Anmelder: ALFA ROMEO S.p.A.
MAILAND, Italien
"Automatische Vorrichtung zur Veraenderung der
Steuerzeiten eines Verbrennungsmotors"
BESCHREIBUNG
Bekanntlich werden die Einlass- und Auslassventile eines Viertakt- Verbrennungsmotors nur gemaess
dem idealen Steuerdiagramm in Uebereinstimmung mit
- if -
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den Totpunkten der Kolben geoeffnet und geschlossen,
das heisst in Uebereinstimmung mit den Winkelstellungen der Kurbelwelle, bei denen sich
die Kolben in einer ihrer Endlagen befinden.
Bei der praktischen Verwirklichung der Motoren ist dieses ideales Verhaeltnis der Gleichzeitigkeit
nicht eingehalten, um den zahlreichen, wohlbekannten Faktoren, wie der Traegheit der Gase
bzw. der zulaessigen Beschleunigung in den, sich von der geschlossenen in die offene Lage und umgekehrt
bewegenden Ventilen, Rechnung zu tragen.
Die Phaseneinstellung zwischen der Motorwelle und der die Ventile steuernden Steuerwelle wird
im allgemeinen so vorgewaehlt, dass die Motorleistung
fuer eine bestimmte Motordrehzahl am besten ist, doch kann sie bei. anderen Drehzahlen bei dieser
Einstellung unangemessen sein.
Es wurden daher Vorrichtungen zur Veraenderung der Phaseneinstellung zwischen Motor- und
Steuerwelle vorgeschlagen, um die Phase bei Veraenderung der Motordrehzahl zu veraendern.
Im allgemeinen erschiene es wuenschenswert,
dass sich das Steuerdiagramm eines Fahrzeugmotors, welches durch eine Anzahl von Winkelwerten der verfruehten
Oeffnung und des verspaeteten Schliessens der Ventile bezueglich der Kolbentotpunkte definiert
ist, kontinuierlich sowohl in Abhaengigkeit von der Drehzahl, als auch in Abhaengigkeit vom Dros-
selungsgrad veraendert. Es leuchtet aber ein, dass
eine Vorrichtung, die eine derartige kontinuierliche Veraenderung des Steuerdiagrammes verwirklichen
sollte, zu kompliziert waere.
· In einer aelteren Patentanmeldung Nr. P 29.09803.1 vom 13.3.1979 der gleichen Anmelderin wurde beispielsweise
vorgeschlagen, eine Vorrichtung zu verwirklichen, die in der Lage ist, zwei Steuerzeiteneinstellungen,
je fuer Motordrehzahlen die groesser bzw. kleiner als ein vorbestimmter Wert sind, vorzunehmen.
Es hat sich nun gezeigt, dass man weitere Vorteile mittels einer Vorrichtung erzielen kann, die
bei Motoren verwendbar ist, welche zwei getrennte Steuerwellen (eine fuer die Einlassventile und eine
zweite fuer die Auslassventile) besitzt und die es trotz einer einfachen und zuverlaessigen Ausbildung
gestattet, zwei verschiedene Steuerzeiteneinstellungen zur Verfuegung zu haben. Ferner gestattet es
diese Vorrichtung bei Veraenderung der Motordrehzahl selbsttaetig von einer ersten Stcuerzeiteneinstellung,
die im Betrieb unterhalb einer Drehzahl n. geeignet ist, auf eine zweite ueberzugehen, die in
einem Betrieb zwischen der Drehzahl n, und einer groesseren Drehzahl n_ geeignet ist, sowie auf die
erste zurueckzukehren, wenn die Drehzahl den Wert n~ uebersteigt.
Angesichts der erwaehnten komplizierten Traegheitserscheinungen, die mit den zur Ueberfuehrung
■ ■ 312 66 2 Γ]
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der Medien durch die Ventile zur Verfuegung stehenden
Zeiten verknuepft sind, kommt es in der Tat oft vor, dass die bei sehr niedrigen Drehzahlen idealen
Steuerzeiten (bei den fuer diese Drehzahlbereiche typischen beachtlichen Drosselungen) nicht stark von
jenen abweichen, die fuer sehr hohe Drehzahlbereiche (zu welche man greift, um die groessten Leistungen
zu haben, wobei die Drosselklappe stark oder ganz geoeffnet ist) ideal sind. Die oben genannte erste
Steuerzeiteneinstellung befindet sich somit zwischen diesen beiden idealen Steuerzeiten, denen sie .ausreichend
nahe liegt.
Ein wesentliches Merkmal der Vorrichtung ist jenes der Betriebsgenauigkeit. In erster Linie entspricht
naemlich einer jeden der beiden genannten Steuerzeiteneinstellungen eine der beiden Endstellungen
eines beweglichen Antriebsorgans und die Endanschlaege fuer dasselbe koennen ohne Schwierigkeiten
sehr genau ausgefuehrt werden. In jeder der genannten drei Zonen, in 'lie das Anwendungsfeld unterteilt
ist (bezueglich der Motordrehzahl), koennen bei gleichbleibender Steuerzeiteneinstellung die
uebrigen Einstellparameter (beispielsweise Gemischverhaeltnis, Zuendvorverstellung, Menge der Abgasrueckfuehrung
usw.) auf den guenstigsten Wert eingestellt werden, um einen regelmaessigen Betrieb des
Motors, geringsten Kraftstoffverbrauch und geringste
Auspuffmengen zu erzielen.
Das genannte bewegliche Antriebsorgan gehoert dem Bewegungsuebertragungsgetriebe zwischen Steuerwelle
und Motorwelle an, mit welch letzterer es ueber Nutenkupplungen, von denen mindestens eine
· mit Schraegverzahnung ausgebildet, in Eingriff steht und seine die Verdrehungen der Steuerwelle gegenueber
der Motorwelle hervorrufenden Axialverschiebungen erfolgen selbsttaetig, sobald auf den anderen
gekuppelten Teil eine der beiden Gegenkraefte ueberwiegt, die auf das Antriebsorgan einwirken, und zwar
die Vorspannung einer Feder oder der Druck des Motorschmieroels.
Der Schmieroeldruck wirkt auf das Antriebsorgan ein oder nicht, je nachdem eine OeI-entluefteroeffnung
geschlossen oder geoeffnet ist.
Diese Oeffnung wird durch ein Schieberventil gesteuert, dessen Schieber selbsttaetig eine von drei verschiedenen
Lagen einnimmt: eine Lage fuer jede der drei genannten Zonen, in die das Anwendungsfeld des Motors durch
die genannten beiden vorbestimmten Drehzahlen n, und n~ unterteilt ist. Das besagte Schieberventil ist
mit der Steuerwelle verbunden und dreht sich somit mit ihr.
Eine am Schieber mit ihrem Schwerpunkt gegenueber der Steuerwcllenschse äussermittig befestigte Masse
verschiebt zufolge der Fliehkraftbeschleunigung den Schieber in bezug auf sein Gehaeuse. Die Vorspannung
F, einer ersten kleinen entgegenwirkenden Feder verhindert die Verschiebung des Schiebers, solange die
Fliehkraft kleiner als jene bei der Drehzahl n, ist. Unterhalb der Drehzahl n, befindet sich der Schieber
des Ventils somit in seiner ersten Lage. Oberhalb dieser Drehzahl ueberwiegt die fliehkraft die Vorspannung
F, der Feder und der Schieber wird in seine zweite Lage verschoben. Die Vorspannung F„ einer
zweiten kleinen entgegenwirkenden Feder verhindert eine weitere Verschiebung des Schiebers, solange die
Fliehkraft unter jener bleibt, die der Drehzahl n?
entspricht. Der Schieber bleibt somit in jener zweiten Lage fuer saemtliche Motordrehzahlen zwischen
den Werten n, und n?. Bei Ueberschreiten der Drehzahl
n? üeberwiegt die F]Lehkraft die Federvorspannung
F? und der Schieber gelangt in seine dritte
Lage, die durch einen Endanschlag festgelegt ist und in der er fuer saemtliche Drehzahlen verbleibt, die
groesser als n? sind.
Gemaess einer bevorzugten Ausfuehrungsform der
Vorrichtung wird bei Drehzahlen unterhalb der Drehzahl n, durch den Schieber eine Oelentluefteroeffnung
offen gehalten, wodurch auf das Antriebsorgan der Vorrichtung nur die Vorspannung einer Gegenfeder
wirkt, durch welche es gegen den ersten der beiden genannten Endanschlaege anliegend gehalten wird,
so dass die erste der genannten Phaseneinstellungen der Steuerwelle bezueglich der Motorwelle verwirklicht
wird. Wenn die Motordrehzahl den Wert n, uebersteigt, dann schliesst der Schieber in seiner
zw.eiten Lage die Oelentluefteroeffnung und der auf
das Antriebsorgan wirkende Druck des Schmieroelkreises ueberwindet die Vorspannung der Gegenfeder,
so dass das Antriebsorgan verschoben und mit dem zweiten der beiden Endanschlaege in Beruehrung gehalten
wird. Die Steuerwelle wird somit gegenueber • der Motorwelle verdreht und in ihre zweite Phasenlage
dieser gegenueber gebracht. Oberhalb der Motordrehzahl n? wird der Schieber zufolge der durch
die genannte Exzentermasse hervorgerufenen Fliehkraft
in seine dritte Lage gebracht und in dieser gehalten. In ihr oeffnet der Schieber, wie in seiner
ersten Lage, die Oelentluefteroeffnung, so dass das
Antriebsorgan mangels des Oeldruckes und unter der Federwirkung gegen den ersten seiner beiden Endanschlaege
verschoben und gehalten wird und sich bei Drehzahlen oberhalb des Wertes n? somit wieder die
erste der beiden Phaseneinstellungen der Steuerwelle zur Motorwelle einstellt, das heisst also die gleiehe
Einstellung wie bei Drehzahlen unter dem Wert
Nachdem jede der beiden Phaseneinstellungen durch die Lage des Antriebsorgans in Beruehrung mit
einem seiner beiden Endanschlaege bestimmt wird, ist wie gesagt die Erfordernis einer voellig genauen Einstellung
der Steuerzeiten gewaehrleistet, so dass
die Winkel der verfruehten Oeffnung und des verspaeteten
Schliessens der Ventile genau die vo'rge-
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sc.hriebenen Werte annehmen. Fuer den regulaeren Betrieb des Motors (und auch fuer optimale Motorleistungen
und geringsten Kraftstoffverbrauch sowie
geringste Auspuffmengen) muss jedoch auch die Forderung
erfuellt sein, dass der Uebergang von der einen zu-r anderen Steuerzeiteneinstellung genau bei
einem bestimmten Drehzahlwert erfolgt. Um dies zu erreichen, sind bei der erfindungsgemaessen Vorrichtung
das Ventil und der Schieber derart ausgelegt, dass auf den Schieber ausschliesslich die beiden genannten
Gegenkraefte wirken und dass deren Wirkungsrichtung mit der Verschieberichtung des Schiebers
uebereinstimmt. Es sind somit keinerlei Kraefte oder Kraftkomponenten senkrecht zur Verschieberichtung des
Schiebers vorhanden, die durch ihre Einwirkung auf den Schieber Belastungen senkrecht zu den zylindrischen
Beruehrungs- und Fuehrungsflaechen zwischen Schieber und Ventilgehaeuse hervorrufen koennten. Da
keine solche senkrechten Belastungen vorhanden sind, ist auch keine Reibung vorhanden, die sich der Verschiebung
widersetzen koennte und die Ungenauigkeiten hinsichtlich der Drehzahlwerte hervorrufen wuerde,
bei denen von einer Steuerzeiteneinstellung auf die andere uebergegangen wird.
Mit anderen Worten ist die Resultierende der auf die Schieberflaeche wirkenden Oeldruecke null und der
Schieber befindet sich im Gleichgewicht, da die OeI-einlassoeffnung
stets mit einer Ringnut des Schiebers
in Verbindung steht, die geeignet ist, das OeI zu den Entluefteroeffnungen zu leiten, auch wenn sich
der Schieber in der Lage befindet, in der er die Oelentluefteroeffnungen schliesst. Die Wirkung des
Druckoels entwickelt sich somit laengs des Gesamtumfanges des Schiebers unter Ausgleich der Kraefte.
Die bisherigen Ausfuehrungen lassen sich noch
klarer unter Heranziehung der Figuren 1-5 erlaeutern, welche ein bevorzugtes Ausfuehrungsbeispiel
der Vorrichtung vt-ranschaulichen.
Figur 1 ist eine Schnittansicht der erfindungsgemaessen Vorrichtung in einer durch die Steuerwellenachse
geiuehrten Ebene,
die Figuren 2 - ή· zeigen das Schieberventil
der Figur 1 in groesseren Masstab und in den drei Einstelllagen
und
Figur 5 ist eine Vorderansicht des Schieberventils der Vorrichtung in zwei Einstellagen.
In Figur 1 ist ein Ende einer Steuerwelle dargestellt,
die von der Motorwelle beispielsweise durch einen Kettentrieb angetrieben wird. Mit 10 ist eine
Wand des Zylinderkopfes und mit 12 jener Teil des Zylinderkopfes bezeichnet, in dem das Endlager fuer
den entsprechenden Zapfen der Steuerwelle 13 angeordnet ist. Auf der zylindrischen Verlaengerung 13'
der Steuerwelle 13 ist eine zylindrische Verlaengerung 14' der Endscheibe 14 mittels Gewinde 15 auf-
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geschraubt. Eine gleichachsig zur Steuerwelle angeordnete
zylindrische Muffe 16 ist an ihren Enden drehbar auf der zylindrischen Γ Iaeche 17 der Steuerwelle
.13 und auf der zylindrischen Flaeche 18 der Scheibe 14- gelagert. Axiale Verschiebungen der Muffe
16 gegenueber der Steuerwelle 13 und der Scheibe 14· sind durch einen Anschlag 19 der Welle 13 und
einen Anschlag 20 der Scheibe 14· verhindert? welch letztere knapp neben dem Ende der Innenzahnung 25
der Muffe 16 liegt» Die Muffe 16 besitzt fern§}? Aussenzahnungen
21, mit denen die nicht dargestellte Kette zur Verbindung der Muffe mit der ebenfalls
nicht dargestellten Kur-belwellc des Motors in
Eingriff steht. Mit der Innenzahnung 25 der Muffe 16 kaemmt eine Aussenzahnung 23 eines Ringkolbens
22, der auch eine Innenzalmung 24- besitzt, die mit
einer Aussenzshnung 26 der Steuerwelle 13 kaemmt,
Mindestens eine der miteinander kaemmenden Verzahnungen 24· - 26, 23 - 25 ist mit Schraegzaehnen ausgestattet.
Ferner erstreckt sich eine dieser beiden Verzahnungen axial weitaus weiter als die andere»
Daraus ergibt sich, dass der Ringkolbcn 22 in dem durch die Muffe 16, die Scheibe 14· und die Steuerwelle
13 begrenzten Ringr.ium verschiebbar ist, wobei
zufolge des Umstandes, dass die beiden Verzahnungen
stets in Eingriff bleiben, bei einer Relativbewegung des Ringkolbens 22 in axialer Richtung
in bezug auf die Steuerweile 13, die Scheibe 14- und
die Muffe 16, die Steuerwelle sich in bezug auf die Muffe 16 verdreht. Diese Verdrehung der Steuerwelle
erfolgt auch der Kurbelwelle des Motors gegenueber, die mit der Muffe 16 uebef die Kette verbunden ist.
Die Groesse dieser Verdrehung, das heisst der Phasenveraenderung der Steuerwelle bezueglich der Motorwelle,
haengt von der axialen Verschiebungsweite des Ringkolbens 22 gegenueber der Steuerwelle und von der
Neigung der Schraegverzahnung (bzw. der Schraegverzahnungen) ab. Die beiden Verzahnungen 23 - 25, 2A- 26
sind derart ausgebildet, dass sie den Oelfluss nicht behindern, das heisst entweder haben sie ein entsprechendes
Spiel zwischen den Zaehnen oder es fehlen ein oder mehrere Zaehne.
In Figur 1 ist der Ringkolben in einer seiner Endlagen dargestellt, in dem er durch die Vorspannung
einer Feder 27 mit dem Anschlag 20 der Endscheibe 14
■ in Beruehrung gehalten ist. Ein Kennzeichen des Ringkol bens 22 besteht darin, dass er am entgegengesetzten
Ende zu dem mit der Innen- und Aussenzahnung versehenen Ende, eine innere und eine aeussere kalibrierte
zylindrische Flaeche aufweist, die an entsprechenden kalibrierten zylindrischen Flaechen anliegen, von denen
eine 28 aussen an der Steuerwelle 13 und die andere 29 innen an der Muffe 16 vorgesehen ist. Das Radialspiel
zwischen den Paaren miteinander in Beruehrung stehender zylindrischen Flaechen ist aeusserst gering, so
dass auch die Moeglichkeit eines Durchtrittes von
Druckoel zwischen diesen Ilaechcnpaaren sehr gering
ist. Auf die Ringflaeche des Ringkolbens 22, die senkrecht zur Achse steht und jener gegenueberliegt,
auf welche die Feder 27 einwirkt, kann ein hydraulischer Druck von solcher Groesse wirken, dass die
Vorspannung der Feder 27 ueberwunden und der Kolben in einer Richtung entgegen der Wirkungsrichtung der
Feder 27 bis zum Anliegen an einem Anschlag 30 der Steuerwelle 13 verschoben wird, welcher Anschlag
den zweiten Endanschlag fuer den Kolben 22 bildet.
Das Druckoel kann den Kolben durch Loecher 31, 31' sowie durch einen verengten Durch-lass 33 und eine in der
Steuerwelle 13 ausgenommene Leitung 34 erreichen.
In die Leitung 34 gelangt das OeI von einer Ringnut
32 der Welle 13 und von einer Leitung 35 im Kopfteil 12, die das Schmieroel dem Lager fuer die Welle 13
im Kopfteil 12 zufuehrt. Eine in der Verlaengerung IA-' ausgenommene «Leitung 36 kann mit dem Inneren
des Motorkopfes ueber die Entluefteroeffnungen 37
und 38 (besser in Figur 5 sichtbar) in Verbindung gesetzt werden, wenn sich das eine oder das andere,
dieser Oeffnungspaare einor Ringnut 39 des Schiebers
40 des in der Endscheibe 14 angeordneten Schieberventils
gegenueberliegend befindet.
Wie sich aus den Figuren 2-4 klar ergibt, besitzt der Schieber 40 zwei durch die Ringnut 39 voneinander
getrennte zylindrische Abschnitte 41, 42,
• Jig- -
von denen der Abschnitt 42 einen Innenraum 43 aufweist, der einen Teller 44 verschiebbar aufnimmt,
dessen Schaft 45' an einem Teller 46 befestigt ist. Zwischen dem Teller 44 und einem ringfoermigen Anschlag
48 an der Wand des zylindrischen Abschnittes liegt eine erste feder 47 und zwischen dem Teller
und einem Ringbun 1 50 in der Scheibe 14 liegt eine zweite Feder 49, die nachgiebiger als die erste Feder
ist.
Der Schieber 40 traegt aussermittig zur Achse der Steuerwelle 13 eine Masse 51, die zufolge der
Fliehkraftbeschleunigung in der Lage ist, auf den Schieber eine nach aussen gerichtete Kraft auszuueben,
welche mit Zunahme der Drehzahl der Steuerwel-Ie groesser wird.
Waehrend des Betriebes des Motors bleibt der Schieber 40 solange in der Lage gemaess Figur 2,
als die Fliehkraft, der die Exzentermasse 51 unterliegt, nicht die Vorspannung der beiden Federn 47
und 49 uebersteicit. In diesem Zustand befindet sich
der Schieber 40 in seiner ersten Einstellage, in der die Ringnut 39 die Leitung 36 mit der Oelentluefteroeffnung
38 verbindet, so dass das durch die Leitung 35 im Kopf 12 zufliessende Druckoel abgelassen wird.
Demzufolge wird der Ringkolben 22 durch die Feder 27 in seine erste Endlage gegen den Anschlag 20 gedrueckt
(wie in Figur 1 dargestellt) und er stellt eine erste Phaseneinstellung der Steuerwelle 13 in
bezug auf die Muffe 16 und somit in bezug auf die Motorwelle her.
Wenn die Drehzahl der Steuerwelle 13 den Wert n, ueberschreitet, dann wird die auf die Exzenter-.
masse 51 zurucckzufuehrencle Fliehkraft groesser als
die Vorspannung der Feder 4-7 und der Schieber 4-0
wird in bezug auf die Scheibe l'i nach aussen verschoben
(wie in Figur 3 gezeigt). In diesem Zustand befindet sich der Schieber ^O in seiner zweiten Einstellage
mit der Ringnut 39 in Verbindung mit der Leitung 36, wobei jedoch seine zylindrischen Abschnitte
A-I und 4-2 die Oelentluefteroeffnungen 37 und
absperren.
Das aus der·Leitung 35 kommende Druckoel kann
nicht abfliessen und bleibt unter Druck, wobei es auf die Ringwand des Kolbons 22, der jener gegenueberliegt,
auf die die Fader 27 einwirkt, eine Kraft ausuebtj, die geeignet ist, die Kraft der Feder 27 zu
ubeberwinden und den Kolben 22 in seine zweite Endlage gegen den Anschlag 30 zu verschieben. Diese Verschiebung des Ringkolbens 22 ruft eine Verdrehung
der Steuerwelle 13 gegenueber der Muffe 16 und somit gegenueber der Motorwelle hervor, so dass die
Steuerwelle der Motorwelle gegenueber eine zweite Phasenstellung einnimmt,
Ueberschreitet schliesslich die Drehzahl der Steuerwelle den Wert n_ (der groesser ist als der
Wert n, ), dann ueberwindet die auf die Exzentermas-
se 51 zurueckzufuehrende Fliehkraft auch die Vorspannung
der Feder 4-9 und verschiebt den Schieber A-O gegenueber
der Scheibe 14- weiter nach aussen (wie in
Figur 4- gezeigt) . Der Schieber A-O befindet sich somitmit
in seiner dritten Einstellage mit der Ringnut 39, welche die Leitung 36 mit der Oelentluefteroeffnung
37 in Verbindung setzt, durch die das von der Leitung 35 kommende OeI abgelassen wird. In diesem
Zustand wirkt der Feder 27 nicht mehr der Oeldruck
entgegen, so dass sie den Ringkolben 22 in seine
erste Endlage zurueckverschiebt, wodurch die Steuerwelle 13 zurueckverdreht wird in den Zustand, in dem
sie eine Phasenlage bezueglich der Motorwelle einnimmt, die der oben beschriebenen ersten Phasenlage
entspricht.
Aus den Figuren 2 - A- ergibt sich klar, dass
der Schieber A-O im Gleichgewicht steht und keinen Querkraeften zu seiner Achse ausgesetzt ist, nachdem
seine Ringnut 39 stets mit der OeI zuf lussleitung 36 in Verbindung steht, auch wenn er die Entluefteroeffnungen
37 und 38 schliesst (siehe Figur 3), so dass sich der Oeldruck laengs seines gesamten Umfanges
ausuebt und die folglichen Radialkraefte im
Gleichgewicht stehen.
Die Figur 5 zeigt den Schieber A-O und die Exzentermasse
51 in zwei Einstellagen, und zwar links in der drittel Einstellage und rechts in der zweiten
Finstellagc.
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