DE4221135C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ventilbetätigung in einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine gemäß den im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 34 45 951 C2 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird eine Verstellung des verstellbaren Koppelelements zu einem unerwünschten Zeitpunkt durch einen zusätzlichen Steuerhebel, der in die Koppelvor­ richtung eingreift, verhindert. Diese Ausführung ist teuer, verschleißanfällig, schwer und benötigt zusätzlichen Bauraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Einleitung eines Kopplungs- oder Entkopplungsvorgangs zu einem unerwünschten Zeitpunkt oder Zeitraum verhindert, ohne daß zusätzliches Ge­ wicht und Bauraum entstehen oder erheblicher Aufwand getrieben werden muß.

Diese Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die gemeinsame Ansteuerung aller Koppelvorrichtungen innerhalb eines eng um­ grenzten Stellungsbereichs der Nockenwelle mit Sicherheit ver­ hindert, daß zum Zeitpunkt des Wirksamwerdens einer Nockenerhebung die zugehörige Koppelvorrichtung erst einen ge­ ringen Teil des Koppelvorgangs durchgeführt oder den Entkoppelungsvorgang weitgehend abgeschlossen hat. Da bei dem anschließenden Wirksamsein der zugehörigen Nockenerhebung die Koppelvorrichtung erheblichen Kräften ausgesetzt ist, die eine Vollendung des Kopplungs- bzw. Entkopplungsvorgangs verhindern, können in diesem Kopplungszustand mit geringer Überdeckung zwischen den Kopplungsgliedern Kantenpressungen und überhöhte Flächenpressungen auftreten, die zu Verschleiß und Beschädi­ gungen an den Kopplungsgliedern oder, falls die Kopplung unter Belastung aufgehoben wird, an den Hebeln und Nocken führen.

In der Ausführung des Anmeldungsgegenstandes gemäß dem Patent­ anspruch 2 ist sichergestellt, daß sowohl beim Kopplungs- wie beim Entkopplungsvorgang unabhängig voneinander Kopplungszu­ stände mit ungünstig geringer Überdeckung der Kopplungselemente vermieden sind.

Im Patentanspruch 3 ist für eine spezielle Ausführung der Kopplungsvorrichtung ein Maß für die Überdeckung der Kopp­ lungselemente angegeben, das einerseits deren übermäßige Bela­ stung oder den Auswurf des bewegbaren Koppelelements mit Si­ cherheit verhindert und andererseits den für einen Kopplungs­ beginn unerwünschten Zeitraum derart beschränkt, daß ausrei­ chend Zeit verbleibt, um auch bei einer vielzylindrigen Brenn­ kraftmaschine und bei für die Kopplung maßgebenden höheren Drehzahlen dieser Brennkraftmaschine einen Kopplungsbeginn au­ ßerhalb des unerwünschten Zeitraumes sicherzustellen.

Im Patentanspruch 4 ist eine Art der Ansteuerung der verstell­ baren Koppelelemente angegeben, die auf einfache Weise durch­ führbar ist und eine ausreichende Zeitgenauigkeit erwarten läßt. Diese wird durch die Ausführung gemäß dem Patentanspruch 5 weiter präzisiert, wobei die Dauer des Ansteuerungsbereichs der Koppelelemente allein durch die Schaltzeitenvarianz des Schaltventils bestimmt wird, während die Ansteuerung des Schaltventils durch die Verwendung eines elektrischen Signals auf einen bestimmten Zeitpunkt, also praktisch ohne Ansteue­ rungszeitenvarianz, festgelegt werden kann.

Durch die Ausbildung der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 6 werden unterschiedliche Koppelgeschwindigkeiten des verstell­ baren Koppelelements während des Koppelvorgangs infolge unter­ schiedlicher Zähigkeiten und damit Fließgeschwindigkeiten des Hydraulikmediums infolge unterschiedlicher Temperaturen derart berücksichtigt, daß die Grenzüberdeckung auch unter diesen veränderten Randbedingungen mit Sicherheit innerhalb der er­ wünschten Zeiten erreicht wird.

Durch die Ausbildung der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 6 können auch bei vielzylindrigen Brennkraftmaschinen die für die Ansteuerung der Koppelvorrichtung zulässigen Zeiträume ausge­ dehnt oder, falls diese unverändert bleiben, die für einen Kopplungsvorgang maßgebliche Drehzahl der Brennkraftmaschine heraufgesetzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Betäti­ gungshebeln und Koppelhebeln für den Ventilan­ trieb mit Koppelvorrichtungen in Draufsicht,

Fig. 2 die Brennkraftmaschine der Fig. 1 in einem Teil­ querschnitt,

Fig. 3 eine Steuereinrichtung für die in Fig. 1 und 2 gezeigten Koppelvorrichtungen und

Fig. 4 eine schematische Darstellung mit einer Erfin­ dungsanwendung an einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine.

Im Zylinderkopf 1 einer nicht weiter dargestellten mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine sind je Zylinder zwei Einlaßventile 2 gelagert, die von einer Nockenwelle 3 an­ getrieben werden. Jedem Einlaßventil 2 sind zwei Nocken 4, 5 auf der Nockenwelle 3 zugeordnet, wobei der eine Nocken 4 einen als Kipphebel ausgebildeten, das Einlaßventil 2 unmittelbar an­ treibenden Betätigungshebel 6 betätigt, während der andere Nocken 5 einen mit dem Betätigungshebel 6 koppelbaren Koppel­ hebel 7 betätigt. Der Betätigungshebel 6 und der Koppelhebel 7 sind auf einer gemeinsamen Hebelachse 8 drehbar gelagert. Die beiden Nocken 4, 5 haben Grundkreise gleichen Durchmessers, während der den Koppelhebel 7 zugeordnete Nocken 5 eine größere Nockenerhebung aufweist als der dem Betätigungshebel 6 zuge­ ordnete Nocken 4, so daß im gekoppelten Zustand der beiden He­ bel 6, 7 die Nockenerhebung des Nockens 4 wirkungslos ist.

Die Kopplung von Betätigungshebel 6 und Koppelhebel 7 erfolgt durch eine Koppelvorrichtung 25, die als Koppelelemente einen Bolzen 9 und ein Zylinderloch 10 umfaßt. Der Bolzen 9 ist in einer zur Hebelachse 8 parallelen Bohrung 11 im Koppelhebel 7 längsverschiebbar geführt und von einer Feder 12 über eine Führungstasse 13 belastet, die im Zylinderloch 10 im Betäti­ gungshebel 6 längsverschiebbar geführt ist, das bei Anlage der beiden Hebel 6,7 am jeweiligen Grundkreis der Nocken 4, 5 mit der Bohrung 11 fluchtet. Im entkoppelten Zustand drückt die Feder 12 den Bolzen 9 gegen einen Anschlag 14 auf seiner dem Betätigungshebel 6 abgewandten Seite, so daß er mit der Berüh­ rungsebene zwischen den beiden Hebeln 6, 7 abschließt und nicht in das Zylinderloch 10 hineinragt. Zur Kopplung der beiden He­ bel 6, 7 wird in einem Druckraum 15 auf der dem Betätigungshebel 6 abgewandten Seite des Bolzens 9 ein Öldruck erzeugt, der diesen gegen die Kraft der Feder 12 bis zum Anschlag der Füh­ rungstasse 13 an der Stirnwand des Zylinderlochs 10 in dieses schiebt, so daß der Bolzen 10 mit einer Teillänge 16, die gleich ist dem Abstand der Führungstasse 13 von der dem Kop­ pelhebel 7 abgewandten Stirnwand des Zylinderloches 10 im entkoppelten Zustand, in das Zylinderloch 10 ragt und die bei­ den Hebel 6 und 7 drehfest miteinander koppelt. Da die Nocken­ erhebung des dem Koppelhebel 7 zugeordneten Nockens 5 größer ist als die Nockenerhebung des dem Betätigungshebel 6 zugeord­ neten Nockens 4, wird die Ventilerhebungskurve des Einlaßven­ tils 2 nunmehr durch den Nocken 5 bestimmt. Es ist selbstver­ ständlich, daß, anders als im dargestellten Ausführungsbei­ spiel, der Bolzen 9 im Betätigungshebel 6 und das Zylinderloch 10 im Koppelhebel 7 angeordnet sein können sowie daß die Kopp­ lung durch Druckentlastung im Druckraum 15 und die Entklopplung durch Druckaufbau im Druckraum 15 durchgeführt werden können.

Der Bolzen 9 kann nur während des Wirksamseins der Grundkreise der Nocken 4, 5 in das Zylinderloch 10 eingeschoben werden, da dieses und die Bohrung 11 während des Wirksamseins der Nocken­ erhebungen nicht miteinander fluchten. Da während dieses Wirk­ samseins der Nockenerhebungen erhebliche Kräfte zwischen den Hebeln 6, 7 übertragen werden, ist auch dann, wenn der Kopp­ lungs- oder Entkopplungsvorgang durch Druckaufbau oder Druck­ entlastung im Druckraum 15 bereits eingeleitet ist, ein Ver­ schieben des Bolzens 9 innerhalb des Zylinderlochs 10 während des Wirksamseins der Nockenerhebungen ausgeschlossen. Es ent­ steht dadurch die Gefahr, daß der Bolzen 9 während des gesamten Wirksamseins der Nockenerhebungen nur zu einem geringen Teil in das Zylinderloch 10 hineinragt, wodurch ungünstige Kantenpres­ sungen oder überhöhte Flächenpressungen entstehen oder sogar der Bolzen 9 aus dem Zylinderloch 10 ausgeworfen wird, was Be­ schädigungen an den Hebeln und Nocken zur Folge haben kann. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß, wenn der Bolzen 9 sich zu mindestens etwa einem Drittel seiner Teillänge 16 im Zylinder­ loch 10 befindet, übermäßige Beanspruchungen und Beschädigungen ausgeschlossen werden können.

Der Druckauf- und -abbau im Druckraum 15 erfolgt über eine Längsbohrung 17 in der Hebelachse 8, die über eine Querbohrung 26 im Koppelhebel 7 mit dem Druckraum 15 verbunden ist. Die Längsbohrung 17 wird von einer Ölpumpe 18, die die übliche Schmierölpumpe der Brennkraftmaschine sein kann, über eine Leitung 19 mit Öl versorgt. In dieser ist ein 3/2 Wege-Ventil 20 angeordnet, das die Längsbohrung 17 entweder mit der Ölpumpe 18 oder einem Vorratsbehälter 21 verbindet. Das 3/2 Wege-Ventil 20 wird über ein elektrisches Signal von einer Schalteinheit 22 geschaltet, die als Steuersignale 23 insbesondere die Brennkraftmaschinendrehzahl, ein Stellungssignal der Kurbel- oder Nockenwelle der Brennkraftmaschine sowie die Öltemperatur über einen Temperaturfühler 24 in der Leitung 19 erhält. Damit kann das 3/2 Wege-Ventil 20 in ganz bestimmten Nockenwellen­ stellungen angesteuert werden. Das 3/2Wege-Ventil 20 ist schnellschaltend und besitzt eine geringe Schaltzeitenvarianz von nicht mehr als etwa 4,5 ms, d. h. bei gleichbleibend von der Schalteinheit 22 ankommenden elektrischen Signalen erfolgen alle Schaltvorgänge des 3/2 Wege-Ventils 20 innerhalb einer Zeitspanne T 1 von 4,5 ms. Damit ist sichergestellt, daß die Schaltung des 3/2 Wege-Ventils 20 und damit auch der Verstell­ beginn des Bolzens 9 zu Beginn des Kopplungs- oder Entkopplungsvorgangs innerhalb dieser Zeitspanne erfolgt, da infolge kurzer Leitungslängen und großer Leitungsquerschnitte zwischen dem 3/2 Wege-Ventil 20 und den Bolzen 9 eine vernachlässigbar kleine Zeitverzögerung zwischen deren Betäti­ gung besteht. Da die Umschaltung zu bestimmten Brennkraftmaschinendrehzahlen erfolgt, ist auch der Bereich in Bezug auf die Nockenwellenstellung genau bestimmt. So beträgt dieser bei beispielsweise einer Brennkraftmaschinendrehzahl von 4000 U/min und einer Schaltzeitenvarianz des 3/2 Wege-Ventils von 4,5 ms 54° Nockenwellenwinkel.

In der Fig. 4 ist ein Steuerdiagramm für einen Entkopplungsvorgang der Koppelvorrichtung in einer 4-Zylinder- Brennkraftmaschine dargestellt. Die Schaltdrehzahl wird mit 4000 U/min angenommen, so daß 360° Nockenwellenwinkel 30 ms ent­ sprechen. Die den einzelnen Zylindern zugeordneten Nockenerhe­ bungen (Bereiche 27 bis 30) für die Einlaßventile 2 haben, vereinfachend betrachtet, eine Ausdehnung von 90° Nockenwel­ lenwinkel und schließen sich fortlaufend aneinander an. Der Entkoppelungsvorgang dauert länger als der Koppelvorgang und ist somit hinsichtlich des Unterschreitens der Grenzüberdeckung zwischen den Koppelelementen kritischer als der Koppelvorgang, da der Antrieb des Bolzens 9 beim Entkopplungsvorgang durch die schwächere Feder 12 anstelle des Öldrucks im Druckraum 15 beim Koppelvorgang erfolgt. Im Ausführungsbeispiel wird von einer Gesamtlaufzeit T 2 des Bolzens 9 von 10 ms ausgegangen. Um mindestens die Grenzüberdeckung der Koppelelemente zu Beginn jeder Nockenerhebung 27 bis 30 sicherzustellen, darf zu diesem Zeitpunkt höchstens eine tatsächliche Laufzeit T 3 von 7 ms vergangen sein, sofern der Entkopplungsvorgang nicht bereits ganz beendet ist. Ein Bewegungsbeginn in einer Zeitspanne von weniger als 10 ms und mehr als 7 ms vor dem Beginn jeder Noc­ kenerhebung 27 bis 30 ist somit auszuschließen. Dies wird da­ durch erreicht, daß die Koppelvorrichtungen 25 innerhalb eines Zeitraumes T 3 angesteuert werden, der sich von 7 ms bis 2,5 ms vor Beginn der Nockenerhebung eines Zylinders, im Ausführungs­ beispiel der Nockenerhebung 30 des 2. Zylinders erstreckt, was durch die geringe Schaltzeitenvarianz des 3/2 Wege-Ventils ohne weiteres ermöglicht wird. Damit ist einerseits in der dem 2. Zylinder zugeordneten Koppelvorrichtung die Grenzüberdeckung der Koppelelemente beim Wirksamwerden der zugehörigen Nockenerhebung noch sichergestellt, während in den anderen Zy­ lindern der Entkopplungsvorgang beim Wirksamwerden der zugehö­ rigen Nockenerhebungen mit Sicherheit abgeschlossen ist. So be­ trägt der Abstand T 2 zwischen der Ansteuerung der Koppelvor­ richtung und des Beginns der Nockenerhebung des 1. Zylinders, die derjenigen des 2. Zylinders als nächste folgt, auch bei spätestmöglichem Beginn des Entkopplungsvorgangs die gefor­ derten 10 ms.

Die Gesamtlaufzeit der Bolzen 9 kann sich mit sich verändernder Temperatur des Hydrauliköls verändern. Eine entsprechende Ver­ änderung der Lage der Zeitspanne T 1 kann durch eine veränderte Lage der Ansteuerung des 3/2 Wege-Ventils 20 berücksichtigt werden, was durch die Messung der Öltemperatur mittels des Temperaturfühlers 24 und Eingabe dieser Temperatur in die Schalteinheit ermöglicht wird.

Werden die Schaltzeiten bei gegebenen Schaltdrehzahlen der Brennkraftmaschine wegen einer zu großen Anzahl an Zylindern zu kurz, so ist es zweckmäßig, mehrere Gruppen von Zylindern, beispielsweise in den beiden Bänken einer V-Maschine, zu bilden und jeder Gruppe eine gesonderte erfindungsgemäße Vorrichtung zuzuordnen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Ventilbetätigung in einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit je Zylinder einem von einem ersten, eine Nockenerhebung und einen Grundkreis umfassenden Nocken einer Nockenwelle angetriebenen, ein Ventil antreibenden Betäti­ gungshebel und einem von einem zweiten, eine Nockenerhebung und einen Grundkreis umfassenden Nocken der Nockenwelle angetrie­ benen Koppelhebel, die zueinander schwenkbar auf einer gemein­ samen Hebelachse gelagert und mittels einer Koppelvorrichtung miteinander koppelbar sind, die ein erstes, an einem der Hebel angebrachtes Koppelelement und ein zweites, am anderen Hebel angebrachtes, im Koppelzustand am ersten Koppelelement angrei­ fendes verstellbares Koppelelement umfaßt, das zu seiner Ver­ stellung angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren Koppelelemente (Bolzen 9) innerhalb eines derart vorbestimmten Stellungsbereichs (Zeitspanne T 1) der Nockenwelle (3) angesteuert werden, daß die Koppelelemente (Bolzen 9, Zylinderlöcher 10) jeder Koppelvorrichtung (25) zum Zeitpunkt des Wirksamwerdens einer dieser zugeordneten Nocken­ erhebung mindestens eine vorbestimmte Grenzüberdeckung aufwei­ sen oder vollständig entkoppelt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der verstellbaren Koppelelemente (Bolzen 9) für den Kopplung- und für den Entkopplungsvorgang in hinsichtlich Lage und Dauer unterschiedlichen Stellungsbe­ reichen (Zeitspanne T 1) der Nockenwelle (3) erfolgt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Koppelelement als Zylinderloch (10) ausgebildet ist, in dem ein Bolzen (9) als zweites Koppelelement bei voll­ ständiger Kopplung mit einer Teillänge (16) eingeschoben ist, und daß die vorbestimmte Grenzüberdeckung bei zu etwa einem Drittel oder einem Viertel der Teillänge (16) im Zylinderloch (10) befindlichen Bolzen (9) erreicht ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der verstellbaren Koppelelemente (Bolzen 9) durch Veränderung eines auf diese wirkenden hydraulischen Drucks erfolgt und daß diese Änderung durch Schaltung eines in einer Hydraulikleitung (19) angeordneten Mehrwegeventils (3/2 Wege-Ventil 20) ausgelöst wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrwegeventil (3/2 Wege-Ventil 20) hohe Stellge­ schwindigkeit und Stellzeitengenauigkeit mit geringer Stell­ zeitenvarianz (Zeitspanne T 1) aufweist, deren Länge etwa dem Zeitbereich entspricht, innerhalb der die Ansteuerung der Kop­ pelvorrichtungen (25) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerzeit des Mehrwegeventils (3/2 Wege-Ventil 20) in Abhängigkeit von der Temperatur des Hydraulikmediums verän­ derbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Zylindern, insbesondere in verschiedenen Zy­ linderbänken einer V-Maschine, gebildet sind, und daß jeder Gruppe eine gesonderte Vorrichtung zugeordnet ist mit für die Ansteuerung der zugeordneten Koppelvorrichtungen (25) unter­ schiedlichen Stellungsbereichen der Nockenwelle (3).