DE3523791A1 - Ventilsteuerung fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine federlose Ventilsteuerung für Hubkolben- Brennkraftmaschinen, insbesondere für Automobil-Motoren, deren Ventil- Öffnungs- und Schließbewegungen zwangsweise erfolgen, unmittelbar durch einen (üblichen) die Steuerzeiten bestimmenden Öffnungs-Nocken, und mittelbar, über versetzten Hebelarm, durch einen daneben angeordneten Reziprok-Schließ-Nocken der Nockenwelle.

Das Prinzip der federlosen Ventil-Zwangssteuerung hatte seine Weltpremiere und überzeugende Bewährungsprobe, bei den seinerzeitigen Mercedes-Benz- Rennmotoren, deren große Renn-Erfolge, neben den hohen spezifischen Leistungen (Mitteldrücke), zufolge hoher Füllungsgrade der Zylinder, auf das überlegene Drehmoment bei Beschleunigungen aus dem unteren Drehzahlbereich zurückzuführen sind, beides Charakteristiken dieser Zwangssteuerung. siehe Dissertation Manfred Lorscheid, T.H. Karlsruhe 1959:
"Beitrag zur Entwicklung optimaler Ventilsteuerungen bei schnellaufenden Viertaktmotoren".
Die erfindungsgemäße Federlose-Ventilsteuerung ist eine konstruktive Neugestaltung und Perfektionierung dieses Prinzips, für die Anwendbarkeit bei PKW-Motoren der gehobenen Fahrzeug-Klassen, bis hin zu Rennmotoren, und ist prädestiniert, die aufwendigen und monströsen Vierventil-Zylinderköpfe "ad absurdum" zu überführen, indem durch den Wegfall der Ventil- Schließfedern, die Öffnungs- und Schließ-Beschleunigungen derart steil ausgelegt werden können, daß mit nur zwei Ventilen, für den Gaswechsel, gleiche Zeit-Querschnitt-Verhältnisse wie beim vergleichbaren Vierventiler, erzielt werden, jedoch ohne die Beeinträchtigung des Drehmomentes bei niederen Drehzahlen, infolge der Auswirkungen sowohl der großen Überschneidungen der Ventil-Öffnungszeiten im Bereich des Unteren-Kolbentotpunktes (U.T.), durch Reduzierung des effektiven Verdichtungsverhältnisses, als auch am O.T., zufolge Abgas-Reversionen und Minderung des Füllungsgrades der Zylinder.

Die Ventilsteuerungen bedienen sich allgemein einer symmetrischen Nockenform, deren aktive Flanke das Ventil unmittelbar durch mechanische Kontakte öffnet, und deren passive Flanke mittelbar, unter Feder-Kraftschluß, den Schließvorgang des Ventils steuert. Die Kriterien der Grenz- Beanspruchung der Hertz'schen Pressung, sind hier bei der maximalen Beschleunigung durch Massenkraft plus örtlicher Federkraft, und im niederen Drehzahlbereich, an der Nockenspitze bei maximaler Federkraft. Diese Kriterien begrenzen sowohl die Steilheit der Beschleunigungen, als auch den Radius der Nockenspitze, und bestimmen damit die Steuerzeiten maßgebend, indem mit Zunahme der Hochtourigkeit, der Beschleunigungsantieg flacher, und die Überschneidungen der Ventil-Öffnungszeiten am unteren und oberen Kolbentotpunkt immer größer ausgelegt werden müssen, um hinreichende Völligkeiten der Zeit-Querschnitte für den Gaswechsel-Vorgang, ohne örtliche Überbeanspruchungen, zu erzielen. Dies hat zur Folge, daß im niederen Drehzahlbereich des Motors, beim Fehlen der Massenwirkungen der strömenden Gassäulen, während der Überschneidung der Öffnungszeiten am O.T. beide Ventile gegenläufig offen sind, die Abgase beim Ausschub in beide Kanäle gedrückt, und bei der Umkehr (Saughub) wieder aus beiden Kanälen in den Zylinder (zurück) gesaugt werden, und diese Abgas-Reversions-Anteile die Füllung, bzw. das Leistungspotential für den jeweils folgenden Arbeitstakt beeinträchtigen; und am U.T., durch die größen Überschneidungen, eine Reduzierung des nominellen Verdichtungsverhältnisses hingenommen werden muß, sowohl wegen des vorzeitigen Öffnens des Auslaßventils, und Unterbrechung der Expansionsarbeit, als auch durch Ausschiebe-Verluste, wegen des späten Schließens des Einlaßventils nach U.T.

Neuerdings wurden Vierventil-Zylinderköpfe entwickelt und für gehobene Ansprüche eingeführt, welche durch höhere Füllungsgrade höhere Leistungen erbringen, indem die Querschnitt-Komponente beim Gaswechsel erhöht, und die Massen der Ventile etwas verringert werden, jedoch bei prinzipiell gleichartiger Steuerzeiten-Auslegung, um den Preis der Verdoppelung des mechanischen und räumlichen Aufwandes für die Ventilsteuerung (zwei Nockenwellen usw.), was zu Abmessungen führt, die die Übertragung dieser Bauart auf V-Motoren, praktisch unmöglich macht.

Demgegenüber hat die Ventil-Zwangssteuerung seine kritische Grenzbeanspruchung nur durch die Massenkräfte der maximalen Öffnungs- und Schließ- Beschleunigungen, wobei die arbeitenden Krümmungsradien vorteilhafterweise stets optimal sind. Die erheblichen entfallenden Federkräfte ermöglichen, diese Beschleunigungen auslegungsgemäß bis zur Grenzbeanspruchung entsprechend zu forcieren, wodurch die Zeitspannen der vollen Ventilöffnung verlängert, die Auswirkungen der Überschneidungsphasen der Ventil-Öffnungszeiten eliminiert, somit die optimalen Füllen bzw. Drehmomente, bis in den Bereich der Leerlauf-Drehzahl, effektiv bleiben. Die bisher bekannt gewordenen Konstruktionen von federlosen Zwangssteuerungen, sind bezüglich der Einstellbarkeit kleinstmöglicher Spiele zwischen Öffnungs- und Schließnocken, die ein möglichst stoßfreies und geräuscharmes Überwechseln (Freiflug) zwischen den korrespondierenden Nocken gewährleistet, wie auch die Einstellung des normalen Ventilspiels zum Nockengrundkreis, als Voraussetzung für die Einführung bei PKW-Motoren, völlig ungeeignet und unzumutbar kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion anzubieten, die die Handhabung bei der Montage, und die erforderlichen Spiel- Einstellungen und Wartung derart vereinfachen, daß sie etwa dem üblichen diesbezüglichen Standard entsprechen, und darüberhinaus, durch eine ölhydraulische Nullspiel-Einrichtung, die den wechselseitigen Freiflug zwischen Öffnungs- und Schließnocken beim jeweiligen Wechsel von der Beschleunigungs- in die Verzögerungs-Phase, vermeidet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabenstellen geht aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, und die weiteren Ausgestaltungen und Ergänzungen, aus den Ansprüchen 2 bis 5 hervor.

Es ist evident, daß eine Ventil-Zwangssteuerung welche optimale Füllungen im ganzen Drehzahl-Bereich, von der Leerlauf-Drehzahl ab, mit zwei Ventilen erzielt, also eine entsprechende Vierventil-Version mit herkömmlichen Schließfedern im Beschleunigungs-Bereich übertrifft, gegenüber einer zweiventiligen Steuerung üblicher Art, einen angemessen höheren Aufwand rechtfertigt, nämlich pro Ventil einen Öffnungs- und Schließnocken auf einer Nockenwelle, sowie je Ventil einen zweiarmigen Schwinghebel mit Verstell- Möglichkeiten. Der Raumbedarf und die Bauhöhe der Zwangssteuerung sind durch den Wegfall der Ventilfedern geringer als bei jeglicher vergleichbaren Federsteuerung; die Motorhöhe reduziert sich etwa um 25 mm.

In den zeichnerischen Darstellungen sind zwei Beispiele der erfindungsgemäßen Steuerung aufgezeigt:

Fig. 1 u. 1a bei ebenem Zylinderboden und parallel hängenden Ventilen; und in

Fig. 2 u. 2a bei kalottenartig gewölbtem Zylinderboden und schräg zum Kalottenzentrum ausgerichteren Ventilen.

Die Nockenwelle und Ventile liegen jeweils in der Mittelebene der Motor- Zylinderreihe. Die Steuerung ist in allen Figuren bei 1/2-Ventilhub dargestellt, um die symmetrischen Bewegungsabläufe aus dieser Lage zu verdeutlichen.

Es bedeuten im einzelnen in den Fig. 1 u. 1a: Nockenwelle 1; Öffnungsnocken ÖN; Schließnocken SN; Nockenwellen-Lager 1 a. Das komplette vormontierte Hebel- Vorgelege 2; Doppelhebel links 2 a; spiegelbildlicher Doppelhebel rechts 2 b (Doppelhebel vorzugsweise in Leichtmetall); Doppelhebel-Achse 2 c. Schwinge (Zunge) 3 jeweils zwischen den Hebelarmen und Nocken; gemeinsame Achse 3 b der beiden Schwingen. Jeweils im Hebelarm am Schließnocken: die bekannte Art der hydraulischen Ventilspiel-Null-Einstellung 5, dazugehöriges Drucköl- Ventil 5 a, und Entlüftungsschraube 5 b. In Ventilebene zwischen Ventilschaft- Ende und Schwinge: Verstellkeil 6, mit Verbindungsgelenk 6 a und Verstellschraube 6 b, zur Spiel-Einstellung zwischen dem geschlossenen Ventil und Öffnungsnocken-Grundkreis. Am Ventilschaft-Ende: Kugel- Ringfläche 7 (Schulter); zweigeteilte Kugelpfanne 7 a, einliegend in Ringhülse 7 b; Gummikappe 7 c für den Montage-Zusammenhalt des Kugelgelenkes am Ventilschaft- Ende. Gegabelter Hebelarm 2 d am Doppelhebel; angeflachte Kugeln 8; Drucköl-Bohrungen 9.

In den Fig. 2 und 2a bedeuten: Lagerbügel 10 der Nockenwellen-Lagerung (1 a), mit Basis-Konsole 10 a für das Doppelhebel-Vorgelege (2); Fixierstifte 10 a. Schwinge 3 a mit beweglich eingebetteter Stahlrolle 4 mit angeschliffener Nocken-Anlaufkuppe, bekannt bei OS 17 50 531 und OS 17 51 741, dient als Ausgleich-Element der abweichenden Bewegungsrichtungen zwischen der Nockenebene und schrägen Ventilbewegung.
Ferner ist dargestellt, auf welche Art und Weise die mit doppelter Nocken- Anzahl angereicherte Nockenwelle, für die Fertigung, in relativ einfache gleiche Teilabschnitte 11 jeweils eines Zylinders, aufgeteilt werden kann, indem beim Zusammenbau, unter Beachtung der Zündfolge, die Teilabschnitte, jeweils mittels eines Zwischengliedes, beim dargestellten Vierzylinder einem Keil-Kreuz 11 a, mit den jeweiligen Endstücken ergänzt, zusammengefügt, und von beiden Enden zentrische Schrauben 11 c, in das mittlere Keilkreuz-Mutter-Element11 b eingeschraubt und verspannt sind. Bei 3-5 u. 6- Zylinder-Motoren, analog mit entsprechenden Keil-Zwischenglieder.

Claims (5)

1. Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Automobil- Motoren, deren Ventilöffnungs- und Schließbewegungen zwangsweise erfolgen, unmittelbar durch einen (üblichen) die Steuerzeiten bestimmenden Öffnungs-Nocken, und mittelbar, über versetzten Hebelarm, durch einen daneben angeordneten Reziprok-Schließ-Nocken der Nockenwelle, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Nockenebenen, die Anlaufkuppen am Nocken jeweils als gleichartige Schwingen (Zungen) (s.3,3 a) ausgebildet sind, deren Seitenführung, und die Lagerung ihrer gemeinsamen Schwenkachsen (3 b), durch von der Nabe des Doppelhebels abstehende Laschen erfolgen, wodurch zwischen den starren Armen des Doppelhebels und den Anlaufkuppen, Verstell- bzw. Einstellmöglichkeiten bestehen, indem bei aufsitzendem (geschlossenem) Ventil, mittels Justiereinrichtung, das gewünschte Spiel zwischen Anlaufkuppe und Öffnungsnocken-Grundkreis eingestellt ist, und im Hebelarm am Reziprok- Schließnocken, eine an sich bekannte hydraulische druckölbeaufschlagte Nullspiel-Einstell-Einrichtung, die zwischen dem Schließnocken und aufsitzendem Ventil, bzw. bei abgehobenem Ventil, zwischen Schließ- und Öffnungsnocken, wirksam ist.

2. Ventilsteuerung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschaft-Ende eine Kugel-Ringfläche (7) aufweist, die umschlossen ist von einer zweigeteilten Kugelpfanne (7 a), einliegend in einer Ringhülse (7 b), welche auf dem gegabelten Schließarm (2 d) des Doppelhebels aufsitzt, und die Relativbewegung zwischen dem geradlinigen Ventilhub und entsprechendem Hebelradius ausführt, bei halbem Ventilhub symmetrisch nach oben und unten, und die Justierung des Ventilspiels am Öffnungsnocken- Grundkreis, mittels einer keilartigen Zunge (6), zwischen Schwinge und Ventilschaft-Ende, erfolgt, indem jeweils eine am Ventilende und der Schwinge eingebettete Kugel (8), mit ihren Anflachungen, beidseitig der Keilflächen der Zunge aufsitzen, die ihrerseits, zur Einjustierung des Ventilspiels, über ein (Kugel-)Gelenk (6 a), durch eine entsprechend angestellte Spindelschraube (6 b), von der Nabe des Doppelhebels aus, eingestellt, und mittels Kontermutter gesichert ist.

3. Ventilsteuerung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Nockenwelle und Ventile jeweils in der Mittelebene der Motor- Zylinderreihe liegen, entweder im Zusammenhang mit ebenem Zylinderboden und parallel hängenden Ventilen (Fig. 1,1a), oder, bei kalottenartig gewölbtem Zylinderkopf-Boden (Fig. 2,2a), wobei die Aus und Einlaßventile radial zum Kalottenzentrum ausgerichtet sind, und die Ventilteller die Kalottenwölbung mitbilden, wobei die abweichenden Bewegungsrichtungen zwischen den Nockenebenen und schrägen Ventilbewegungen mittels Ausgleich-Elementen erfolgen, auf an sich bekannte Weise, indem die Nocken-Anlaufkuppen an Stahlrollen in Achsrichtung angeschliffen sind, und der verbleibende Rollenkörper in der Schwinge beweglich (spiellos) eingebettet ist und sich, jeweils nach der Nockenbahn orientierend, ausgerichtet, und beim Nockenumlauf, von der Mittelebene des Nockens bei halbem Ventilhub, symmetrisch nach beiden Seiten leicht auswandert, und die gemeinsame Schwenkachse (3 b) der beiden Schwingen, bei halbem Ventilhub, parallel zur Nockenwellen-Achse ausgerichtet ist.

4. Ventilsteuerung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwellen-Lagermitte, gegenüber der Zylindermitte, bedingt durch die unterschiedlichen Aus- und Einlaßventil-Durchmesser, jeweils etwas in Richtung Auslaß versetzt ist, und der dazugehörige Lagerbügel, in seiner unteren Verlängerung, zugleich die Basis für den gemeinsamen Lagerbock der beiden symmetrischen Doppelhebel bildet, deren Verankerungsschraube die Drucköl-Bohrungen aufweist, zur Schmierung der Doppelhebel- Lagerung, und weiter zu den hydraulischen Nullspiel-Einstell- Einrichtungen in den Hebelarmen der Schließnocken-Ebenen.

5. Ventilsteuerung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle zusammengesetzt ist, aus gleichen Teilabschnitten (11), jeweils mit der Nockengarnitur einer Zylindereinheit, also für je ein Ein- und Auslaßventil die dazugehörigen Öffnungs- und Schließnocken, und als Zwischenglieder, zur Koppelung der Teilabschnitte, Keil-Elemente (11 a) dienen, beispielsweise beim Vierzylinder-Motor solche mit vier Keilen kreuzweise mit gemeinsamer Nabe, wobei beim Zusammenbau die Reihenfolge der Drehstellungen der Zündfolge entspricht, analog bei anderen Zylinderzahlen, und der Zusammenhalt der Nockenwelle durch Spannschrauben (11 c) von beiden Seiten in der Längsachse der Welle erfolgt, zum mittleren Keil-Element mit Muttergewinde (11 b).