DE3786587T2

DE3786587T2 - Ventilantrieb fuer eine brennkraftmaschine.

Info

Publication number: DE3786587T2
Application number: DE87303422T
Authority: DE
Inventors: Tadashi C O Kabushiki Hanaoka; Kazuo C O Kabushiki Kais Inoue; Tsuneo C O Kabushiki Kai Konno
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1986-04-16
Filing date: 1987-04-16
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2007-04-17
Also published as: DE3786587D1; CA1331942C; EP0242228B1; US4957076A; EP0242228A1; US4970997A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungsvorrichtung zum Öffnen und Schließen einer Einlaßöffnung oder einer Auslaßöffnung synchron zur Drehung eines Verbrennungsmotors, und insbesondere eine Ventilbetätigungsvorrichtung, in der Mittel vorgesehen sind, um eine in Ventilschließrichtung wirkende Vorspannkraft zu ändern.
Die Brennkammern in einem Viertaktmotor haben Einlaß- und Auslaßventile, um gemäß vorbestimmten Zyklen ein Luft-Kraftstoffgemisch in die Brennkammern einzuführen und ein verbranntes Gas daraus auszugeben. Diese Einlaß- und Auslaßventile sind normalerweise durch jeweils um die Ventilschäfte herum angeordnete Ventilfedern in eine Schließrichtung vorgespannt. Die Einlaß- und Auslaßventile werden gegen die Vorspannung der Ventilfedern unter Kraft durch Nocken geöffnet, die integral an einer Nockenwelle gebildet sind, welche durch die Kurbelwelle des Motors durch einen Riemen und Riemenscheiben angetrieben wird. Wenn daher die Vorspannkräfte der Ventilfedern übermäßig groß sind, steigt dar Reibungsverlust auf einen unerwünschten Wert, insbesondere wenn der Motor in Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen arbeitet. Wenn jedoch die Vorspannkräfte der Ventilfedern so gewählt sind, daß sie in den Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen passen, dann wäre die Fähigkeit der Nockenfolger, den Nocken in Hochdrehzahlbereichen kontinuierlich zu folgen, vermindert, oder die Ventile unterlägen einer abnormalen Vibration, die die Vorspannkraft der Ventilfedern übersteigt, und zwar wegen der Trägheitskräfte der Ventile selbst und des herkömmlichen Ventilbetätigungssystems, wie etwa Kipphebeln, die als die Ventilfolger zur Übertragung des Nockenhubs auf die Ventilschäfte dienen, mit dem Ergebnis, daß die richtigen Einlaß- und Auslaßventilsteuerzeiten beeinträchtigt werden.
In einigen Verbrennungsmotoranordnungen, in denen mehrere Einlaßventile oder Auslaßventile in jedem Zylinder angeordnet sind, wird während Niederdrehzahlbetrieb des Motors nur ein Einlaßventil und ein Auslaßventil betätigt, oder es können mehr als eines jedes dieser Ventile so betätigt werden, daß es weniger als den vollen Betrag geöffnet werden. Während Hochdrehzahlbetrieb des Motors werden alle Ventile betätigt. Während Mitteldrehzahlbetrieb eines solchen Motors können die Anzahl der geöffneten Ventile und der Öffnungshub so gewählt werden, daß sie zwischen den Nieder- und Hochdrehzahlbetrieben liegen. Weiter können die Betriebssteuerzeiten der Ventile in Abhängigkeit von der Motordrehzahl geändert werden. Mit einer derartigen Anordnung läßt sich die Wirksamkeit, mit der das Luft-Kraftstoffgemisch in die Brennkammer geladen wird, über einen weiten Betriebsbereich erhöhen.
Bei den Ventilbetätigungsvorrichtung des oben genannten Typs ist es bekannt, Ventilfedern mit linearen Belastungscharakteristiken zu verwenden, bei denen der Federdruck, das Ventil in die Schließposition zurückzubringen, proportional zu dem Verschiebungsbetrag des Ventils aus der geschlossenen Position heraus ist.
Diese Charakteristiken herkömmlich bekannter Ventilbetätigungsvorrichtungen beinhalten verschiedene Probleme und Unzulänglichkeiten, auf deren Lösung die vorliegende Erfindung gerichtet ist.
Kraftfahrzeugmotoren, deren Arbeitsdrehzahl sich über einen weiten Bereich ändert, erfüllen nicht die Erfordernisse, sowohl in Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen die Reibung zu verringern als auch die Fähigkeit eines Ventilbetätigungssystems zu erhöhen, in einem Hochdrehzahlbereich den Nocken zu folgen. Aus der japanischen Gebrauchsmusterschrift Nr. 60- 30437 ist eine Anordnung bekannt, bei der Ventilfedern unter Hydraulikdruck zusammengedrückt werden, um die Reaktionskräfte der Ventilfedern mit dem Ziel zu erhöhen, die Vorspannkräfte zum Öffnen der Ventile zu ändern. Jedoch ist dieses System auf eine Auspuffbremse gerichtet und ist nicht notwendigerweise geeignet, die Trägheitsmasse eines Ventilbetätigungssystems in einem Hochdrehzahlbereich zu kompensieren, weil die Federkonstanten der Ventilfedern nicht variiert werden.
Für einen Ventilbetätigungsmechanismus, der wie oben beschrieben eines oder mehrere Ventile jedes Zylinders für Hochdrehzahl und Niederdrehzahlbetrieb selektiv betätigen kann, ist es schwierig, geeignete Ventilfedern auszuwählen, um unter allen Betriebsbedingungen die erwünschten Vorspannkräfte zu erzeugen. Wenn die Ventilsteuerzeiten geändert und gleichzeitig der Ventilhub erhöht werden, erhöht sich der Druck auf die Nockenoberfläche, und, unter der Annahme daß die Gleitflächen der Nocken verbreitert werden sollen, hätte dies eine unerwünschte Gewichtserhöhung des Ventilbetätigungsmechanismus zur Folge.
Aus der GB-A-2 162 245 ist es bekannt, einen Ventilbetätigungsmechanismus für einen Verbrennungsmotor aufzuzeigen, umfassend: Ein Ventil, das in einer Einlaßöffnung oder einer Auslaßöffnung einer Brennkammer angeordnet ist; Nockenmittel, die synchron mit einer Kurbelwelle drehbar sind; Nockenfolgermittel, die mit den Nockenmitteln zur betriebsmäßigen Verbindung der Nockenmittel mit dem Ventil in Eingriff stehen; Mittel zum selektiven betriebsmäßigen Verbinden der Nockenmittel mit dem Ventil, um den Betriebsmodus des Ventils gemäß veränderlichen Motorbetriebsbedingungen zu ändern; Federmittel zum Anlegen einer Ventilschließvorspannkraft an das Ventil entgegen den Nockenfolgermitteln; und Mittel, die in Antwort auf eine erste Motordrehzahl den Betrieb der Nockenfolgermittel ändern, um den Ventilöffnungshub oberhalb der ersten Motordrehzahl zu erhöhen.
Aus der DE-A-3 525 626, der DE-A-2 613 484, der JP-A-58 217 711 oder der JP-A-60 209 613 ist es bekannt, Mittel vorzusehen, um den Nockenflächendruck zwischen einem Nockenfolger und einem Nocken bei höheren Motordrehzahlen zu erhöhen.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen herkömmlichen Probleme ist es ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Ventilbetätigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor aufzuzeigen, die die Erfordernisse erfüllen kann, sowohl in Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen die Reibung zu mindern als auch die Fähigkeit des Ventilbetätigungssystems zu erhöhen, in einem Hochdrehzahlbereich den Nocken zu folgen.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbetätigungsvorrichtung Mittel umfaßt, die in Antwort auf eine zweite Motordrehzahl oberhalb der ersten Motordrehzahl, um den Nockenflächendruck zwischen den Nockenfolgermitteln und den Nockenmitteln erhöhen, wenn die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl liegt.
In einer Ausführung der Erfindung ist eine Hilfsfeder vorgesehen, und deren Betrieb ist derart gesteuert, daß in einem Niederdrehzahlbereich nur die Vorspannkräfte der Ventilfedern an den Ventilschäften auf den Ventilbetätigungsmechanismus wirken, und in einem Hochdrehzahlbereich die Vorspannkraft der Hilfsfeder ebenfalls auf den Ventilbetätigungsmechanismus wirkt. In einem gesamten Ventilbetätigungssystem können daher die Vorspannkräfte zum Öffnen der Ventile gemäß unterschiedlichen Motordrehzahlbereichen zwischen zwei Zuständen geschaltet werden.
In einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ventilbetätigungsmechanismus eine Fluiddruckvorrichtung, die direkt oder indirekt auf das Federmittel wirkt, um die Reaktionskräfte der Federmittel zu ändern, wodurch die Reaktionskraft während Hochdrehzahlbetrieb des Motors erhöht werden kann.
In einer noch weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Ventilfeder nicht linear, wodurch die Änderungsrate der auf das Ventil wirkenden Federlast mit der Erhöhung des Ventilöffnungsbetrags durch den Ventilbetätigungsmechanismus während Hochdrehzahlbetrieb des Motors erhöht wird.
Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beispielshalber beschrieben, wobei:
Fig. 1 ist eine Aufsicht auf einen Teil eines Ventilbetätigungsmechanismus mit einer Belastungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Querschnittsseitenansicht entlang im wesentlichen der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Querschnittsseitenansicht, gesehen in Richtung des Pfeils III in Fig. 1;
Fig. 4 ist eine perspektivische Teilexplosionsansicht mit weggebrochenen Teilen der in Fig. 1 dargestellten Belastungsvorrichtung;
Fig. 5 ist eine Querschnittsaufsicht entlang im wesentlichen der Linie V-V in Fig. 3, die einen Kopplungsmechanismus während Hochdrehzahlbetrieb des Motors zeigt;
Fig. 6 ist eine Querschnittsaufsicht ähnlich Fig. 5, die den Kopplungsmechanismus während Niederdrehzahlbetrieb zeigt;
Fig. 7 ist eine teilweise Querschnittsseitenansicht ähnlich den Fig. 2 und 3, die eine zweite Ausführung des Ventilbetätigungsmechanismus zeigt;
Fig. 8 ist eine Querschnittsauf sicht ähnlich den Fig. 2, 3 und 7, die eine dritte Ausführung des Ventilbetätigungsmechanismus zeigt;
Fig. 9 ist eine Aufsicht in Richtung des Pfeils IX in Fig. 8;
Fig. 10 ist eine Querschnittsseitenansicht ähnlich den Fig. 2, 3, 7 und 8, die eine vierte Ausführung zeigt;
Fig. 11 ist eine Aufsicht ähnlich Fig. 1 einer fünften Ausführung des Ventilbetätigungsmechanismus mit einer erfindungsgemäßen Belastungsvorrichtung;
Fig. 12 ist eine Querschnittsseitenansicht entlang im wesentlichen der Linie XII-XII in Fig. 11;
Fig. 13 ist eine Querschnittsseitenansicht in Richtung des Pfeils XIII in Fig. 11;
Fig. 14 zeigt in einem Graph Änderungen des Nockenflächendrucks während Betrieb der in den Fig. 11 bis 13 dargestellten Ausführung;
Fig. 15 ist eine geschnittene Seitenansicht ähnlich Fig. 12, die eine Modifikation dieser fünften Ausführung zeigt;
Fig. 16, 17 und 18 sind geschnittene Seitenansichten ähnlich den Fig. 12 und 15, die andere Ausführungen der erfindungsgemäßen Ventilbelastungsvorrichtung zeigen;
Fig. 19 ist eine Aufsicht ähnlich den Fig. 1 und 11, die eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 20 ist eine geschnittene Seitenansicht, gesehen in Richtung des Pfeils XX in Fig. 19;
Fig. 21 zeigt in einem Graph die Belastungscharakteristiken einer herkömmlichen Ventilfeder und der Ventilfedern bestimmter Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 22 ist eine geschnittene Seitenansicht entlang im wesentlichen der Linie XXII-XXII in Fig. 19;
Fig. 23 ist eine geschnittene Aufsicht entlang im wesentlichen der Linie XXIII-XXIII in Fig. 20; und
Fig. 24 und 25 sind geschnittene Seitenansichten ähnlich Fig. 20, die andere Ausführungen dieser Form der vorliegenden Erfindung zeigen.
In der nachfolgenden Beschreibung der in den Figuren dargestellten verschiedenen Ausführungen werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um Elemente oder Teile von Elementen, die sich zwischen den Ausführungen gleichen oder scheinbar gleichen, zu identifizieren. In den Ausführungen der Fig. 11 bis 18 werden Bezugszeichen in der 100-Serie verwendet, um gleiche oder ähnliche Elemente oder Abschnitte von Elementen zu identifizieren, wo dies geeignet ist. Ähnlich werden in den Ausführungen der Fig. 19 bis 25 Bezugszeichen der 200- Serie für gleiche oder ähnliche Elemente oder Teile von Elementen verwendet. Zunächst werden die Ausführungen der Fig. 1 bis 10 beschrieben.
Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, umfaßt ein Motorkörper (nicht gezeigt) ein Paar Einlaßventile 1a, 1b, die durch Zusammenwirken von Nieder- und Hochdrehzahlnocken 3, 4 geöffnet und geschlossen werden können, die mit geeignetem Querschnitt integral einer Nockenwelle 2 geformt sind, die bezüglich der Drehzahl einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) mit einem Drehzahlverhältnis von ½ synchron drehbar ist, wobei erste bis dritte Kipphebel 5 bis 7 als schwenkbare Nockenfolger in Eingriff mit den Nocken 3, 4 dienen. Der Motor hat weiter ein Paar Auslaßventile (nicht gezeigt), die in der gleichen Weise wie die Einlaßventile 1a, 1b geöffnet und geschlossen werden.
Die ersten bis dritten Kipphebel 5 bis 7 sind einander benachbart an einer Kipphebelwelle 8 schwenkbar gehalten, die unter der Nockenwelle 2 angeordnet ist und zu dieser Parallel verläuft. Die ersten und dritten Kipphebel 5, 7 haben die gleiche Grundform, und ihre Basisabschnitte sind an der Kipphebelwelle 8 schwenkbar gehalten und ihre freien Enden erstrecken sich über die Einlaßventile 1a, 1b. Durch die freien Enden der Kipphebel 5, 7 sind Einstellschrauben 9a, 9b beweglich eingeschraubt und gegen die Oberenden der Einlaßventile 1a, 1b gehalten. Die Einstellschrauben 9a, 9b sind jeweils mittels Sicherungsmuttern 10a, 10b gegen Lockern gesichert.
Der zweite Kipphebel 6 ist zwischen den ersten und dritten Kipphebeln 5, 7 an der Kipphebelwelle 8 schwenkbar befestigt. Der zweite Kipphebel 6 verläuft von der Kipphebelwelle 8 zu einer Zwischenposition bis kurz vor die Einlaßventile 1a, 1b. Wie besser in Fig. 2 zu sehen, hat der zweite Kipphebel 6 an seiner oberen Fläche eine Nockengleitfläche 6a, die mit dem Hochdrehzahlnocken 4 in Gleitkontakt gehalten ist. Ein Arm 12 einer Belastungsvorrichtung 11 (im Detail später beschrieben) hat ein freies Ende, das gegen die untere Fläche des Endes des zweiten Kipphebels 6 gehalten ist.
Die Nockenwelle 2 ist über dem Motorkörper drehbar gehalten. Der Niederdrehzahlnocken 3 ist an der Nockenwelle 2 integral so geformt, daß er zu dem ersten Kipphebel 5 fluchtet, und der Hochdrehzahlnocken 4 ist integral an der Nockenwelle 2 so geformt, daß er zu dem zweiten Kipphebel 6 fluchtet. Die Nockenwelle 2 hat einen integralen kreisförmig erhöhten Abschnitt 2a, der zu dem dritten Kipphebel 7 fluchtet, wobei eine Umfangsfläche des erhöhten Abschnitts 2a gleich dem Grundkreis der Nocken 3, 4 ist.
Wie besser in Fig. 3 zu sehen, hat der Niederdrehzahlnocken 3 einen relativ kleinen Hub und ein für Niederdrehzahlbetrieb des Motors geeignetes Nockenprofil. Eine Außenumfangsfläche des Niederdrehzahlnockens 3 ist mit einer Nockengleitfläche 5a an der oberen Fläche des ersten Kipphebels 5 in Gleitkontakt gehalten. Der Hochdrehzahlnocken 4 hat ein für Hochdrehzahlbetrieb des Motors geeignetes Nockenprofil und hat einen größeren Hub und eine größere Winkelerstreckung als der Niederdrehzahlnocken 3. Eine Außenumfangsfläche des Hochdrehzahlnockens 4 ist mit der Nockengleitfläche 6a des zweiten Kipphebels 6 in Gleitkontakt gehalten. Er erhöhte Abschnitt 2a ist in Gleitkontakt mit einer Stützfläche 7a an der oberen Fläche des dritten Kipphebels 7 gehalten, um zu verhindern, daß der dritte Kipphebel 7 während Niederdrehzahlbetrieb unerwünscht schwingt. In Fig. 3 ist zur Klarheit der Darstellung die Belastungsvorrichtung 11 weggelassen.
Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, sind die ersten bis dritten Kipphebel 5 bis 7 zwischen einer Position, in der sie als eine Einheit zusammen schwenken, und einer Position, in der sie relativ zueinander verschiebbar sind, schaltbar. Dies wird durch eine Kupplung 13 (später beschrieben) erreicht, die in Löchern angebracht ist, die die Kipphebel 5 bis 7 parallel zu der Kipphebelwelle 8 zentral durchsetzen.
Die Belastungsvorrichtung 11 hat ein an dem Zylinderkopf 14 schwenkbar gehaltenes Außenrohr 15, wobei gegenüberliegende Enden des Außenrohrs 15 um ihre eigene Achse in Winkel beweglich sind. Um das Außenrohr 15 herum ist eine Torsionsschraubenfeder 16 angeordnet, deren eines Ende mit dem Zylinderkopf 14 in Eingriff steht und deren anderes Ende mit dem Außenrohr 15 in Eingriff steht. Das Außenrohr 15 ist unter Federkraft der Torsionsschraubenfeder 16 normalerweise zur Drehung im Uhrzeigersinn gemäß Fig. 2 vorgespannt. Integral von einem Mittelabschnitt des Außenrohrs 15 steht ein Arm 12 ab, der gegen die untere Fläche des freien Endes des zweiten Kipphebels 6 gehalten ist. Der zweite Kipphebel 6 und der Arm 12 stützen sich unter der Federkraft der Torsionsschraubenfeder 16 normalerweise gegeneinander ab.
Eine Torsionsstabfeder 17 ist als ein Hilfsfedermittel durch das Außenrohr 15 eingesetzt. An einem Ende der Torsionsstabfeder 17 sind Längsverzahnungen 18a vorgesehen, durch die die Torsionsstabfeder 17 an dem Zylinderkopf 14 einseitig befestigt ist. Das andere freie Ende der Torsionsstabfeder 17 ist zur Winkelbewegung in einem Torsionsfederbereich an der Innenumfangsfläche des Außenrohrs 15 in Gleitkontakt gehalten.
Wie besser in Fig 4 zu sehen, hat das freie Ende der Torsionsstabfeder 17 einen Schlitz 18, und das entsprechende Ende des Außenrohrs 15 hat einen Schlitz 19 mit der gleichen Breite wie der Schlitz 18. Die Schlitze 18, 19 fluchten in einem Winkelbereich zueinander, in dem der Grundkreisabschnitt 4a des Hochdrehzahlnockens 4 mit der Nockengleitfläche 6a des zweiten Kipphebels 6 in Gleitkontakt steht.
Der Zylinderkopf 14, der das geschlitzte Ende des Außenrohrs 15 trägt, enthält einen relativ kurzen Zylinder 20, der zum Außenrohr 15 konzentrisch ist. In dem Zylinder 20 ist ein Schaltkolben 21 gleitend gehalten.
Ein Ende des Schaltkolbens 21 umfaßt einen Eingriffsabschnitt 22, der eine zu den Schlitzen 18, 19 des Außenrohrs 15 und der Torsionsstabfeder 17 komplementäre Form hat. Zwischen den Schaltkolben 21 und das Ende der Torsionsstabfeder 17 ist eine Druckschraubenfeder 23 eingesetzt, um den Schaltkolben 21 normalerweise in axialer Richtung von der Torsionsstabfeder 17 weg vorzuspannen.
Der Eingriffsabschnitt 22 ist so dimensioniert und angeordnet, daß er nur dann in den Schlitz 19 des Außenrohrs 15 eingreift, wenn auf den Kolben 21 keine Außenkraft angelegt wird, und er wird in die Schlitze 18, 19 gleichzeitig eingreifen, wenn der Kolben 21 gegen die Vorspannung der Kompressionsschraubenfeder 23 zu der Torsionsstabfeder 17 hin verschoben wird. Der Kolben 21 wird durch unter Druck stehendes Öl betätigt, welches von einer Öldruckquelle (nicht gezeigt) durch eine in dem Zylinderkopf 14 gebildete Hydraulikpassage 24 zugeführt wird.
An den Oberabschnitten der Einlaßventile 1a, 1b sind jeweils Halterungen 25a, 25b angebracht. Zwischen den Halterungen 25a, 25b und dem Motorkörper sind Ventilfedern 26a, 26b eingesetzt und um die Schäfte der Einlaßventile 1a, 1b herum angeordnet, um die Ventile 1a, 1b normalerweise in Schließrichtung vorzuspannen, d.h. in den Fig. 2 und 3 nach oben.
Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, hat der erste Kipphebel 5 ein erstes Führungsloch 27, das zum zweiten Kipphebel 6 hin offen ist und parallel zur Kipphebelwelle 8 verläuft. Der erste Kipphebel 5 hat weiter ein Loch 28 kleineren Durchmessers nahe dem geschlossenen Ende des ersten Führungslochs 27, wobei zwischen dem Loch 28 kleineren Durchmessers und dem ersten Führungsloch 27 eine Stufe 29 gebildet ist.
Der zweite Kipphebel 6 hat ein zweites Führungsloch 30, das mit dem ersten Führungsloch 27 in dem ersten Kipphebel 5 in Verbindung steht und zwischen seinen gegenüberliegenden Seiten verläuft.
Der dritte Kipphebel 7 hat ein drittes Führungsloch 31, das mit dem zweiten Führungsloch 30 in Verbindung steht. Der dritte Kipphebel 7 hat weiter eine Stufe 32 und ein Loch 33 kleineren Durchmessers nahe dem geschlossenen Ende des dritten Führungslochs 31. Der dritte Kipphebel 7 hat weiter ein Loch 34 kleineren Durchmessers, das den Boden des dritten Führungslochs 31 zu diesem konzentrisch durchsetzt.
Die ersten bis dritten Führungslöcher 27, 30, 31 nehmen in sich auf: einen ersten Kolben 35, der zwischen einer Position, in der die ersten und zweiten Kipphebel 5, 6 miteinander verbunden sind, und einer Position, in der sie getrennt sind, beweglich ist; einen zweiten Kolben 36, der zwischen einer position, in der die zweiten und dritten Kipphebel 6, 7 miteinander verbunden sind, und einer Position, in der sie getrennt sind, beweglich ist; einen Anschlag 37 zur Bewegungsbegrenzung der Kolben 35, 36; eine erste Schraubenfeder 38, um die Kolben 35, 36 zu den Verbindungspositionen hin vorzuspannen; und eine zweite Schraubenfeder 39, um die Kolben 35, 36 in ihre Trennpositionen vorzuspannen, wobei die zweite Schraubenfeder 39 eine größere Federkraft hat als die erste Schraubenfeder 38.
Der erste Kolben 35 ist in den ersten und zweiten Führungslöchern 27, 30 gleitbeweglich, und er begrenzt eine Hydraulikdruckkammer 40 zwischen dem Boden des ersten Führungslochs 27 und der Endfläche des ersten Kolbens 35. Die Kipphebelwelle 8 enthält eine Hydraulikpassage 41, die mit einer Hydraulikdruckzufuhreinrichtung (nicht gezeigt) in Verbindung steht, welche Passage 41 durch eine in dem ersten Kipphebel 5 vorgesehene Hydraulikpassage 42, die mit der Hydraulikdruckkammer 40 in Verbindung steht, und ein Loch 43, das in einer Umfangswand der Kipphebelwelle 8 vorgesehen ist, mit der Hydraulikdruckkammer 40 in dauernder Verbindung steht, und zwar unabhängig von der Position, in der der erste Kipphebel 5 im Winkel bewegt ist.
Die Axialdimension des ersten Kolbens 35 ist so ausgewählt, daß, wenn sein eines Ende an der Stufe 29 in dem ersten Führungsloch 27 anliegt, sein anderes Ende von der dem zweitem Kipphebel 6 gegenüber stehenden Seitenfläche des ersten Kipphebels 5 nicht vorsteht.
Die Axialdimension des zweiten Kolbens 36 ist gleich der Gesamtlänge des zweiten Führungslochs 30 und ist in den zweiten und dritten Führungslöchern 30, 31 gleitbeweglich.
Ein Ende des Anschlags 37 hat eine in das dritte Führungsloch 31 gleitend eingesetzte Ringplatte 37a, und sein anderes Ende hat eine Führungsstange 44, die das Loch 34 kleineren Durchmessers durchsetzt. Die zweite Schraubenfeder 39 ist um die Führungsstange 44 zwischen der Ringplatte 37a des Anschlags 37 und dem Boden des Lochs 33 kleineren Durchmessers angeordnet.
Nachfolgend wird der Betrieb des obigen Mechanismus beschrieben. In Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen des Motors wird der Hydraulikdruckkammer 40 der Kupplung 13 kein Hydraulikdruck zugeführt, und die Kolben 35, 36 werden unter den Vorspannkräften der zweiten Schraubenfeder 39 jeweils in die Führungslöcher 27, 30 verschoben, wie in Fig. 6 dargestellt. Daher sind die Kipphebel 5 bis 7 relativ zueinander im Winkel beweglich.
Wenn die Kipphebel durch die Kupplung 13 nicht miteinander verbunden sind, dann wird der erste Kipphebel 5 in Gleitkontakt mit dem Niederdrehzahlnocken 3 in Antwort auf Drehung der Nockenwelle 2 im Winkel bewegt, und die Öffnungszeit eines der Einlaßventile 1a ist verzögert und seine Schließzeit ist vorverlegt, während sein Hub vermindert ist. Der dritte Kipphebel 7 wird nicht im Winkel bewegt, weil der erhöhte Abschnitt 2a ein Kreisprofil hat, und daher bleibt das andere Einlaßventil 1b geschlossen. Hierbei wird der zweite Kipphebel 6 in Gleitkontakt mit dem Hochdrehzahlnocken 4 im Winkel bewegt, aber diese Winkelbewegung beeinflußt in keiner Weise den Betrieb der Einlaßventile 1a, 1b. Während der Motor in den Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen arbeitet, wird daher nur das Einlaßventil 1a geöffnet und geschlossen, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern und die Leerlaufcharakteristiken des Motors zu verbessern.
Ähnlich wird für Nieder- und Mitteldrehzahlbetrieb, wobei nur das Einlaßventil 1a betätigt wird, an den Schaltkolben 21 der Belastungsvorrichtung 11 kein Hydraulikdruck angelegt. Der Eingriffsabschnitt 22 des Kolbens 21 wird außer Kontakt mit dem Schlitz 13 der Torsionsstabfeder 17 gehalten. Daher unterliegt das Außenrohr 15 nur den Drehkräften der Torsionsschraubenfeder 16. Die Federkraft durch den Arm 12, die den Kipphebel 6 gegen den Nocken 4 drückt, ist daher während dem Nieder- und Mitteldrehzahlbereich relativ schwach. Weiter wird hierbei nur der erste Kipphebel 5 angetrieben, und das Einlaßventil 1a wird nur durch die Ventilfeder 26a zum Schließen vorgespannt.
Wenn der Motor in einem Hochdrehzahlbereich arbeiten soll, wird der Hydraulikdruckkammer 40 der Kupplung 13 Arbeitsöldruck zugeführt. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der erste Kolben 35 gegen die Vorspannung der zweiten Schraubenfeder 39 in den zweiten Kipphebel 6 hinein bewegt, wodurch der zweite Kolben 36 in den dritten Kipphebel 7 gedrückt wird. Im Ergebnis werden die ersten und zweiten Kolben 35, 36 zusammen bewegt, bis die Ringplatte 37a des Anschlags 37 mit der Stufe 32 in Eingriff tritt, worauf die ersten und zweiten Kipphebel 5, 6 durch den ersten Kolben 35 miteinander verbunden sind und die zweiten und dritten Kipphebel 6, 7 durch den zweiten Kolben 36 miteinander verbunden sind.
Wenn somit die ersten bis dritten Kipphebel 5 bis 7 durch die Kupplung 13 miteinander verbunden sind, werden die ersten und dritten Kipphebel 5, 7 gemeinsam mit dem zweiten Kipphebel 6 iiu Winkel bewegt, weil das Ausmaß der Schwenkbewegung des zweiten Kipphebels 6 in Gleitkontakt mit dem Hochdrehzahlnocken 4 am größten ist. Demzufolge wird gemäß dem Nockenprofil des Hochdrehzahlnockens 4 die Öffnungszeit der Einlaßventile 1a, 1b vorverlagert und deren Schließzeit verzögert und deren Hub vergrößert.
Im Niederdrehzahlbereich sind die Arbeitsgeschwindigkeiten der Ventile und Kipphebel relativ gering, und nur die Trägheitsmassen des ersten Kipphebels 5 und des Ventils 1a sind einbezogen, so daß die Vorspannkräfte zum Schließen der Ventile vergleichsweise gering sein können. Ein übermäßiger Anstieg der Vorspannkräfte zum Schließen der Ventile ist unerwünscht, weil die Reibung erhöht werden würde. Wenn die Motordrehzahl ansteigt und die ersten bis dritten Kipphebel 5 bis 7 miteinander verbunden sind, steigen jedoch die Arbeitsgeschwindigkeiten der Ventile und Kipphebel an, und die Trägheitsmasse des gesamten Ventilbetätigungsmechanismus ist ebenfalls größer. Infolgedessen reichen die Reaktionskräfte nur der Torsionsschraubenfeder 16 der Belastungsvorrichtung 11 und der Ventilfedern 26a, 26b nicht aus, die Einlaßventile 1a, 1b richtig zu schließen und gleichzeitig die ersten bis dritten Kipphebel 5 bis 7 anzuheben.
Wenn die Motordrehzahl eine vorbestimmte Drehzahl übersteigt, dann wird die Hydraulikpassage 24 mit der Hydraulikdruckquelle beispielsweise durch ein Solenoid betätigtes Ventil in Verbindung gebracht, welches durch ein Drehzahlsignal selektiv geöffnet wird. Wenn an den Schaltkolben 21 Hydraulikdruck angelegt wird, greift der Eingriffsabschnitt 22 des Kolbens 21 in die Schlitze 18, 19 des Außenrohrs 15 und der Torsionsstabfeder 17 ein. In dem Hochdrehzahlbereich werden das Außenrohr 15 und die Torsionsstabfeder 17 miteinander im Winkel bewegt. Daher legt die Torsionsstabfeder 17 in dem Hochdrehzahlbereich eine zusätzliche Drehkraft an dem Arm 12 an, um hierdurch die Kraft zu erhöhen, mit der die hockengleitfläche 6a des zweiten Kipphebels 6 gegen den Hochdrehzahlnocken 4 gedrückt wird. Die Ventilfedern 26a, 26b brauchen jetzt nur noch die Trägheitsbewegung der Einlaßventile 1a, 1b beim Schließen bewältigen.
Obwohl in der obigen Ausführung der Schaltkolben 21 hydraulisch betätigt wird, kann er auch durch ein elektromagnetisches Mittel betätigt werden. Die Schaltzeiten der Belastungsvorrichtung 11 und der Kupplung 13 können gemäß Charakteristiken des Motors in geeigneter Weise bestimmt werden.
Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung. Diejenigen Teile in Fig. 7, die denen der ersten Ausführung gleichen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nachfolgend im Detail nicht beschrieben. In dieser zweiten Ausführung ist die Kipphebelwelle 8 über der Nockenwelle 2 angeordnet. Ein Ende 71a eines schwenkbeweglichen Kipphebels 71 steht in Gleitkontakt mit der Außenumfangsfläche eines Nockens 72, und sein anderes Ende 71b steht mit dem Ventilschaftende eines Ventils 1 durch eine Einstellschraube 9 in Eingriff. Der Arm 12 der Belastungsvorrichtung 11 drückt das Ende 71a des Kipphebels 71 nach unten gegen die Nockenfläche des Nockens 72. Wie bei der ersten Ausführung drückt die Torsionsstabfeder 17 mit zusätzlicher Drehkraft auf den Kipphebel 71, wenn die Motordrehzahl eine vorbestimmte Drehzahl überschreitet.
Fig. 8 und 9 zeigen eine dritte Ausführung, in der ein Ventil 1 durch einen als Schwingarm 82 ausgebildeten Nockenfolger geöffnet wird, der durch ein Kugellager 81 gehalten ist. Der Arm 12 der Belastungsvorrichtung 11 hat ein zweigeteiltes oder gegabeltes freies Ende 83, das in eine Ringnut 85 eingreift, die in der Außenumfangsfläche eines an dem Schaftende des Ventils 1 gesicherten Federhalters 84 vorgesehen ist. Durch diese Anordnung kann eine Zusatzkraft direkt auf das Ventil 1 wirken, um das Ventil zu schließen und um den Nockenfolger gegen den Nocken zu drücken, und zwar unabhängig vom Typ des Schwingarms oder Kipphebels, und daher kann die Federkraft der Ventilfeder durch selektiven Betrieb der Belastungsvorrichtung 11 zwischen zwei Zuständen geändert werden.
Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführung, die in einem Direkthub- Ventilbetätigungsmechanismus enthalten ist, bei dem das Ventil 1 durch einen Nocken 91 direkt angetrieben ist. Die Belastungsvorrichtung 11 der vierten Ausführung ist die gleiche wie in der dritten Ausführung, außer daß das zweigeteilte oder gegabelte freie Ende 83 des Arms 12 in eine Ringnut eingreift, die in der zylindrischen Fläche eines kolbenartigen Folgers 92 vorgesehen ist.
Während in den obigen Ausführungen eine Torsionsstabfeder als Hilfsfedermittel verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Feder beschränkt, sondern man kann auch die Elastizität des Arms selbst nutzen.
Wie oben bezüglich der Ausführungen nach den Fig. 1 bis 10 beschrieben, wirken in den Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen nur die Vorspannkräfte der Ventilfedern auf die Ventile und nur die Schraubenfeder wirkt auf den Nockenfolger, und im Hochdrehzahlbereich wirkt die Vorspannkraft des Hilfsfedermittels wie etwa der Torsionsstabfeder ebenfalls auf den Ventilbetätigungsmechanismus. Daher können die Federkonstanten der Ventilfedern relativ klein sein. Weil in den Niederund Mitteldrehzahlbereichen der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann und im Hochdrehzahlbereich die Fähigkeit des Ventilbetätigungsmechanismus, den Nocken zu folgen, erhöht wird, sind diese Ausführungen der vorliegenden Erfindung im hohen Maße vorteilhaft, die Betriebscharakteristiken des Motors in einem weiteren Bereich zu verbessern.
Die Fig. 11 bis 19 zeigen zusätzliche Ausführungen der vorliegenden Erfindung, die ein wenig abweichende Komponenten verwenden, um eine ähnliche Variation der Vorspannkräfte zu erreichen, die auf die Ventilfedern und die Nockenfolger wirken. Wie in Fig. 11 gezeigt, hat ein Motorkörper (nicht gezeigt) ein Paar Einlaßventile 101a, 101b, die durch Zusammenwirken eines Paars Niederdrehzahlnocken 103a, 103b und eines einzelnen Hochdrehzahlnockens 104 geöffnet und geschlossen werden können, die in geeigneter Form an einer Nockenwelle 2 integral geformt sind, die mit einem Drehzahlverhältnis von ½ bezüglich der Drehzahl einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) synchron drehbar ist, wobei erste bis dritte Kipphebel 105 bis 107 als Nockenfolger dienen, die in Eingriff mit den Nocken 103a, 103b und 104 schwenkbar sind. Der Motor hat weiter ein Paar Auslaßventile (nicht gezeigt), die in der gleichen Weise wie die Einlaßventile geöffnet und geschlossen werden.
Wie bei der ersten Ausführung sind die ersten bis dritten Kipphebel 105 bis 107 an einer Kipphebelwelle 108 nebeneinander schwenkbar gehalten, die unter der Nockenwelle 102 angeordnet ist und zu dieser parallel verläuft. Die ersten und dritten Kipphebel 105, 107 haben die gleiche Grundform, und ihre Basisabschnitte sind an der Kipphebelwelle 108 schwenkbar gehalten und ihre freien Enden erstrecken sich über die Einlaßventile 101a, 101b. Durch die freien Enden der Kipphebel 105, 107 sind Einstellschrauben 109a, 109b beweglich eingeschraubt und gegen die oberen Enden der Einlaßventile 101a, 101b gehalten. Die Einstellschrauben 109a, 109b sind jeweils mittels Sicherungsmuttern 110a, 110b gegen Lösen gesichert.
Der zweite Kipphebel 106 ist an der Kipphebelwelle 108 zwischen den ersten und dritten Kipphebeln 106, 107 schwenkbar gehalten. Der zweite Kipphebel 106 erstreckt sich von der Kipphebelwelle 108 zu einer Zwischenposition bis kurz vor die Einlaßventile 101a, 101b. Wie besser in Fig. 12 zu sehen, hat der zweite Kipphebel 106 an seiner oberen Fläche eine Nockengleitfläche 106a, die in Gleitkontakt mit dein Hochdrehzahlnocken 104 gehalten ist. Ein Arm 112 einer Belastungsvorrichtung 111 (im Detail später beschrieben) hat ein oberes Ende, das gegen die untere Fläche des Endes des zweites Kipphebels 106 gehalten ist.
Die Nockenwelle 102 hat Niederdrehzahlnocken 103a, 103b, die daran integral gebildet sind und zu den ersten und dritten Kipphebeln 105, 107 fluchten, und einen daran integral geformten Hochdrehzahlnocken 104, der zu dem zweiten Kipphebel 106 fluchtet. Wie besser in Fig. 13 zu sehen, haben die Niederdrehzahlnocken 103a, 103b einen relativ kleinen Hub und ein für Niederdrehzahlbetrieb des Motors geeignetes Nockenprofil. Außenumfangsflächen der Niederdrehzahlnocken 103a, 103b sind jeweils in Gleitkontakt mit Nockengleitflächen 105a, 107a an den oberen Flächen der ersten und dritten Kipphebel 105, 107 gehalten. Der Hochdrehzahlnocken 104 hat ein für Hochdrehzahlbetrieb des Motors geeignetes Nockenprofil und einen größeren Hub und eine größere Winkelerstreckung als die Niederdrehzahlnocken 103a, 103b. Eine Außenumfangsfläche des flochdrehzahlnockens 104 steht in Gleitkontakt mit der Nockengleitfläche 106a des zweiten Kipphebels 106. Zur Klarheit ist in der Darstellung in Fig. 13 die Belastungsvorrichtung 111 weggelassen.
Die ersten bis dritten Kipphebel 105 bis 107 sind zwischen einer Position, in der sie zusammen schwenken, und einer Position schaltbar, in der sie durch eine Kupplung (ohne Bezugszeichen) relativ verschiebbar sind, welche Kupplung vom selben Typ ist wie oben unter Bezug auf die erste Ausführung beschrieben und in den Fig. 5 und 6 gezeigt, deren Beschreibung hier nicht wiederholt wird.
Wie in Fig. 12 dargestellt, umfaßt die Belastungsvorrichtung 111 ein Führungsloch 115, vorgesehen in einem Zylinderkopf 114 im wesentlichen parallel zu den Achsen, entlang denen die Einlaßventile 101a, 101b (in Fig. 12 nicht gezeigt) gleitbeweglich sind; einen Heber 112 der in das Führungsloch 115 gleitend eingesetzt ist; eine Schraubenfeder 116, um den Heber 112 normalerweise nach oben vorzuspannen; und einen Kolben 117, der zwischen dem unteren Ende der Schraubenfeder 116 und dem Boden eines Abschnitts 115a größeren Durchmessers des Führungslochs 115 gehalten ist. Der Kolben 117 ist fluiddicht in den Abschnitt 115a größeren Durchmessers gleitend eingesetzt. Der Kolben 117 ist entlang der Innenumfangsfläche des Abschnitts 115a größeren Durchmessers unter Hydraulikdruck nach oben beweglich, der von einer nicht dargestellten Hydraulikdruckguelle durch eine Hydraulikpassage 119 und eine Hydrauliköffnung 118 im Boden des Führungslochs 115 zugeführt wird.
An den Oberabschnitten der Einlaßventile 101a, 101b sind jeweils Halterungen 125a, 125b angeordnet. Zwischen die Halterungen 125a, 125b und den Motorkörper sind Ventilfedern 126a, 126b eingesetzt und um die Schäfte der Einlaßventile 101a, 101b herum angeordnet, um die Ventile normalerweise in eine Schließrichtung vorzuspannen, d.h. in Fig. 13 nach oben.
Nachfolgend wird der Betrieb des obigen Mechanismus der Fig. 11 bis 13 beschrieben. In Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen des Motors wird die Kupplung (Kupplung 13 in den Fig. 5 und 6) nicht betätigt und daher sind die Kipphebel 105, 106, 107 relativ zueinander im Winkel beweglich. Wenn die Kipphebel voneinander getrennt werden, werden die ersten und dritten Kipphebel 105, 107 in Gleitkontakt mit den Niederdrehzahlnocken 103a, 103b in Antwort auf Drehung der Nockenwelle 102 bewegt, und die Öffnungszeit der Einlaßventile 101a, 101b ist verzögert und ihre Schließzeit ist vorverlegt, während ihr Hub vermindert ist. Hierbei wird der zweite Kipphebel 106 in Gleitkontakt mit dem Hochdrehzahlnocken 104 im Winkel bewegt, jedoch beeinflußt diese Winkelbewegung den Betrieb der Einlaßventile 101a, 101b in keiner Weise. Weiter wird an den Kolben 117 der Belastungsvorrichtung 111 kein Hydraulikdruck angelegt. Weil der Anfangsbiegebetrag der in dem Führungsloch 115 unter Druck eingesetzten Druckschraubenfeder 116 relativ klein ist, liegt die Reibung zwischen dem zweiten Kipphebel 106 und dem Hochdrehzahlnocken 104 in einem sehr kleinen Bereich, obwohl der zweite Kipphebel 106 jederzeit gegen den Hochdrehzahlnocken 104 vorgespannt ist (Fig. 12).
Wenn der Motor in einem Hochdrehzahlbereich arbeiten soll, wird der Kupplung Arbeitsöldruck zugeführt, um die Kipphebel 105, 106, 107 miteinander zu verbinden, wie oben unter Bezug auf Kupplung 13 in der ersten Ausführung beschrieben. Wenn somit die ersten bis dritten Kipphebel 105, 106, 107 durch die Kupplung zur gemeinsamen Bewegung miteinander verbunden sind, werden alle Kipphebel zusammen mit dein zweiten Kipphebel 106 im Winkel bewegt, weil das Ausmaß der Schwenkbewegung des zweiten Kipphebels 106 in Gleitkontakt mit dem Hochdrehzahlnocken 104 am größten ist. Demzufolge wird gemäß dem Nockenprofil des Hochdrehzahlnockens 104 die Öffnungszeit der Einlaßventile 101a, 101b vorverlegt und ihre Schließzeit wird verzögert und ihr Hub erhöht.
Im Niederdrehzahlbereich sind die Betriebsgeschwindigkeiten der Ventile und der Kipphebel relativ gering, so daß die Vorspannkräfte zum Schließen der Ventile vergleichsweise klein sein können. Wenn die Motordrehzahl ansteigt und die ersten bis dritten Kipphebel 105 bis 107 miteinander verbunden werden, steigen jedoch die Betriebsgeschwindigkeiten der Ventile und Kipphebel und die Trägheitsmasse des gesamten Ventilbetätigungsmechanismus steigt ebenfalls. Infolgedessen müssen im Hochdrehzahlbereich, diejenigen Kräfte erhöht werden, die die Einlaßventile 101a, 101b schließen und die Kipphebel zu den Nocken hin anheben wollen. Wenn gemäß dieser Ausführung der vorliegenden Erfindung die Motordrehzahl eine vorbestimmte Drehzahl überschreitet, wird die Hydraulikpassage 119 mit der Hydraulikdruckquelle durch ein beispielsweise Solenoid-betätigtes Richtungssteuerventil in Verbindung gebracht, das durch ein Drehzahlsignal selektiv geöffnet wird. Nach Einführung von Drucköl durch die Öffnung 118 wird der Kolben 117 nach oben in Anlage gegen eine Stufe 115b bewegt, die durch den Abschnitt 115a größeren Durchmessers gebildet ist. Hierbei wird die Schraubenfeder 116 komprimiert, wodurch die nach oben vorspannende Kraft gegen den zweiten Kipphebel 106 erhöht wird.
Fig. 14 zeigt die Steuerzeiten und die Änderung des Oberflächendrucks zwischen den Nocken und den Nockengleitflächen dieser Ausführung. Wenn die Ventilfedern 126a, 126b für die gesamten Drehzahlbereiche geeignete Federkonstanten hätten und nur die Ventilsteuerzeiten bei einer vorbestimmten Drehzahl N1 geändert würden, dann wäre der Oberflächendruck im Niederdrehzahlbereich relativ groß, wie in Fig. 14 mit unterbrochenen Linien gezeigt, was eine Reibungserhöhung zur Folge hätte. Normalerweise mindert sich der Nockenoberflächendruck mit Erhöhung der Drehzahl. Wenn jedoch der Ventilhub durch Änderung der Ventilsteuerzeiten erhöht wird, steigt der Nockenoberflächendruck abrupt an. Weil der maximale Oberflächendruck P1 zu dieser Zeit auf den Hochdrehzahlnocken 104 und den zweiten Kipphebel 106 wirkt, müßte die Fläche, mit der der Nocken und die Nockengleitfläche in Kontakt sind, relativ groß sein. Jedoch ist in der dargestellten Vorrichtung der Oberflächendruck zwischen dem Nocken und dem Nockenfolger in allen Drehzahlbereichen verringert, was in Fig. 14 mit durchgehenden Linien dargestellt ist.
Die Federkonstanten der Ventilfedern 101a, 101b sind relativ gering gewählt, so daß sie nur in den Nieder- und Mitteldrehzahlbereichen ausreichen, um hierdurch den Nockenflächendruck im Niederdrehzahlbereich zu vermindern. Daher wird der maximale Oberflächendruck P2 in Fig. 14 ebenfalls relativ gering gehalten, wenn die Ventilsteuerzeit bei der ersten Motordrehzahl N1 gewechselt wird. Wenn bei der zweiten Motordrehzahl N2 durch die Belastungsvorrichtung 111 eine Vorspannkraft gegen den zweiten Kipphebel 106 hinzugefügt wird, steigt der Nockenflächendruck wieder an, aber dieser Anstieg wird im Vergleich zu dem während dem Wechsel der Ventilsteuerzeit (N1) auf einem relativ geringen Pegel gehalten.
Fig. 15 zeigt eine Ausführung, die eine Modifikation der oben beschriebenen Ausführung der Fig. 11 bis 13 ist. In dieser Ausführung wird der an den Kolben 117 in der ersten Ausführung angelegte Hydraulikdruck durch einen Pneumatikdruck ersetzt, der durch eine Passage 120 vom Boden des Führungslochs 115 her auf den Heber 112 wirkt. Weil der angelegte Pneumatikdruck als eine Feder wirkt, läßt sich die Federkonstante durch Wechseln des Drucks komprimierter Luft geeignet ändern.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung, worin ein Zylinder 150 in einem die Ventilfeder haltenden Abschnitt des Zylinderkopfs 114 gebildet ist, und ein Federsitz 152 ist zwischen dem Boden des Zylinders 150 und dem Unterende der Ventilfeder 126a (126b) um einen Ventilschaft 151 herum angeordnet. Der Federsitz 152 ist entlang der Achse des Ventilschafts 151 beweglich. Durch eine in dem Zylinderkopf 114 gebildete Hydraulikpassage 119 wirkt ein Hydraulikdruck auf die Unterfläche des Federsitzes 152, um den Anfangsbiegebetrag der Ventilfeder 126a (126b) zu ändern. Es wird die gleiche Steuerung durchgeführt wie bei der Belastungsvorrichtung der Ausführung der Fig. 1 bis 13, um die Vorspannkräfte zum Schließen der Einlaßventile 101a, (101b) zu ändern.
Fig. 17 zeigt noch eine weitere Ausführung, in der eine obere Ventilhalterung 153 die Form eines Kolbens hat, der an einer inneren Zylinderfläche 154 des Zylinderkopfs 114 gleiten kann. Durch eine in dem Zylinderkopf 114 gebildete Passage 150 wirkt ein Hydraulikdruck auf die Innenfläche der Ventilfederhalterung 153, um die Reaktionskraft von Druckluft zu der Ventilfeder 126a (126b) zu addieren, die eine Schraubenfeder umfaßt, wie bei der Ausführung nach Fig. 15.
Fig. 18 zeigt eine weitere Ausführung, in der durch eine in einem unteren Abschnitt einer Hubführung 156 gebildete Passage 120 ein Pneumatikdruck an die Innenfläche eines kolbenförmigen direkten Hebers 155 wirkt, der direkt durch die Nockenwelle 102 angetrieben werden kann. Die gleichen Vorteile wie die der oben beschriebenen Ausführung nach Fig. 17 können in dieser Ausführung weggelassen werden.
Die Ausführungen der Fig. 11 bis 18 der vorliegenden Erfindung sind nicht nur in einem Motor mit mehreren Einlaßventilen pro Motorzylinder anwendbar, wie oben beschrieben, sondern auch in einem Motor mit einem einzelnen Einlaßventil pro Zylinder. Die Erfindung kann mit einem Ventilabschaltmechanisinus sowie dem Ventilsteuerzeiten-Änderungsmechanismus kombiniert werden. Insbesondere ist die Vorspannkraft einer Ventilfeder für ein jederzeit arbeitendes Ventil auf einen weichen Wert eingestellt, wenn das andere Ventil ruht oder abgeschaltet ist, und sie wird auf einen stärkeren Wert eingestellt, wenn beide Ventile betätigt werden. Die Drehzahl, bei der die Ventilsteuerzeit geändert werden soll, und die Drehzahl, bei der die Ventilfederlast geändert werden soll, können gemäß Betriebscharakteristiken des Motors geeignet bestimmt werden.
Nun zu den Ausführungen gemäß Fig. 19 bis 25. Hier werden wieder die Komponenten zum Erreichen einer ähnlichen Änderung der auf die Ventile und den Betätigungsmechanismus wirkenden Vorspannkräfte verwendet, die sich ein wenig von denjenigen Komponenten unterscheiden, die unter Bezug auf die vorstehenden Ausführungen nach Fig. 1 bis 18 gezeigt und beschrieben wurden. Die Grundanordnung und der Betrieb der Ventile, der Kipphebel, der Nockenwelle und der Nocken sind die gleichen, und ihr Betrieb wird hier im einzelnen nicht wiederholt. Wieder sind Kipphebel 207, 208, 209 an einer Kipphebelwelle 206 schwenkbar angebracht, so daß sie mit Nocken 203, 203, 205 in Eingriff stehen, wobei die Kipphebel 207 und 208 mit den Ventilen 201a, 201b in Eingriff stehen. Durch selektives Verbinden oder Trennen der Kipphebel 207, 208, 209 durch den Kupplungsmechanismus 231 mit den Kupplungsstiften 232, 233, 234 schwenken die Kipphebel gemeinsam oder unabhängig. An den Kipphebeln 207 und 208 sind Einstellschrauben 212, 213 vorgesehen, so daß sie mit den Enden der Ventile 201a und 201b einstellbar in Eingriff stehen. An den Oberenden der Einlaßventile 201a, 201b sind Flansche 214, 215 angebracht, mit denen die Ventilfedern in Eingriff stehen, welche die Ventile umkreisen und zwischen den Flanschen und dem Zylinderkopf des Motors E verlaufen.
In den Ausführungen der Fig. 19 bis 25 haben die Ventilfedern eine Form, die sich von den oben beschriebenen herkömmlichen Ventilfedern 26a, 26b, 126a, 126b unterscheidet. In der Ausführung nach Fig. 20 sind die Ventilfedern 216, 217 mit Windungen versehen, deren Steigung p ungleichförmig ist, d.h. von beiden Enden der Feder zu deren Mitte hin progressiv größer. Die Lastcharakteristikkurve einer solchen Schraubenfeder mit ungleichförmiger Steigung ist in Fig. 21 mit durchgehender Linie dargestellt, im Vergleich zur geraden strichpunktierten Linie, die eine herkömmliche Schraubenfeder darstellt. Mit größer werdender Verschiebung der Ventilfeder in einer Ventilöffnungsrichtung, d.h. mit größer werdendem Kompressionsbetrag der Ventilfeder, nimmt die Ventillast zu. Die Änderungsrate dieser Federlast wir mit größerem Kompressionsbetrag größer. Insbesondere, während eine Schraubenfeder gleichförmiger Steigung eine lineare Lastcharakteristikkurve hat, die in Fig. 21 durch die gerade strichpunktierte Linie dargestellt ist, hat jede der Ventilfedern 216, 217, die eine Schraubenfeder mit nicht gleichförmiger Steigung ist, eine nicht lineare Lastcharakteristikkurve.
Zusätzlich zu der Federvorspannkraft, die durch die Federn 216 und 217 auf die Ventile wirkt, ist ein Zylinderheber 219 so angeordnet, daß er die untere Fläche des dritte Kipphebels 209 abstützt, und eine Heberfeder 220 spannt den dritten Kipphebel 209 federnd in Eingriff mit den Hochdrehzahlnocken 205, wodurch die Kraft der Feder 220 während Niederdrehzahlbetrieb die einzige Eingriffskraft zwischen dem Kipphebel 209 und dem Nocken 205 ist.
Während Hochdrehzahlbetrieb werden die Kipphebel 207, 208, 209 miteinander verbunden und sie bewegen sich gemeinsam, wodurch die Schließkraft auf die Ventile und den Kipphebel 209 in Eingriffsrichtung gegen den Hochdrehzahlnocken 205 eine Kombination der Ventilfedern 216, 217 und der Heberfeder 220 ist.
Während dem Öffnen und Schließen der Ventile 201a, 201b ändert sich die durch die Ventilfedern 216, 217 wirkende federnde Schließkraft relativ zu dem Kompressionsbetrag. Wie in Fig. 21 gezeigt, sind der Kompressionsbetrag und die Last der Ventilfeder 216, 217, wenn die ersten und zweiten Kipphebel 207, 208 in Gleitkontakt mit den Grundkreisen 203b des Niederdrehzahlnockens 3 sind, jeweils mit δ0, P0 bezeichnet. Während Niederdrehzahlbetrieb, wenn die Kipphebel 7, 8 mit der Nockennase 3a in Eingriff stehen, werden der Kompressionsbetrag und die Federlast jeweils δ1 und P1. Während Hochdrehzahlbetrieb, wenn der Kipphebel 209 mit der Hochdrehzahlnockennase 205a in Eingriff steht, werden die Kompression und die Federlast jeweils δ2 und P2. Wenn herkömmliche Ventilfedern mit linearen Lastcharakteristiken verwendet würden, würde die Federlast während Niederdrehzahlbetrieb P1', vorausgesetzt, die Federlast während Hochdrehzahlbetrieb ist ebenfalls P2. Daher ist mit einer herkömmlichen Feder die Federlast bei Niederdrehzahlbetrieb größer als die Federlast P1 der erfindungsgemäßen Schraubenfedern ungleichförmiger Steigung.
Anders gesagt kann die Federlast der Ventilfedern 216, 217 während Niederdrehzahlbetrieb relativ gering sein, um hierdurch den Reibungsverlust zwischen den Niederdrehzahlnocken 203, 203 und den ersten und zweiten Kipphebeln 207, 208 zu verringern. Weil der Druck auf die Nockenflächen ebenfalls verringert ist, kann die Breite der Nockengleitflächen 210, 211 ebenfalls verringert werden.
Fig. 24 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, deren meiste Teile denen der vorangehenden Ausführung gleichen. Zwischen den Einlaßventilen 201a, 201b und dem Motorkörper E eingesetzte Ventilfedern 216a, 217a umfassen zugespitzte Schraubenfedern, bei denen sich der Durchmesser d ihres Federdrahts in Längsrichtung der Feder ändert. Im Ergebnis hat diese Ausführung die gleichen Vorteile wie die voranstehende Ausführung. Als weitere Ausführung kann für jede der Ventilfedern 216b, 217b eine konische Schraubenfeder verwendet werden, wie in Fig. 25 gezeigt. Als noch weitere Ausführung kann eine Ventilfeder mehrere Ventilfedern umfassen, die in Serie oder Ende an Ende gekoppelt sind, wobei die Schraubenfedern unterschiedliche Federkonstanten haben.
Bei den oben beschriebenen Ausführungen der Fig. 19 bis 25 der vorliegenden Erfindung hat eine Ventilfeder nicht-lineare Lastcharakteristiken, bei denen sich die Änderungsrate der Federlast mit Erhöhung des Verschiebungsbetrags der Ventilfeder in eine Ventilöffnungsrichtung erhöht. Daher kann die Federlast der Ventilfeder während Niederdrehzahlbetrieb eines Motors kleiner gehalten werden als bei einer herkömmlichen Feder mit linearen Lastcharakteristiken, mit dem Ergebnis, daß der Reibungsverlust verringert werden kann. Dennoch ist die Federlast während Hochdrehzahlbetrieb in der vollständig geöffneten Position des Ventils die gleiche wie bei einer herkömmlichen Feder.

Claims

1. Ventilbetätigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend: ein Ventil (1a, 1b; 1; 101a, 101b; 201a, 201b), das in einer Einlaßöffnung oder einer Auslaßöffnung einer Brennkammer angeordnet ist; Nockenmittel (4; 72; 91; 104; 205), die synchron mit einer Kurbelwelle drehbar sind; Nockenfolgermittel (6; 71; 82; 92; 106; 155; 209), die mit den Nockenmitteln zur betriebsmäßigen Verbindung der Nockenmittel mit dem Ventil in Eingriff stehen; Mittel (13; 231) zum selektiven betriebsmäßigen Verbinden der Nockenmittel mit dem Ventil, um den Ventilbetriebsmodus gemäß veränderlichen Motorbetriebsbedingungen zu ändern; Federmittel (26a, 26b; 126a, 126b; 216, 217; 216a, 217a; 216b, 217b) zum Anlegen einer ventilschließenden Vorspannkraft an das Ventil entgegen den Nockenfolgermitteln; und Mittel, die in Antwort auf eine erste Motordrehzahl (N1) den Betrieb der Nockenfolgermittel ändern, um den Ventilöffnungshub oberhalb der ersten Motordrehzahl zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbetätigungsvorrichtung Mittel (11; 111; 150, 152; 153, 154; 156) umfaßt, die in Antwort auf eine zweite Motordrehzahl (N2) oberhalb der ersten Motordrehzahl (N1) den Nockenflächendruck zwischen den Nockenfolgermitteln (6; 71; 82; 92; 106; 155; 209) und den Nockenmitteln (4; 72; 92; 104; 205) erhöhen, wenn die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl liegt.

2. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend: ein Hilfsfedermittel (17) zum Anlegen einer den Nockenflächendruck erhöhenden Kraft und Mittel zum Anlegen der Kraft von Hilfsfedermitteln, wenn die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl (N2) liegt.

3. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, in der das Hilfsfedermittel (17) das Nockenfolgermittel (6) in eine Druckrichtung gegen das Nockenmittel (4) vorspannt.

4. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, in der das Hilfsfedermittel (17) eine Torsionsstabfeder (17) umfaßt.

5. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, in der das Hilfsfedermittel (17) einen schwenkbar angebrachten Arm (12) umfaßt, der direkt oder indirekt auf das Nockenfolgermittel (6) wirkt.

6. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 5, in der das Hilfsfedermittel (17) eine Schraubenfeder (16) umfaßt, um den Arm (12) mit einer vorbestimmten geringen Kraft zum Eingriff mit dem Nockenfolgermittel (6) kontinuierlich vorzuspannen.

7. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, in der der schwenkbare Arm (12) einen schwenkbar angebrachten Rohrabschnitt (15) mit einem abstehenden Armabschnitt umfaßt, und die Schraubenfeder (16) mit dem Rohrabschnitt in Eingriff steht, um den schwenkbaren Arm kontinuierlich mit einer relativ geringen Vorspannkraft zu dem Nockenfolgermittel (6) hin zu schwenken.

8. Ventilbetätigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 7, in der die Torsionsstabfeder (17) in dem Rohrabschnitt (15) angebracht ist und Mittel (18, 19) vorhanden sind, um die Torsionsstabfeder mit dem Rohrabschnitt selektiv zu verbinden, um dem Schwenken des schwenkbaren Arms (12) durch das Nockenfolgermittel (6) und das Nockenmittel (4) während Motorbetrieb mit über der zweiten Motordrehzahl (N2) liegenden Drehzahlen federnd entgegen zu wirken.

9. Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend: einen an dem Ventil (1) gesicherten Flansch (84), der eine Nut (85) festlegt, und einen schwenkbaren Arm (12) mit einer in die Nut eingreifenden Gabel (83), um dem Öffnen des Ventils federnd entgegen zu wirken.

10. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend: eine Fluiddruckvorrichtung (111; 150, 152; 153, 154; 156) zum Anlegen einer Kraft zur Erhöhung des Nockenflächendrucks.

11. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, umfassend: eine direkt an dem Ventil (101a, 101b) angebrachte erste Feder (126a, 126b) und eine von der ersten Feder getrennte zweite Feder (116), wobei die Fluiddruckvorrichtung der zweiten Feder zugeordnet ist.

12. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, in der das Ventil (101a, 101b) einen Kopf und einen Schaft hat, und wobei eine Druckschraubenfeder (126a, 126b) um den Schaft herum angeordnet ist, wobei die Fluiddruckvorrichtung an eines der Enden des Federmittels einen Fluiddruck anlegt, um den Nockenflächendruck zu erhöhen.

13. Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, in der die Fluiddruckvorrichtung umfaßt einen Kolben (117; 112; 152; 153; 155) und Zylinder (115; 150; 154; 156) mit Mitteln (118, 119; 120), um zur Erhöhung des Nockenflächendrucks an dein Kolben selektiv einen Fluiddruck anzulegen.

14. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 13, in der der Fluiddruck ein pneumatischer Druck ist, der komprimierbar ist, so daß sich der Kolben (112; 153, 155) bewegen kann.

15. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 13, in der der Fluiddruck durch ein inkompressibles Fluid bewirkt wird und wobei eine Schraubenfeder (116; 126a, 126b) so angeordnet ist, daß sie durch erhöhten Fluiddruck komprimiert wird, um den Nockenflächendruck zu erhöhen.

16. Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und nach Anspruch 12, worin der Kolben (152; 153; 155) und der Zylinder (150; 154; 156) zu dem Ventil konzentrisch sind und dieses umgeben.

17. Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Ventilbetätigungsvorrichtung umfaßt einen Niederdrehzahlnocken (3; 103a, 103b; 203) und einen Hochdrehzahlnocken (4; 104; 205); einen Niederdrehzahlnockenfolger (5; 105, 107; 207, 208), der mit dem Niederdrehzahlnocken in Eingriff steht und von diesem verschwenkt wird; einen Hochdrehzahlnockenfolger (6; 106; 209), der mit dem Hochdrehzahlnocken in Eingriff steht und durch diesen verschwenkt wird; Mittel (13; 231) zum selektiven Betätigen des Ventils durch den Niederdrehzahlnockenfolger für Motordrehzahlen unter der ersten Motordrehzahl (N1) und durch den Hochdrehzahlnockenfolger für Motordrehzahlen über der ersten Motordrehzahl.

18 Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Federmittel umfaßt: eine schraubenartige Ventilfeder (216, 217; 216a, 217a; 216b, 217b), die das Ventil (201a, 201b) umgibt und das Ventil zur Schließposition hin federnd vorspannt; wobei die Ventilfeder nicht-lineare Lastcharakteristiken aufweist, um eine steigende Änderungsrate der durch die Feder angelegten Vorspannkraft zu bewirken, wenn deren Kompression durch verstärkte Ventilöffnung ansteigt, was stattfindet, wenn die Motordrehzahl über der ersten Motordrehzahl (N1) liegt.

19. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 18, in der die Ventilfeder (216, 217) Windungen veränderlicher Steigung (p) aufweist, wobei die Windungen an den Enden der Ventilfeder eine kleinere Steigung haben als die Windungen in der Mitte der Ventilfeder.

20. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 18, in der die Ventilfeder (216b, 217b) konisch ist und die Windungen an ihrem einen Ende einen größeren Durchmesser haben als an ihrem anderen Ende.

21. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 18, in der die Ventilfeder (216a, 217a) aus einem Federdraht mit einem veränderlichen Durchmesser (d) geformt ist, wobei die Windungen an einem Ende einen großen Drahtdurchmesser haben und der Drahtdurchmesser zum anderen Ende hin abnimmt.

22. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, in der das Ventil (201a, 201b) mit wenigstens einem mehrerer Nockenfolger (207, 208, 209) betriebsmäßig gekoppelt ist, wobei ein selektiver Kopplungsmechanismus (231) zwischen den Nockenfolgern angeordnet ist, um die Nockenfolger selektiv miteinander zu verbinden und voneinander zu trennen, und wobei die Federmittel eine Ventilfeder (216, 217; 216a, 217a; 216b, 217b) umfassen, die zwischen dem Ventil und einem Motorkörper (E) eingesetzt ist, welche Ventilfeder nicht-lineare Lastcharakteristiken hat, wobei die Änderungsrate der Federlast mit dem Anstieg des Verschiebungsbetrags der Ventilfeder in einer Ventilöffnungsrichtung ansteigt.

23. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 22, in der die Ventilfeder (216, 217; 216a, 217a; 216b, 217b) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 ausgebildet ist.

24. Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, in der die Kraft direkt an die Nockenfolgermittel (6; 71; 82; 92; 106; 155) angelegt wird, um den Nockenflächendruck zu erhöhen.

25. Verbrennungsmotor mit einer Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.