DE4226798A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zwei Gaswechselventilen je Zylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei insbesondere parallel wirkenden Gas­ wechselventilen je Zylinder, die von relativ zueinander verstellbaren Nocken betätigt werden.

Bei den Gaswechselventilen kann es sich dabei um die Ein­ laßventile und/oder Auslaßventile eines Brennkraftmaschi­ nen-Zylinders handeln. Eine Nockenwelle, bei der bei­ spielsweise die beiden Nocken zweier Zylinder-Einlaßven­ tile, die sozusagen parallel wirksam sind, gegeneinander verdreht werden können, ist aus der WO 91/10047 bekannt. Mit Hilfe dieses sog. Nocken-Phasings, bei dem somit der Phasenwinkel zwischen den beiden Nocken verändert werden kann, läßt sich die Gaswechseldynamik einer Hubkolben- Brennkraftmaschine in vielfältiger Weise beeinflussen. So wird bei Vorhandensein eines gewissen Phasenwinkels die gesamte Ventilöffnungsdauer verlängert, zugleich ergibt sich durch einen derartigen Phasenwinkel der Effekt, daß eines der parallel wirksamen Gaswechselventile vor dem anderen öffnet, so daß im Falle von parallel wirksamen Einlaßventilen im Brennraum ein gewünschter Einströmdrall erzeugt werden kann. Die bereits angesprochene Verände­ rung der Gesamtöffnungszeit hingegen macht sich insbeson­ dere bei parallel wirksamen Auslaßventilen bemerkbar, da hierdurch aufgrund der sog. Ventilüberschneidung, d. h. der zeitlichen Überdeckung mit dem Öffnen der Einlaßven­ tile, eine wirkungsvolle Restgassteuerung möglich ist. Es kann nämlich zur Erzielung geringer Schadstoffemissionen erwünscht sein, im Sinne einer internen Abgasrückführung betriebspunktabhängig unterschiedlich große Anteile von verbranntem Restgas aus dem vorangegangenen Verbrennungs­ takt während des folgenden Verbrennungstaktes im Brenn­ raum zu belassen.

Die aus der bereits genannten WO 91/10047 bekannte Nockenwelle kann aber beispielsweise auch je Zylinder einen Einlaßnocken und einen Auslaßnocken tragen, d. h. ein Einlaßventil und ein Auslaßventil betätigen. Dann kann mit dieser bekannten Nockenwelle beispielsweise der Öffnungszeitpunkt des Einlaßventiles verändert werden, während der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventiles konstant gehalten wird. Dabei verändert sich neben dem Phasenwin­ kel zwischen den beiden Nocken auch die sog. Spreizung des beispielsweise Einlaß-Nockens, d. h. die Phasenlage dieses Einlaß-Nockens gegenüber einer mit dem Hubkolben zusammenwirkenden Kurbelwelle. Die Phasenlage des Auslaß­ ventiles bleibt dabei jedoch verändert.

Weitere Möglichkeiten aufzuzeigen, mit Hilfe derer der Gaswechsel bzw. Ladungswechsel einer Brennkraftmaschine noch besser auf die jeweiligen Anforderungen hin abge­ stimmt werden kann, ist Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß neben dem Phasenwinkel zwischen den Nocken auch die Phasenlage, d. h. die sog. Spreizung, zwischen sämtlichen insbesondere parallel wirkenden Nocken sowie der mit dem Hubkolben zusammenwirkenden Kurbelwelle veränderbar ist. Vorteil­ hafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist nicht nur der Phasenwinkel beispiels­ weise zwischen einem ersten und einem zweiten Einlaß­ nocken oder Auslaßnocken der Brennkraftmaschine verstell­ bar, sondern darüber hinaus ist auch die Phasenlage des ersten Nockens und des zweiten Nockens bezüglich des Be­ wegungsablaufes des Hubkolbens bzw. bezüglich der damit gekoppelten Drehwinkellage der Brennkraftmaschinen-Kur­ belwelle veränderbar. Zwar ist auch die letztgenannte Veränderung der Phasenlage von ein oder zwei Gaswechsel­ ventilen bezüglich einer Kurbelwelle an sich bekannt, je­ doch ergeben sich durch die erfindungsgemäße Kombination sowohl der Phasenlagenveränderung aller Gaswechselventile als auch der Phasenwinkelveränderung zwischen allen Gaswechselventilen je Zylinder ungeahnte Möglichkeiten, die Ladungswechseldynamik dieses Zylinders noch weiter zu optimieren.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Variation sowohl der Phasenlage als auch des Phasenwinkels mit Hilfe eines einzigen Stellorganes erfolgen kann, da hier­ durch nicht nur der erforderliche Bauaufwand, sondern auch die benötigte Ansteuerungslogik gering gehalten wer­ den kann. Im Zusammenhang mit parallel wirkenden Gaswech­ selventilen wurde erkannt, daß es zur Erzielung optima­ ler Ergebnisse völlig ausreichend ist, wenn ausgehend von einer geringen Spreizung sowie einem äußerst geringen Phasenwinkel mit zunehmender Spreizung, d. h. sich ver­ größernder Phasenlage zwischen den Nocken sowie der Kur­ belwelle zugleich der Phasenwinkel zwischen den parallel wirkenden Nocken vergrößert wird. Bevorzugt wird dabei im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine sowie in einem vollastnahen Bereich eine geringe Spreizung sowie ein Phasenwinkel vom Betrag 0 eingestellt. Mit abnehmender Brennkraftmaschinen-Last, d. h. zum Teillastbereich hin, wird die Spreizung vergrößert und gleichzeitig ein stets wachsender Phasenwinkel zwischen den parallel wirkenden Nocken eingestellt. Bei zwei parallel wirkenden Gaswech­ selventilen bedeutet dies nichts anderes, als daß die Spreizung beispielsweise des zweiten Gaswechselventiles noch weiter vergrößert wird als diejenige des ersten Gaswechselventiles. Mit diesen Maßnahmen ergibt sich so­ mit im Vollastbetrieb sowie im vollastnahen Bereich eine optimale Füllung mit frühem Einlaßventil-Schließen und erwünschtermaßen geringem Restgasanteil. Zum Teillastbe­ reich hin wird hingegen die Ladungsbewegung verstärkt, da das besagte Phasing zwischen den parallel wirksamen Nocken eingestellt wird und darüber hinaus werden durch Vergrößerung der Spreizung die Ventilöffnungszeitpunkte im Falle der Einlaßventile verbessert an die verringerte Gaswechseldynamik im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angepaßt. Werden die genannten Maßnahmen bei den Auslaß­ ventilen der Brennkraftmaschine angewandt, so kann man im Teillastbereich eine erwünschtermaßen größere Ventilüber­ schneidung mit den Einlaßventilen einstellen, um einen höheren Restgasanteil im Zylinder zu belassen.

Wie bereits erwähnt ist es von besonderem Vorteil, daß lediglich ein einziges Stellorgan zur Einstellung sowohl der Phasenlage als auch der Phasenwinkel erforderlich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses Stellorgan als ein Stellbolzen ausgebildet, der auf sei­ ner Außenseite mit Schrägverzahnungen versehen ist. Die­ ser Stellbolzen wirkt mit den insbesondere beiden Nocken­ wellen, auf denen jeweils einer der parallel wirksamen Nocken angeordnet ist, derart zusammen, daß die Schräg­ verzahnung des Verstellbolzens mit entsprechenden Schräg­ verzahnungen der Nockenwellen bzw. deren Antriebsrädern kämmt, so daß der Verstellbolzen, wenn er in Längsrich­ tung der Nockenwellen verschoben wird, diese durch diese Verschiebebewegung um ihre Längsachse verdreht. Bei­ spielsweise können die mit den Schrägverzahnungen des Stellbolzens zusammenwirkenden Schrägverzahnungen auf den beiden Nockenwellen angeordnet sein, wobei sich die Stei­ gungswinkel der Schrägverzahnungen zwischen den beiden Nockenwellen unterscheiden. Wird sodann der Stellbolzen um ein gewisses Maß in seiner Längsrichtung verschoben, so werden die beiden Nockenwellen um unterschiedliche Winkel gedreht, so daß neben dem Phasenwinkel zwischen zwei darauf befindlichen Nocken auch deren beider Phasen­ lage verändert wird. In einer anderen Ausführungsform kann eine erste Schrägverzahnung auch zwischen dem Stell­ bolzen sowie einem Nockenwellen-Antriebsrad und eine zweite Schrägverzahnung zwischen dem Stellbolzen und der nicht direkt vom Nockenwellen-Antriebsrad angetriebenen (zweiten) Nockenwelle vorgesehen sein. Dabei kann zusätz­ lich zwischen dem Stellbolzen und der ersten Nockenwelle eine eine Verstellung bewirkende Schrägverzahnung vorge­ sehen sein.

Eine besonders kompakte Anordnung ergibt sich, wenn ana­ log dem bekannten Stand der Technik die Nockenwellen, die die insbesondere parallel wirkenden Nocken tragen, kon­ zentrisch zueinander angeordnet sind. In diesem Fall bie­ tet es sich an, auch den Stellbolzen sowie das Nockenwel­ len-Antriebsrad konzentrisch zu den Nockenwellen anzuord­ nen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das diese sowie weitere vorteilhafte sowie ggf. erfindungswesentliche Merkmale zeigt, wird im folgenden näher beschrieben. Da­ bei zeigen die Fig. 1a, 1b Ventilerhebungskurven zur Er­ läuterung der Begriffe des Phasenwinkels bzw. der Phasen­ lage/Spreizung, während in den Fig. 2a, 2b eine erfin­ dungsgemäß gestaltete Nockenwelle inklusive des die Pha­ senwinkel- bzw. Phasenlageänderung hervorrufenden Stell­ organes gezeigt ist.

In den Fig. 1a, 1b sind jeweils drei Ventilerhebungskur­ ven 1, 2, 3 dreier Gaswechselventile eines Brennkraftma­ schinen-Zylinders gezeigt. Die Ventilerhebungskurven 1, 2 stellen die Ventilhubverläufe zweier parallel wirkender Zylinder-Einlaßventile über der Zeitachse dar, während die Ventilerhebungskurve 3 den Hubverlauf eines Zylinder- Auslaßventiles zeigt. Mit LW-OT ist der Zeitpunkt be­ schrieben, in dem sich der Kolben während der Ladungs­ wechselphase in seinem oberen Totpunkt befindet. Die Pha­ senlage bespielsweise des ersten Einlaßventiles mit der Erhebungskurve 1 ist durch die Strecke s gekennzeichnet, die üblicherweise auch als Spreizung bezeichnet wird. Mit dem Buchstaben p ist der Phasenwinkel bezeichnet, der zwischen den parallel wirkenden Einlaßventilen bzw. deren Erhebungskurven 1, 2 eines Zylinders vorliegt. Selbstver­ ständlich stellt sich auch dieser Phasenwinkel p analog der Spreizung s über der Zeitachse als Strecke dar.

Fig. 1a zeigt die Verhältnisse bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine. Hier ist die Phasenlage bzw. Sprei­ zung s ebenso wie der Phasenwinkel p gering. Letzterer nimmt in einer bevorzugten Ausführungsform sogar den Be­ trag 0 an. Erfindungsgemäß wird bei Teillastbetrieb, der in Fig. 1b dargestellt ist, die Phasenlage/Spreizung s und der Phasenwinkel p vergrößert. Mit diesen Maßnahmen ist - wie oben geschildert - eine optimale Abstimmung des Ladungswechsels der Brennkraftmaschine im Hinblick auf die unterschiedlichen Betriebszustände bzw. Betriebs­ punkte möglich.

Fig. 2a zeigt einen Längsschnitt durch eine Nockenwelle für zwei parallel wirkende Gaswechselventile je Brenn­ kraftmaschinen-Zylinder mit einem stirnseitig vorgese­ henen Stellorgan zur erfindungsgemäßen Veränderung von Phasenlage und Phasenwinkel der Nocken. Ein erster Nocken für ein erstes Gaswechsel- bzw. Einlaßventil ist mit 11 bezeichnet, ein zweiter Nocken zur Betätigung eines pa­ rallel wirkenden Gaswechselventiles dieses Zylinders trägt die Bezugsziffer 12. Vorhanden ist ferner ein wei­ terer erster Nocken 11′ sowie ein weiterer zweiter Nocken 12′ eines weiteren Brennkraftmaschinen-Zylinders.

Die ersten Nocken 11, 11′ sind auf einer ersten Nocken­ welle 10 befestigt, die wie ersichtlich aus einem Stirn­ teil 10a sowie einem Schaftteil 10b zusammengesetzt ist, die starr miteinander verbunden sind. Die zweiten Nocken 12, 12′ sind - wie der Querschnitt gemäß Fig. 2b durch die Nockenwelle zeigt - mittels eines Bolzens 21 auf der zweiten Nockenwelle 20 befestigt. Die erste Nockenwelle 10 ist hohlzylindrisch ausgebildet und kann somit die zweite als Vollwelle ausgebildete Nockenwelle 20 aufneh­ men, d. h. die beiden Nockenwellen 10, 20 sind konzen­ trisch zueinander angeordnet. Im Bereich der Nocken 12 bzw. der Bolzen 21 sind in der äußeren ersten Nockenwelle 10 segmentförmige Aussparungen 13 vorgesehen, um einen Durchtritt des Bolzens 21 auch bei Verdrehung der inneren zweiten Nockenwelle 20 gegenüber der äußeren, ersten Nockenwelle 10 um die gemeinsame Wellenlängsachse 14 zu ermöglichen.

Teilweise innerhalb des sich topfförmig erweiternden freien Endes des Stirnteiles 10a der ersten Nockenwelle 10 ist ein Nockenwellen-Antriebsrad 15 gelagert. Dieses Antriebsrad 15 ist dabei gegenüber dem Stirnteil 10a um die Wellenachse 14 um einen gewissen Winkelbetrag ver­ drehbar. Somit handelt es sich bei der mit der Bezugszif­ fer 16 bezeichneten Schraubverbindung lediglich um eine Axialsicherung, die langlochartig ausgebildet ist und eine Verdrehung des an seinem Umfang mit Kettenzähnen 15′ ausgestatteten Antriebsrades 15 gegenüber der ersten Nockenwelle 10 zuläßt.

Konzentrisch innerhalb des hohlzylindrisch ausgebildeten Antriebsrades 15 ist ein Stellbolzen 30 angeordnet. Die­ ser Stellbolzen 30 erstreckt sich bis in eine Aussparung 22 der zweiten Nockenwelle 20. Die Wand dieser Aussparung 22, die an der Stirnseite der zweiten Nockenwelle 20 be­ ginnt und sich in Richtung der Wellenlängsachse 14 er­ streckt, ist bereichsweise schrägverzahnt (Bezugsziffer 23). Eine Schrägverzahnung 32 gleicher Steigung befindet sich auf dem in die Aussparung 22 hineinragenden Teilbe­ reich des Stellbolzens 30.

An diesen zweiten schräg verzahnten Teilabschnitt 32 des Stellbolzens 30 schließt sich ein längsverzahnter Teilab­ schnitt 33 an. Mit diesem längsverzahnten Teilabschnitt 33 liegt der Stellbolzen 30 im Inneren des Stirnteiles 10a der Nockenwelle 10. Dabei wirkt die Längsverzahnung 33 des Stellbolzens 30 mit einer Längsverzahnung 17 zu­ sammen, die aus der Wand der notwendigerweise in diesem Bereich hohl ausgebildeten ersten Nockenwelle 10 bzw. aus der Innenwand des Stirnteiles 10a herausgearbeitet ist.

An den längsverzahnten Teilabschnitt 33 des Stellbolzens 30 schließt sich ein erster schrägverzahnter Teilab­ schnitt 31 an, der innerhalb des ebenfalls mit einer Schrägverzahnung 18 versehenen Nockenwellen-Antriebsrades 15 liegt.

Wird somit der Stellbolzen 30 auf nicht gezeigte Weise gemäß Pfeilrichtung 34 bewegt, so ruft dies zum einen aufgrund der Paarung der Schrägverzahnungen 31/18 gegen­ über einem stillstehenden Antriebsrad 15 eine Verdrehung des Stellbolzens 30 hervor, die über die Paarung der Längsverzahnungen 33/17 auf die erste Nockenwelle 10 im Verhältnis 1 : 1 übertragen wird und somit beispielsweise eine Vergrößerung der Spreizung s bewirkt. Wegen der zweiten Schrägverzahnungs-Paarung 32/23 wird gleichzeitig die zweite Nockenwelle 20 gegenüber dem Antriebsrad 15 verstärkt verdreht, so daß - wie erwünscht und im Zusam­ menhang mit den Fig. 1a, 1b erläutert - der Phasenwinkel p zwischen dem zweiten Nocken 12 sowie dem ersten Nocken 11 vergrößert wird.

Durch Anpassung der Steigung der einzelnen Schrägverzah­ nungen bzw. Schrägverzahnungs-Paarung 18/31 bzw. 23/32 kann somit festgelegt werden, in welchem Maße sich bei einer definierten Verschiebung des Stellbolzens 30 gemäß Pfeilrichtung 34 die Phasenlage/Spreizung s gemeinsam mit dem Phasenwinkel p verändert. Wie eingangs erwähnt, läßt sich hiermit die Ladungswechseldynamik einer mit einer erfindungsgemäßen Nockenwelle inklusive Stellorgan bzw. Stellbolzen 30 ausgestatteten Brennkraftmaschine optimal auf die jeweiligen Erfordernisse hin auslegen. Desweite­ ren liegt ein optimaler Kraftfluß vor, da zwischen der äußeren ersten Nockenwelle 10 sowie dem Stellbolzen 30 eine Längsverzahnungs-Paarung 17/33 vorgesehen ist. Fer­ ner wird die Dauerhaltbarkeit der zweiten Nockenwelle 20 in Verbindung mit ihren Nocken 12, 12′ dadurch gestei­ gert, daß diese zweite Nockenwelle 20 als Vollwelle aus­ gebildet ist. Jedoch sind eine Vielzahl von Abwandlungen von diesem gezeigten Ausführungsbeispiel möglich, die weiterhin unter den Inhalt der Patentansprüche fallen. Insbesondere kann dabei beispielsweise der erste Nocken 11 ein Einlaßventil und der zweite Nocken 12 ein Auslaß­ ventil betätigen. Auch hiermit ist durch gleichzeitige Änderung von Phasenlage und Phasenwinkel für beide Nocken ein verbesserter Ladungswechsel erzielbar.

Claims (6)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei ins­ besondere parallel wirkenden Gaswechsel-Ventilen (Ventilerhebungskurven 1, 2) je Zylinder, die von relativ zueinander verstellbaren Nocken (11, 12) be­ tätigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Phasenwinkel (p) zwischen den Nocken (11, 12 bzw. 1, 2) auch die Phasenlage (Spreizung s) zwischen sämtlichen insbe­ sondere parallel wirkenden Nocken (11, 12 bzw. 1, 2) sowie der mit dem Hubkolben zusammenwirkenden Kur­ belwelle veränderbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einem Stell­ organ zur Veränderung des Phasenwinkels (p) zwischen den Nocken, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei Betätigung die­ ses Stellorganes gleichzeitig die Phasenlage (s) zwischen den insbesondere parallel wirkenden Nocken sowie der Kurbelwelle verändert.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die insbe­ sondere parallel wirkenden Nocken (11, 12) auf ver­ schiedenen Nockenwellen (10, 20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellorgan als in Wellenlängsrichtung (Pfeilrichtung 34) verschiebba­ rer Stellbolzen (30) ausgebildet ist, der über Schrägverzahnungen (31, 32) mit zumindest einer der Nockenwellen (20) sowie zumindest einem Nockenwel­ len-Antriebsrad (15) in Verbindung steht.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die insbe­ sondere parallel wirkenden Nocken auf verschiedenen Nockenwellen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellorgan als in Wellenlängsrichtung verschiebbarer Stellbolzen aus­ gebildet ist, der mit einem Nockenwellen-Antriebsrad sowie über Schrägverzahnungen unterschiedlicher Steigung mit den Nockenwellen in Verbindung steht.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Nockenwellen (10, 20) der insbesondere parallel wir­ kenden Nocken (11, 12) konzentrisch zueinander ange­ ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellbolzen (30) und das Nockenwellen-Antriebsrad (15) konzentrisch zu den Nockenwellen (10, 20) angeordnet sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale:

• - die zweite Nockenwelle (20) liegt innerhalb der ersten Nockenwelle (10)
• - die zweite Nockenwelle (20) weist stirnseitig eine sich in Wellenlängsrichtung (14) erstreckende Aus­ sparung (22) auf, deren Wand bereichsweise schräg­ verzahnt (23) ist
• - in die Aussparung (22) ragt der Stellbolzen (30) mit seinem zweiten schrägverzahnten Teilabschnitt (32) hinein
• - an den zweiten schrägverzahnten Teilabschnitt (32) des Stellbolzens (30) schließt sich ein längsver­ zahnter Teilabschnitt (33) an, der innerhalb der in diesem Abschnitt ebenfalls eine Längsverzahnung (17) aufweisenden ersten Nockenwelle (10) liegt,
• - an den längsverzahnten Teilabschnitt (33) des Stell­ bolzens (30) schließt sich ein erster schrägverzahn­ ter Teilabschnitt (31) an, der innerhalb des eben­ falls mit einer Schrägverzahnung (18) versehenen, stirnseitig drehbar mit der ersten Nockenwelle (10) verbundenen Nockenwellen-Antriebsrades (15) liegt,
• - die innere Nockenwelle (20) ist eine Vollwelle, an der die Nocken (12, 12′) über einen durchgehenden Bolzen (21) befestigt sind.