DE4036010A1

DE4036010A1 - Verstellbarer nockenwellenantrieb fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4036010A1
Application number: DE19904036010
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Kahrs; Gerhard Kunz
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1992-05-14

Description

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zylinderbank, wobei jedem Zylinder mindestens ein Einlaßventil und mindestens ein Auslaßventil zugeordnet ist, und die Kolben der Zylinder eine gemeinsame Kurbelwelle antreiben, und mit einer den Einlaßventilen zugeordneten Einlaßnockenwelle sowie einer den Auslaßventilen zugeordneten Auslaßnockenwelle, wobei die Nockenwellen von der Kurbelwelle unter Zwischenschaltung mindestens eines Getriebeelementes angetrieben werden.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 88 13 425.3 ist ein nicht verstellbarer Nockenwellenantrieb bekannt, bei dem eine den Auslaßventilen zugeordnete Auslaßnockenwelle über ein Zahnriemengetriebe von der Kurbelwelle angetrieben wird und bei dem eine den Einlaßventilen zugeordnete Einlaßnockenwelle über ein Kettengetriebe von der Auslaßnockenwelle angetrieben wird. Die Nockenwellen sind bei dieser bekannten Vorrichtung nicht gegeneinander bzw. gegenüber der Kurbelwelle verdrehbar. Um jedoch den Ladungswechsel in jedem Lastbereich und jedem Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine günstig steuern zu können, ist es wünschenswert, die Einlaß- und Auslaßzeiten - bezogen auf die Kolbenbewegung - verstellen zu können. Es sind auch bereits Möglichkeiten für solche Verstellungen bekannt, siehe beispielsweise Autozeitung 5/90, Seite 44ff.

Diese sind jedoch nicht ohne größere Veränderungen bzw. großen Bauaufwand gegen bekannte nicht verstellbare Nockenwellenantriebe austauschbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen verstellbaren Nockenwellenantrieb anzugeben, der ohne wesentlichen baulichen Aufwand in ein Serientriebwerk eingesetzt werden kann, und der eine Verschiebung zumindest einer Öffnungszeit bzw. Schließzeit gegenüber der Kolbenbewegung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird unabhängig voneinander durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Die im Anspruch 1 angegebene Lösung ermöglicht nur eine Verstellung der Einlaßnockenwelle, wohingegen die Lösung nach Anspruch 2 wahlweise die Verstellung einer Nockenwelle oder beider Nockenwellen ermöglicht.

In den Ansprüchen 3 bis 5 sind die Möglichkeiten im einzelnen angegeben. Bei der in Anspruch 3 angegebenen Weiterbildung der Lösung nach Anspruch 2 ist die Auslaßnockenwelle verstellbar. Im Fall des Anspruchs 4 ist nur die Einlaßnockenwelle verstellbar und bei der Variante nach Anspruch 5 sind beide Nockenwellen gleichzeitig verstellbar. Durch die Wahl der Schrägverzahnungen, d. h. Richtungen und Steigungen der Schrägen, ist einstellbar, ob sich beide Nockenwellen gleich- oder gegensinnig und um den gleichen oder verschiedene Winkel verdrehen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 sieht vor, daß zur axialen Verschiebung des Doppel- bzw. Zwischenzahnrades hydraulische Mittel vorgesehen sind.

Denkbar wäre auch, die Verschiebung mit pneumatischen oder elektrischen Mitteln vorzunehmen. Die hydraulischen Mittel werden in vorteilhafter Weise von einen doppeltwirkenden Zylinder gebildet, der sich nicht dreht und der über Ventile gesteuert von einer hydraulischen Pumpe beaufschlagbar ist. Dabei ist die Drehentkopplung zwischen hydraulischem Zylinder und drehenden Zahnrädern notwendig, da andernfalls die Zylinderdichtungen zerstört würden.

Eine weitere Fortbildung der Erfindung sieht vor, daß die Ventilstellungen der Ventile die den Durchfluß des Hydraulikmediums in den Zylindern regeln von einer Motorelektronik geregelt werden. Dies ermöglicht eine optimale Steuerung der Nockenwellenstellung in Abhängigkeit von den Motordaten.

Die im Anspruch 9 angegebene Maßnahme, daß Pumpen- und Ventilgehäuse fest mit dem Zylinderkopfgehäuse verbunden sind, wirkt sich besonders günstig auf die Geräuschentwicklung der Erfindung aus, da das relativ schwere Zylinderkopfgehäuse die Schwingungen der Pumpe nicht überträgt.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Pumpe von einer der Nockenwellen, der Zwischenwelle oder der Kurbelwelle direkt, d. h. ohne Zwischenelemente, angetrieben wird. Dies spart weitere Kosten und Bauraum. Außerdem treten durch diese Maßnahme nur geringe energetische Verluste auf. Ist die Pumpe innerhalb des Zylinderkopfgehäuses angeordnet, so ist es auch möglich, daß sie mit Motoröl als Hydraulikmedium arbeitet und dies direkt aus der Ölwanne ansaugt oder von dort zugeführt erhält.

Gemäß Anspruch 11 ist es auch möglich die Erfindung bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylinderbänken zu verwenden, wobei jeder Zylinderbank eine Einlaßnockenwelle und eine Auslaßnockenwelle zugeordnet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen verstellbaren Nockenwellenantrieb nit nicht drehender Zwischenachse und auf dieser drehbarem, gemeinsam axial verschiebbarem Zahnrad und

Fig. 2 einen verstellbaren Nockenwellenantrieb mit angetriebener Zwischenwelle und axial verschiebbarem Zwischenzahnrad.

In Fig. 1 erkennt man im symbolisch dargestellten Zylinderkopfgehäuse 1 gelagert eine Auslaßnockenwelle 2 und eine Einlaßnockenwelle 3. Die Auslaßnockenwelle 2 wird über ein nicht gezeigtes Zahnrad und eine Kette oder einen Zahnrienen von der ebenfalls nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Auf der Auslaßnockenwelle 2 ist ein weiteres Zahnrad 4 mit gerader Außenverzahnung 5 befestigt. Das Zahnrad 4 kämmt mit einem Doppelzahnrad 6, welches nebeneinander einen Bereich mit Geradverzahnung 7 und einen Bereich mit Schrägverzahnung 8 aufweist, im Bereich der Geradverzahnung 7. Der schrägverzahnte Bereich 8 kämmt mit einem weiteren Zahnrad 9 mit schräger Außenverzahnung 10, das drehfest mit der Einlaßnockenwelle 3 verbunden ist. Die Einlaßnockenwelle 3 wird also von der Auslaßnockenwelle 2 her über die Zahnräder 4, 6 und 9 angetrieben.

Das Doppelzahnrad 6 ist auf einer stehenden, axial verschiebbaren Achse 11 angeordnet, wobei ein Teil der Achse 11 vom Kolben 12 eines doppeltwirkenden hydraulischen Zylinders 13 gebildet ist. Zur Verschiebung der Achse 11 und damit gleichzeitig des Doppelzahnrads 6 kann wahlweise der Raum 14 links vom Kolben 12 oder der Raum 15 rechts vom Kolben 12 mit Druck beaufschlagt werden. Der Druck wird von einer schematisch dargestellten Pumpen- und Ventileinheit 16 erzeugt und gesteuert. Die Pumpe wird direkt von der Auslaßnockenwelle 2 angetrieben.

Die Funktion des in Fig. 1 gezeigten Nockenwellenantriebs wird im folgenden erläutert. Über die Zahnräder 4, 6 und 9 sind die Auslaßnockenwelle 2 und die Einlaßnockenwelle 3 drehfest miteinander verbunden. Da nur die Relativverdrehung interessiert, wird zur Vereinfachung angenommen, daß die Auslaßnockenwelle 2 steht. Der Kolben 12 befindet sich am rechten Anschlag, d. h., der Raum 15 hat ein Volumen 0. Wird dieser Raum 15 nun mit Druck beaufschlagt, so vergrößert sich sein Volumen. Der Kolben 12 verschiebt sich nach rechts und verkleinert das Volumen des Raumes 14. Das verdrängte Volumen wird über die Ventile abgeleitet. Zusammen mit dem Kolben 12 wird die Achse 11 und das Doppelzahnrad 6 nach links verschoben. Wegen der geraden Außenverzahnungen 5 und 7 bleibt die Auslaßnockenwelle 2 weiterhin stehen. Das Zusammenwirken der Schrägverzahnungen 8 und 10 bewirkt jedoch ein Verdrehen der Einlaßnockenwelle 3. Im Beispiel dreht sich die Einlaßnockenwelle 3, von rechts betrachtet im Uhrzeigersinn. Durch die Relativverdrehung der Einlaßnockenwelle 3 gegenüber der Auslaßnockenwelle 2 wird also die Öffnungszeit der Einlaßventile bezogen auf die Öffnungszeit der Auslaßventile bzw. die Kolbenposition verändert. Dieselbe Funktion wird erreicht, wenn die Zahnräder 4, 6 mit Schrägverzahnung versehen sind und die Zahnräder 8, 10 nit Geradverzahnung.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Verstellmöglichkeiten dargestellt. Teile, die denen in Fig. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie dort versehen.

In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Zwischenwelle 20 drehbar im Zylinderkopfgehäuse 1 gelagert. Sie wird über das Zahnrad 21 von der Kurbelwelle (nicht gezeigt) mittels eines Zahnriemens oder einer Kette angetrieben. Auf einem Abschnitt 22 der Zwischenwelle 20 ist eine gerade Außenverzahnung 23 angebracht. Mit dieser geraden Außenverzahnung 23 kämmt eine gerade Innenverzahnung 24 eines Zwischenzahnrades 25. Die gerade Außenverzahnung 23 und die gerade Innenverzahnung 24 sind axial gegeneinander verschiebbar.

Das Zwischenzahnrad 25 weist an seinem Außenumfang zwei Bereiche mit schräger Außenverzahnung 28 und 27 auf. Mit der ersten Außenverzahnung kämmt ein Außenzahnrad 28 mit ebenfalls schräger Verzahnung 29, das auf der Auslaßnockenwelle 2 befestigt ist, und mit der zweiten Außenverzahnung 27 kämmt ein anderes Außenzahnrad 30 mit schräger Verzahnung 31, das auf der Einlaßnockenwelle 3 befestigt ist. Die in der Figur obere Hälfte des Zwischenzahnrades 25 ist in Draufsicht und die untere Hälfte im Schnitt dargestellt.

Das Zwischenzahnrad 25 weist einen axialen Fortsatz 32 auf, der drehbar im hohlen, stehenden Kolben 12 gelagert ist. Der Kolben 12 ist, wie im oben erläuterten Beispiel, Teil eines doppeltwirkenden hydraulischen Zylinders 13. Rechts bzw. links vom Kolben 12 sind die Druckräume 15 bzw. 14, die mit Hydraulikfluid beaufschlagbar sind. Die Anschlüsse sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Die Drehentkopplung vom Kolben 12 zum Zwischenzahnrad 15 dient zur Schonung der Dichtungen 33 im Kolben 12 und im Zylinder 13.

Die Funktion der zweiten Variante ist ähnlich, wie oben erläutert. Die Zwischenwelle 20 ist angetrieben und treibt über die Außenverzahnung 23, die lnnenverzahnung 24 sowie die schrägen Außenverzahnungen 26 und 27 des Zwischenzahnrades und die beiden Außenzahnräder 28 und 30 die Einlaßnockenwelle 3 und die Auslaßnockenwelle 2 an. Da wieder nur die Relativverdrehungen der beiden Nockenwellen 2 und 3 gegenüber der Kurbelwelle, d. h. der Zwischenwelle 20, von Interesse sind, wird zur Vereinfachung angenonmen, daß die Zwischenwelle 20 steht. In der dargestellten Position befindet sich der Kolben 12 am rechten Anschlag. Wird nun der Raum 15 hydraulisch mit Druck beaufschlagt, so verschiebt sich der Kolben 12 und mit ihm das Zwischenzahnrad 25 in der Zeichnung nach links. Dabei gleitet die gerade Innenverzahnung 24 des Zwischenzahnrades 25 in der geraden Außenverzahnung 23 der Zwischenwelle 20. Über die schrägen Außenverzahnungen 26 und 27 und die mit ihnen in Eingriff stehenden schrägen Verzahnungen 29 und 31 werden die beiden Nockenwellen 2 und 3 verdreht. Sind die Verzahnungen 26 und 29 bzw. 27 und 31, so wie in der Figur dargestellt, einander entgegenlaufend, so verdreht sich - von rechts betrachtet - die Einlaßnockenwelle 3 im und die Auslaßnockenwelle 2 gegen den Uhrzeigersinn. Im gewählten Beispiel verdrehen sie sich um den gleichen Winkel. Denkbar sind jedoch auch andere Kombinationen aus Schräg- und Geradverzahnungen oder unterschiedlichen Schrägverzahnungen durch die nur eine Nockenwelle 2 oder 3 oder beide in gleicher Richtung oder beide um unterschiedlich große Winkel verstellt werden.

Unter Verwendung von Spiralverzahnungen wären auch unterschiedliche Funktionen der Verdrehung der einzelnen Nockenwellen in Abhängigkeit vom Hub des Kolbens erreichbar.

Bezugszeichenliste

1 Zylinderkopfgehäuse
2 Auslaßnockenwelle
3 Einlaßnockenwelle
4 Zahnrad
5 gerade Außenverzahnung
6 Doppelzahnrad
7 Bereich mit Geradverzahnung
8 Bereich mit Schrägverzahnung
9 Zahnrad
10 schräge Außenzahnung
11 Achse
12 Kolben
13 hydraulischer Zylinder
14 Raum
15 Raum
16 Pumpen- und Ventileinheit
20 Zwischenwelle
21 Zahnrad
22 Abschnitt
23 gerade Außenverzahnung
24 gerade Innenverzahnung
25 Zwischenzahnrad
26 schräge Außenverzahnung, erste
27 schräge Außenverzahnung, zweite
28 Außenzahnrad
29 schräge Verzahnung
30 Außenzahnrad
31 schräge Verzahnung
32 axialer Fortsatz
33 Dichtung

Claims

1. Verstellbarer Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zylinderbank, wobei jedem Zylinder mindestens ein Einlaßventil und mindestens ein Auslaßventil zugeordnet ist und die Kolben der Zylinder eine gemeinsame Kurbelwelle antreiben, und mit einer den Einlaßventilen zugeordneten Einlaßnockenwelle sowie einer den Auslaßventilen zugeordneten Auslaßnockenwelle, wobei die Nockenwellen von der Kurbelwelle unter Zwischenschaltung mindestens eines Getriebeelementes angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßnockenwelle (2) durch einen Zahnriemen oder eine Kette und/oder Zahnräder auf Auslaßnockenwelle (2) und Kurbelwelle von letzterer antreibbar ist,
daß auf der Auslaßnockenwelle (2) ein weiteres Zahnrad (4) mit gerader Außenverzahnung (5) befestigt ist
daß dieses Zahnrad (4) mit einem auf einer stehenden, axial verschiebbaren Achse (11) angeordneten Doppelzahnrad (6) mit nebeneinander angeordneter Geradverzahnung (7) und Schrägverzahnung (8) im Bereich der Geradverzahnung (7) kämmt und
daß im Bereich der Schrägverzahnung (8) ein mit schräger Außenverzahnung (10) versehenes weiteres Zahnrad (9), das auf der Einlaßnockenwelle (3) befestigt ist, mit dem Doppelzahnrad (6) kämmt.

2. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine im Zylinderkopfgehäuse (1) drehbar gelagerte Zwischenwelle (20) mittels Zahnrädern (21) und/oder einer Kette oder einem Zahnriemen von der Kurbelwelle antreibbar ist,
daß auf der Zwischenwelle (20) sich mit dieser mitdrehend ein doppeltes Zwischenzahnrad (25) mit zwei nebeneinander angeordneten Außenverzahnungen (26, 27) axial auf der Welle (20) verschiebbar angeordnet ist,
daß ein mit der Auslaßnockenwelle (2) drehfest verbundenes Außenzahnrad (28) mit der ersten Außenverzahnung (26) des Zwischenzahnrades (25) kämmt,
daß ein nit der Einlaßnockenwelle (3) drehfest verbundenes zweites Außenzahnrad (30) mit der zweiten Außenverzahnung (27) des Zwischenzahnrades (25) kämmt und
daß mindestens eine der Außenverzahnungen (26, 27) und das dazugehörige Außenzahnrad (28, bzw. 30) als Schrägverzahnung ausgebildet ist.

3. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Auslaßnockenwelle (2) verbundene Außenzahnrad (28) und die erste Außenverzahnung (26) als Schrägverzahnungen ausgebildet sind und daß das mit der Einlaßnockenwelle (3) verbundene Außenzahnrad (30) und die zweite Außenverzahnung als Geradverzahnung ausgebildet sind.

4. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach Anspuch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Auslaßnockenwelle (2) verbundene Außenzahnrad (28) und die erste Außenverzahnung als Geradverzahnungen ausgebildet sind und daß das mit der Einlaßnockenwelle (3) verbundene Außenzahnrad (30) und die zweite Außenverzahnung (27) als Schrägverzahnungen ausgebildet sind.

5. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das mit der Auslaßnockenwelle (2) verbundene Außenzahnrad (28) und die erste Außenverzahnung (26) als auch das mit der Einlaßnockenwelle (3) verbundene Außenzahnrad (30) und die zweite Außenverzahnung (27) als Schrägverzahnungen ausgebildet sind.

6. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Verschiebung des Doppel- bzw. Zwischenzahnrades (6 bzw. 25) hydraulische Mittel vorgesehen sind.

7. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Mittel aus einem doppelt wirkenden Zylinder (13) bestehen, der sich nicht dreht und der über Ventile gesteuert von einer hydraulischen Pumpe beaufschlagbar ist.

8. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstellungen von einer Motorelektronik geregelt werden.

9. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpen- und Ventilgehäuse fest mit dem Zylinderkopfgehäuse (1) verbunden ist.

10. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe von einer der Nockenwellen (2, 3) der Zwischenwelle (20) oder der Kurbelwelle direkt, d. h. ohne Zwischenelemente, antreibbar ist.

11. Verstellbarer Nockenwellenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine mehrere Zylinderbänke mit je einer Einlaßnockenwelle (3) und einer Auslaßnockenwelle (2) aufweist.