DE2550848A1

DE2550848A1 - Ventilsteuerung fuer einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2550848A1
Application number: DE19752550848
Authority: DE
Inventors: Bohdan Kostecki
Original assignee: KOSTECKI
Current assignee: KOSTECKI
Priority date: 1974-11-12
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1976-05-13
Also published as: FR2291352B1; JPS5172817A; JPS5523326B2; CA1056241A; GB1527743A; FR2291352A1

Description

Bohdan Kostecki, 21 Bath Road, Morley. W.A. 6062, Australien Eugene Kostecki, 31 Hull Road, Morley. W.A. 6062, Australien

Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor, und zwar ein einstellbares Nockensystem für Verbrennungskraftmaschinen.

Konventionelle Maschinen haben für normale Umdrehungszahlen und Lastbedingungen, die während der Lebensdauer des Motors auftreten, feste Ventilsteuerzeiten. Eine solche feste Ventileinstellung ist in einem kleinen Spektrum normaler Betriebsbedingungen normal. Dieses hat zur Folge, daß bei Arbeitsweise des Motors außerhalb des optimalen Ventileinstellbereiches die Maschine unwirtschaftlich arbeitet und eine über

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dem normalen Maß liegende Umweltverschmutzung bewirkt. Der thermische Wirkungsgrad des Motors leidet darunter und sinkt ab.

Seit Jahren sind verschiedene Ventilsteuerungen theoretisch bekannt. Um jedoch eine Lösung zu verwirklichen, müssen komplexe und aufwendige Maßnahmen getroffen werden.

Es sind Steuersysteme bekannt geworden, bei denen zwar der Bereich, in dem keine Änderung der Ventilstellung erfolgt, gesteuert ist, doch verbleibt die Ventilüberschneidung fest. Wenn umgekehrt die Ventilüberschneidung gesteuert ist, ist die Ventilruhezeit wiederum fest. Soweit bekannt ist, findet bei bekannten Steuerungssystemen keine Steuerung sowohl der Ventilruhezeit als auch der Ventilüberschneidung statt, und es ist auch keine Steuerung des tatsächlichen Ausmaßes der Ventilöffnung vorhanden.

Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Ventilsteuerung zu schaffen, welche die Steuerung sowohl der Ventilüberschneidung als auch der Ventilruhezeit gestattet, und mittels welcher außerdem das Ausmaß der Ventil-Öffnung zu variieren ist, um auf diese Weise den thermischen Wirkungsgrad des Motors in einem breiteren Bereich von Betriebsbedingungen zu verbessern und darüber hinaus die Abgabe von Luftverunreinigungen zu steuern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch zwischen einem Nocken und einem Ventil angeordnete Steuerhebel, die derart drehbar sind, daß eine Flanke des Nockens sie in einem Motorzyklus früher oder später berührt, und die über einen Kipphebel oder Dxuckkolben das Ventil betätigen; und durch Mittel zum Steuern der Drehbewegung der Steuerhebel.

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Weitere Lösungen bzw. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf Viertaktmotoren bezieht, daß sie jedoch ebenso auf Zweitaktmaschinen mit Ventilsteuerung anzuwenden ist.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert, wobei die Figuren 1 bis 3 bevorzugte Ausgestaltungen beispielhaft zeigen, welche die Erfindung jedoch in keiner Weise irgendwie begrenzen.

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. ν.

Fig. 1 zeigt zwei zwischen einer Nockenwelle 1 und einem Kipphebel 4 angeordnete Steuerhebel 2 und 3. Die Steuerhebel 2, 3 haben einen Schwenkpunkt 5, der den Kipphebel 4 und die Steuerhebel 2 und 3 verbindet.

Wenn eine Veränderung der Ventilsteuerzeit erforderlich ist, werden die Steuerhebel 2 und 3 um den Schwenkpunkt 5 in eine neue Stellung gedreht, indem sie durch vertikale Steuerhebel-Einstellstangen 6 und 7 angehoben werden.

Wenn dieses getan ist, dreht die Flanke des betreffenden Nockens der Nockenwelle 1 durch weniger Grade, d.h. also einen geringeren Bogen, bevor sie mit dem Steuerhebel 2 in Berührung kommt. Da die Flanke des Nockens der Nockenwelle 1 einen Druck auf den Steuerhebel 2 ausübt, übt der Steuerhebel 2 seinerseits einen Druck auf den Schwenkpunkt 5 und den Kipphebel 4 aus. Der Kipphebel 4 beginnt sodann, ein Ventil 8 herunterzudrücken. Das hat zur Folge, daß das Ventil 8 in dem Viertaktzyklus eher zu arbeiten beginnt als bei Leerlaufdrehzahl. Um wieviel eher das Ventil 8 zu arbeiten beginnt, hängt davon ab, um wieviel die Steuerhebel-Einstellstange 6 angehoben worden ist.

Wenn der Vorsprung des Nockens der Nockenwelle 1 den Steuerhebel

2 verläßt, gelangt er auf den Steuerhebel 3. Dieser Steuerhebel

3 steuert mittels Hilfe einer Ventilfeder 9 das Schließen des Ventils 8. Dabei hängt der Punkt, an dem das Ventil 8 tatsächlich schließt, davon ab, um wieviel die Steuerhebel-Einstellstange 7 abgesenkt oder angehoben worden ist.

Mit 10 ist der Schwenkzapfen des Kipphebels 4 bezeichnet. Bei und 12 handelt es sich um Steuerhebel-Federn, die sicherstellen daß die Steuerhebel 2 und 3 stets in Berührung mit den Steuer-

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hebel-Einstellstangen 6 bzw. 7 sind. Eine Kipphebel-Feder ist mit 13 bezeichnet, während es sich bei dem Teil 14 um den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors handelt.

Die Ausbildung gemäß Fig. 2 ist im wesentlichen gleich zu der Ausbildung gemäß Fig. 1 und unterscheidet sich von letzterer dadurch, daß der Kipphebel 4 und der Kipphebel-Schwenkzapfen 10 durch einen Druckkolben ersetzt worden sind.

Die Ausbildung gemäß Fig. 3 arbeitet in gleicher Weise wie die Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 und 2, mit der Ausnahme, daß der Schwenkpunkt 5 an den Steuerhebel-Einstellstangen 6a und 7a angeordnet ist, und daß die Steuerhebel-Federn 11 und 12 durch Steuerhebel-Federn 11a und 12a ersetzt worden sind.

Die Steuerhebel 2 und 3 überlappen einander und die Überlappungsverbindung ruht auf dem Druckkolben 4a. Wenn sich die Nockenwelle 1 dreht, kommt der Nockenvorsprung zunächst mit dem Steuerhebel 2 in Berührung und preßt ihn auf den Druckkolben 4a, der sodann das Ventil 8 hinunterdrückt. Die Steuerhebel 2 und 3 bleiben aufgrund der Steuerhebel-Federn 11a und 11b stets mit dem Druckkolben 4a in Kontakt.

Wenn der Nocken der Nockenwelle 1 sich von dem Steuerhebel 2 hinunterbewegt, gelangt er auf den Steuerhebel 3. Die Steuerhebel 2 und 3 sind durch Steuerhebel-Einstellstangen 6a und 7a. gesteuert, welche vertikal eingestellt sind, um die Steuerhebel 2 und 3 hinsichtlich der im Betrieb des Motors wünschenswertesten Ventileinstellung einzustellen.

Bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten Ausgestaltung

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arbeitet der in Fig. 3 dargestellte und vorstehend beschriebene Mechanismus mit einem Kipphebel gemäß Fig. 1 zusammen. Hier wird die Verbindung der Steuerhebel 2a und 3a von dem Kipphebel gestützt und die Nockenwelle 1 arbeitet wie oben beschrieben.

Jede der oben erwähnten Ausgestaltungen kann auch bei einem Motor mit geschichtetem Kopf (stratified head engine) verwendet werden. Auf diese Weise kann eine variable Schichtung erhalten werden.

Sowohl die gegenwärtigen Hubkolbenmotoren als auch die Kreiskolbenmotoren haben den Nachteil fester Nockenprofile, was für alle Drehzahlen und Lastbedingungen eine feste Ventilsteuerung und fest vorgegebene Zonen der Nockenbahn, bei welchen keine Änderungen der Ventilstellung erfolgt, mit sich bringt. Das hat zur Folge, daß diese Motoren nur innerhalb begrenzter Drehzahl- und Lastbereiche ordnungsgemäß abgestimmt bzw. eingestellt sind. Wenn die Maschinen dagegen außerhalb dieser begrenzten Bereiche arbeiten, erleiden sie einen Leistungsverlust sowie einen Verlust an Brennstoffeffizienz, was ein beachtliches Anwachsen an ausgestoßenen Verunreinigungen wie Kohlenmonoxyd , Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxydul im Abgas zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil der Verbrennungsmotoren herabzusetzen.

Demgemäß wird bei einem derartigen Motor jedes der Ventile durch die Wirkung eines Konus bzv/. Kegels oder Keils bzw. Knaggen heruntergedrückt, der längs einer Welle gleitet, die im rechten Winkel zum Ventilschaft steht. Die Gleitbewegung des Kegels bzv/. Konus oder Keils wird durch einen Schwenkarm

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bzw. Kipphebel (Ventilstößel) bewirkt, der an einer Scheibe befestigt ist, die sich im rechten Winkel zur Welle und auf der selben Achse wie die Welle dreht. Ein Ende des Kipphebels sitzt auf der Welle und steht in direktem Kontakt mit dem Konus oder Keil. Das gegenüberliegende Ende des Kipphebels steht durch eine Öffnung in der Außenseite der drehenden Scheibe vor und dreht bzw. schwenkt in dieser. Die dbrehende Scheibe kann entweder durch ein Getriebe bzw. ein Zahnrad, eine Kette oder einen Riemen angetrieben sein und dreht mit halber Kolbengeschwindigkeit (hin- und hergehende Bewegung). Die Scheibe dreht in einer parallelen Ebene zu einer einstellbaren, profilierten Platte (Plankurve). Der Kipphebel wird aktiviert, wenn das durch die Drehscheibe vorstehende Ende mit der einstellbaren Profilplatte in Berührung kommt. Die zeitliche Länge bei jeder Umdrehung, während welcher der Kipphebel aktiviert wird, kann durch Veränderung bzw. Einstellung der Stellung der einstellbaren Profilplatte oder Steuerkurve variiert werden. Die Platte kann entweder dadurch eingestellt werden, daß sie rechtwinklig zur Welle verschoben und/oder um die Wellenachse gedreht wird. Diese Einstellungen oder irgendeine Kombination davon, bestimmen, wann und wielange der Kipphebel im Verlaufe irgendeiner bestimmten Drehung aktiviert wird. Dieses bestimmt die Einstellung der Ventilsteuerzeit, d.h. also der Öffnungszeit und der Schließzeit bzw. der Ruhezeit, in welcher das Ventil im Schließzustand verbleibt. Die Kanten der einstellbaren profilierten Platte sind abgeschrägt, um den Stoß des vorstehenden Endes des Kipphebels auf ein Minimum herabzusetzen. Der Konus oder Keil kehrt in seine ursprüngliche Stellung zurück, wenn der Kipphebel aufhört, mit der Steuerfläche in Berührung zu sein. Dieses wird durch Wirkung einer Feder bewirkt, die auf der gegenüberliegenden Seite des Konus oder Keils um die Welle zum Kipphebel angeordnet ist.

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Eine andere Anwendung dieser Erfindung ist die Verwendung eines Hebelarmsystems. Bei einer solchen Anordnung gleitet der oben beschriebene Konus oder Keil nach Aktivierung durch die Steuerfläche, den Kipphebel und den Scheibenmechanismus längs der Welle und drückt auf einen Hebel, der an einem Schwenkpunkt des Gehäuses befestigt ist. Die Gleitwirkung des Konus oder Keils zwingt den Hebel um seinen Schwenkpunkt zu drehen und indem er dieses tut, drückt er auf den Ventilschaft und bewirkt ein Heben des Ventils.

Der Hebelarm kehrt in seine ursprüngliche Stellung zurück, wenn der Kipphebel davon abläßt, in Berührung mit der Steuerfläche zu sein. Dieses wird durch eine Rückholfeder am Ventil hervorgerufen, welche bewirkt, daß der Hebelarm zurückschwenkt und dabei sich selbst sowie den Konus oder Keil in die Originalstellungen zurückkehren läßt.

Eine Einstellung der Ventilsteuerzeiten und der Nockenruhebereiche kann in der oben beschriebenen Weise durch Bewegung der Steuerfläche erfolgen.

Eine andere Anwendung bzw. ein anderer Teil der Erfindung besteht in der Konstruktion des Kipphebels, der Drehscheibe sowie des Konus oder Keils mit oder ohne Hebel als eine Einheit. Diese besteht aus einer Drehscheibe, bei welcher ein Knopf an einer Seite vorsteht. Die Scheibe ist auf eine drehbare Welle aufgekeilt, entlang welcher sie gleiten kann. Die Welle ist so übersetzt, daß sie mit der halben Kolbengeschwindigkeit (hin- und hergehende Bewegung) dreht und ist derart angeordnet, daß ihre Achse rechtwinklig zu derjenigen der Ventilfläche steht. Die Steuerfläche ist oberhalb des Knopfes angeordnet. Wenn die Drehscheibe (die den Knopf aufweist) dreht, kommt der Knopf in Berührung mit der Steuerfläche, die Scheibe gleitet die Welle

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herunter und drückt das Ventil hinunter. Eine Ventilfeder sorgt dafür, daß das Ventil und die Drehscheibe in ihre Ausgangsstellungen zurückkehren, sobald der Knopf aufhört, in Berührung mit dem Nocken zu sein.

Eine Einstellung der Ventilsteuerung und den Nockenruhezeiten kann in der oben beschriebenen Weise durch Bewegung der Steuerfläche erfolgen.

Eine weitere Anwendung bzw. Teil dieser Erfindung ist die Benutzung bzw. Verwendung eines hydraulischen Systems. Die Steuerfläche, der Kipphebel und die Scheibe werden in der gleichen Weise benutzt, wie dieses weiter oben beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß der Kipphebel einen Kolben in ein hydraulisches System drückt. Der Druck in dem hydraulischen System aktiviert einen anderen Kolben, der über dem Ventil angeordnet ist und das Ventil hinunterdrückt. Wenn der Kipphebel davon abläßt, an der Steuerfläche zu bleiben, bewegt sich der mit dem einen Ende des Kipphebels in Berührung stehende Kolben zurück in seine Ausgangsstellung und die Rückstellfeder auf dem Ventil drückt den Kolben in Berührung mit dem Ventil zurück in das hydraulische System.

Die Ventilsteuerung- bzw. Einstellung und die Ruhezeiten, in denen keine Ventilbetätigung erfolgt, können durch Bewegung der Steuerfläche bewirkt werden, wie dieses weiter oben beschrieben ist.

Ei,ne weitere Anwendung bzw. ein weiterer Teil dieser Erfindung liegt in einem elektrischen System.

Die profilierte Platte ist flach bzw. eben und besteht aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die Drehscheibe ist

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isoliert und trägt an ihrer einen Seite einen elektrischen. Kontaktpunkt, der über die Seite vorsteht. Der Kontaktpunkt ist mittels Bürsten oder elektrischer Schleifringe mit einem Elektromagneten verbunden, der benachbart dem Ventilschaft angeordnet ist. Eine Stahlplatte ist am Ventilschaft befestigt. Wenn die Scheibe rotiert, kommt der elektrische Kontaktpunkt mit der elektrisierten Steuerfläche in Kontakt und schließt einen Kreis, der den Elektromagneten mit Energie versorgt. Das sich hieraus ergebende elektromagnetische Feld ist hinreichend stark, um die Stahlplatte so zu bewegen, daß sie das Ventil hinunterdrückt. Das Ventil kehrt in seine ursprüngliche Ausgangsstellung durch eine Rückstellfeder zurück, nachdem der Kreis unterbrochen ist, indem der Kontaktpunkt davon abläßt, in Kontakt mit der elektrisierten Steuerfläche zu sein.

Die Ventileinstellung und die Einstellung der Ruhezeiten kann dadurch erfolgen, daß eine Isolierscheibe zwischen die elektrisierte Profilplatte und die Drehscheibe geschoben wird.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, haben die ■ Steuerhebel 2 und 3 einen gemeinsamen Schwenkpunkt 5. Bei einer alternativen Ausgestaltung können die Steuerhebel 2 und 3 gesonderte Schwenkpunkte aufweisen, die mittels einer Brücke verbunden sind. Dieses ermöglicht es den Nocken, den Steuerhebel 2 zu verlassen, von dort auf die Brücke zu gelangen, und von der Brücke auf den Steuerhebel 3 überzuwechseln. Diese Brücke ist am Kipphebel oder an der Stoßkolbenanordnung befestigt.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind unter anderem die folgenden:

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1. Eine beinahe perfekte Ventileinstellung bei allen Betriebsbedingungen von Motoren;

2. Ein wirtschaftlicher Betrieb von Motoren

(dieses ergibt sich aufgrund des thermischen Wirkungsgrades, der unter nahezu allen Betriebsbedingungen hoch bleibt);

3. Eine einfache Anpassung der Erfindung an konventionelle Motorkonstruktionen;

4. Steuerung der Abgase, was zu einer Reduzierung der Umweltverschmutzung führt;

5. Gleichmäßigeres Drehmoment und gleichmäßigere Ausgangsleistung über einen größeren Drehzahlbereich und einen größeren Bereich von Belastungsbedingungen; und

6. es wird eine variable Schichtung (stratification) bei einem Motor mit geschichtetem Kopf erreicht, so daß demgemäß ein solcher Motor schnell auf Betriebstemperatur kommt und diese Temperatur niedriger hält, wodurch Umweltverschmutzungen, insbesondere Stickstoffoxyde, vermindert werden.

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Claims

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1. Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch zwischen einem Nocken (an 1) und einem Ventil (8) angeordnete Steuerhebel (2, 3), die derart drehbar sind, daß eine Flanke des Nockens sie in einem Motorzyklus früher oder später berührt, und die über einen Kipphebel (4) oder Druckkolben (4a) das Ventil (8) betätigen; und durch Mittel (6, 7, 11, 12; 6a, 7a, 11a, 12a) zum Steuern der Drehbewegung der Steuerhebel (2, 3).

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerhebel (2, 3) um einen Schwenkpunkt (5; 5a, 5b) drehbar sind.

3. Ventilsteuerung nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steuerhebel-Federn (11, 12; 11a, 12a), die sicherstellen, daß die Steuerhebel (2, 3) in direkter Berührung mit dem Kipphebel (4) oder Druckkolben (4a) sind.

4. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Steuerhebel (2, 3) ein mittels einer Brücke verbundener Schwenkpunkt vorhanden ist, wobei die Brücke an dem Kipphebel oder Druckkolben befestigt ist.

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5. Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch eine stationäre Profilplatte, mit deren Stellung die Ventilsteuerzeiten des Motors zu verändern sind, wobei ein als Kipphebel arbeitender Steuerhebel in einer drehbaren Scheibe angelenkt ist, die bei einer Ausbildung des Motors als Viertaktmaschine mit halber Motorgeschwindigkeit und bei Ausbildung als Zweitaktmaschine mit voller Motorgeschwindigkeit dreht, und wobei das eine Ende des Kipphebels durch die Scheibe ragt und die Profilplatte berührt, während das andere Ende des Kipphebels mit einem Betätigungsmechanismus in Berührung steht, der die Ventilbewegung des Motors durchführt.

6. Ventilsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus entweder ein Hebelsystem oder ein Konus- bzw. Keilsystem oder ein hydraulisches System ist.

7. Ventilsteuerung nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsmechanismus als eine Einheit ausgebildet ist und aus der Scheibe besteht, an deren einer Seite ein Knopf vorsteht, wobei die Scheibe auf eine drehende Welle aufgekeilt ist, längs welcher sie gleiten kann, wenn der Knopf in Berührung mit der Profilplatte ist.

8. Ventilsteuerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilplatte eben ausgebildet ist und aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht, wobei die drehende Scheibe zu der Platte elektrisch isoliert ist und ein elektrisierter Kontaktpunkt durch die Scheibe ragt, der in elektrischem Kontakt ist und einen Elektromagneten betätigt, der benachbart zu dem Ventilschaft angeordnet ist; daß am Ventilschaft eine Stahlplatte befestigt ist; daß der Elektromagnet benachbart der Stahlplatte

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angeordnet ist, so daß bei Betätigen des Elektromagneten das Magnetfeld derart ist, daß es die Stahlplatte bewegt und dabei das Ventil betätigt; und daß zwischen den Seiten der Profilplatte und der drehenden Scheibe eine Isolierscheibe angeordnet ist, so daß jegliche Bewegung der Isolier scheibe die Ventilsteuerzeit verändert.