DE4228796A1 - Ventilantriebsanordnung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Ventilantriebsanordnung für eine BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ventilantriebsanordnung für eine
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine variabel zu
betreiben, d. h. mit unterschiedlichen Steuerzeiten und/oder Hüben. In der
EP-0 267 687 B1 ist ein Ventilantrieb offenbart, bei dem zwei Einlaßventile
von einer mit unterschiedlichen Nocken versehenen Nockenwelle unter
Zwischenschaltung von als Kipphebel ausgebildeten Übertragungselementen
betätigt werden. Innerhalb der Kipphebel sind axial verschiebbare Kolben
gelagert, welche je nach ihrer Stellung die Kipphebel formschlüssig
aneinander koppeln. Eine Nocke mit großem Ventilhub betätigt bei
ausgefahrenem Kolben die Ventile über zwei äußere Kipphebel, welche an einen
mittleren angekoppelt sind. Bei eingefahrenem Kolben ist der mittlere
Kipphebel abgekoppelt und die Ventile werden über die äußeren Kipphebel von
Nocken mit einem geringerem Ventilhub betätigt.
Eine solche Anordnung beansprucht einen großen Bauraum und ist
schwergewichtig, da zusätzlich zu der Nockenwelle weitere Achsen zur
Kipphebellagerung angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung
raumsparend zu vereinfachen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Wenn bei einem Ventilantrieb die Nocken als Übertragungselemente ausgebildet
sind, wobei eine Nocke drehfest und eine andere drehbar auf der Nockenwelle
angeordnet ist, so kann bei kompakter Bauweise, bei der die Nocken
unmittelbar auf die Ventile einwirken, je nach Stellung der Kolben die
drehfest angeordnete oder die formschlüssig angekoppelte, drehbare Nocke auf
die Ventile einwirken.
Durch die Auslegung der Nocken, die gleichzeitig als Übertragungselemente
dienen, sind keine Kipphebelwellen und dergleichen erforderlich. Der
Bauraumbedarf entspricht einem konventionellen Ventilantrieb, bei dem die
Nocken direkt auf die Ventile wirken.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den Unteransprüchen
gekennzeichnete Ausgestaltungen.
Durch die Anordnung von drei nebeneinander auf der Nockenwelle liegenden
Nocken, von denen die mittlere oder die beiden äußeren zu- bzw. abschaltbar
sind, können die Gaswechselventile mit verschiedenen Nockenprofilen
betrieben werden.
Ist die mittlere Nocke zuschaltbar und mit größerem Hub versehen, werden
z. B. zwei über einen gemeinsamen Stößel betätigte Ventile im oberen
Lastbereich der Brennkraftmaschine so betrieben, daß ein verbesserter
Gaswechsel stattfindet.
Eine Anordnung von drei Nocken mit identischem Hub, jedoch verschiedenen
Profilverläufen ermöglicht es, beispielsweise eine mittig angeordnete
Schaltnocke mit einem für den Teillastbereich optimalen Ventilhubverlauf zu
versehen. Zur Herabsetzung der dabei auftretenden Reibungsverluste kann der
Schaltnocke dabei auf eine in dem Stößel integrierte Rolle auflaufen.
Die mittige Anordnung eines Festnockens mit geringerem Hub ermöglicht eine
für den Stößel beanspruchungsgünstige Lage der bei hohen Drehzahlen
zugeschalteten Schaltnocken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform,
Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,
Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform,
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 3,
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V gemäß Fig. 2,
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI gemäß Fig. 1 mit festgelegter
Schaltnocke,
Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII gemäß Fig. 2 und
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII gemäß Fig. 7.
In einem nicht gezeigten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine wird eine
Nockenwelle 1 in Lagern 2 gehalten und über ein Kettenrad 3 von einer nicht
gezeigten Kurbelwelle angetrieben.
Die Nockenwelle 1 trägt mehrere Nocken, welche als Übertragungselemente
zwischen der Nockenwelle 1 und Einlaßventilen 4 unter Zwischenschaltung
eines Stößels 5 dienen.
Die Nockenwelle 1 weist eine Zentralbohrung 6 auf, in welcher durch Stopfen
7 ein Abschnitt 8 begrenzt ist.
In ein innerhalb des Abschnittes 8 gelegenes Lager 2 ist eine Nut 9
eingestochen, welche über eine Druckölleitung 11 gespeist wird und über eine
radiale Bohrung 10 mit der Zentralbohrung 6 verbunden ist. Im Bereich der
Nocken ist eine Radialbohrung 12 angeordnet, welche die Zentralbohrung 6
schneidet und in eine zylindrische Hydraulikkammer 13 eines Nockens mündet.
In einer ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein erster, als Schaltnocke
14 ausgebildeter mittlerer Nocken drehbar auf der Nockenwelle 1 gelagert,
während beidseitig dazu ein zweiter bzw. dritter, als Festnocke 15 bzw. 16
ausgebildeter Nocken drehfest angeordnet ist.
Die Schaltnocke 14 weist im Bereich ihrer maximalen Erhebung eine
Durchgangsbohrung 17 auf, in der ein Kolben 18 axial verschiebbar gelagert
ist. Beide Festnocken 15, 16 weisen mit der Durchgangsbohrung 17
korrespondierende Bohrungen 19, 20 auf. In Bohrung 19 mündet die
Radialbohrung 12 und ein weiterer, verschiebbarer Kolben 21 ist in ihr
gelagert.
Bohrung 20 weist einen federbelasteten Hohlkolben 22 auf, dessen Feder 23
sich an einem Boden 24 der Bohrung 20 abstützt.
Die Bohrungen 19 und 20 sowie die Durchgangsbohrung 17 weisen einen
gleichen Abstand H zur Längsachse A-A der Nockenwelle 1 auf und die Kolben
18, 21 und der Hohlkolben 22 haben einen identischen Durchmesser D. Der
maximale Hub der Festnocken 15, 16 ist geringer als der der Schaltnocke 14.
Alle Nocken wirken auf den Stößel 5 ein, welcher einstückig ausgebildet
beide Ventile 4 gleichzeitig betätigt. Jedem Ventil 4 ist dabei eine übliche
Ventilfeder 25 sowie ein in den Stößel 5 integriertes, hydraulisches Ventil
spielausgleichselement 26 zugeordnet.
In der Druckölleitung 11 ist ein Sperrventil 29 angeordnet, welches über
eine Leitung 30 von einer elektronischen Steuerung 31 geöffnet oder gesperrt
wird. Diese Steuerung 31 nimmt u. a. Signale auf, welche mit den aktuellen
Werten der Öltemperatur T und der Brennkraftmaschinendrehzahl N
korrespondieren. Die Druckölleitung 11 ist an eine Verteilerleitung 32
angeschlossen, welche über weitere Druckölleitungen 11 mit allen Zylindern
der Brennkraftmaschine verbunden ist und über einen Zulauf 33 mit Drucköl
gespeist wird.
Im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ist das Sperrventil 29
geschlossen, es liegt kein Öldruck in der Hydraulikkammer 13 an. Aufgrund
dessen schiebt die Feder 23 des Hohlkolbens 22 die Kolben 18 bzw. 21
vollständig in die zugehörige Schaltnocke 14 bzw. Festnocke 15. Die
Schaltnocke 14 ist entkoppelt und die Nockenwelle 1 rotiert frei in dieser
Nocke 14. Die Festnocken 15 bzw. 16 laufen synchron auf den Stößel 5 auf und
betätigen die Einlaßventile 4 mit einem relativ geringen Hub.
Beim Überschreiten eines bestimmten Lastzustandes der Brennkraftmaschine
wird das Sperrventil 29 geöffnet und die kreisringförmig umlaufende Nut 9
wird ständig über die Bohrung 10 aus der Druckölleitung 11 gespeist. Der auf
den Kolben 21 wirkende Öldruck schiebt diesen gegen die Schaltnocke 14. Beim
Überlaufen einer in Drehrichtung vor der Durchgangsbohrung 17 liegende
Einlauframpe 34 wird der Kolben 21 teilweise in diese Bohrung 17 gedrückt
und schiebt dabei Kolben 18 teilweise in Bohrung 20, wobei der Hohlkolben
entgegen der Feder 23 bis zur Anlage mit Boden 24 verschoben wird. Die
formschlüssig angekoppelte Schaltnocke 14 rotiert synchron mit den
Festnocken 15, 16 und betätigt aufgrund des größeren Hubes den Stößel 5.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 2 erfolgt die
Ankoppelung der Schaltnocke nur über eine Festnocke 15 mittels des Kolbens
21.
Der Stößel 5 ist als Rollenstößel ausgebildet und hier nicht näher
erläutert, da er in DE-40 39 256 A1 beschrieben ist. Die mittlere Nocke ist
hierbei für den Teillastbereich der Brennkraftmaschine mit einem anderen
Profil versehen wie die Festnocken 15, 16 und betätigt reibungsarm über eine
Rolle 35 den Stößel 5, wobei Sperrventil 29 geöffnet ist. Alle Nocken weisen
einen identischen Hub auf.
Bei hoher Last der Brennkraftmaschine schließt das Sperrventil 29, so daß
die Schaltnocke 14 abgekoppelt ist und Stößel 5 von den Festnocken 15, 16
betätigt wird. Bezüglich aller übrigen Teile entspricht diese
Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 weist einen mittleren,
als Festnocke 40 ausgebildeten Nocken sowie beidseitig dazu je eine als
Schaltnocke 41 bzw. 42 ausgebildete Nocke auf. Die Radialbohrung 12
verläuft mittig in der Festnocke 40 und mündet zentral in die zwischen zwei
gegenläufigen Kolben 43 und der Durchgangsbohrung 19 gebildeten
Hydraulikkammer 13. Die Schaltnocken 41 und 42 weisen jeweils einen
federbelasteten Hohlkolben 22 auf.
Im Lager 2 ist Nut 9 kreissegmentförmig ausgebildet und allen Zylindern ist
nur ein gemeinsames Sperrventil 29 im Zulauf 33 zugeordnet.
Die mittlere Nocke ist mit einem geringeren Hub versehen dem Teillastbereich
zugeordnet, während bei erhöhter Last und offenem Sperrventil 29 die mit
einem größeren Hub versehenen Schaltnocken 41, 42 formschlüssig angekoppelt
den Stößel 5 betätigen.
Hierbei weisen beide Schaltnocken 41, 42 eine Einlauframpe 34 auf. Die
Steuerung 31 verarbeitet zusätzlich ein dem aktuellen Drosselklappenwinkel K
entsprechendes Signal.
In allen Ausführungen der Erfindung erfolgt das An- bzw. Abkoppeln der
Schaltnocken zumindest in Abhängigkeit der Brennkraftmaschinendrehzahl N.
Zusätzlich können weitere Parameter, wie z. B. der Drosselklappenwinkel K,
als Lastinformation der Steuerung 31 zugeführt werden. Die Steuerung 31 kann
auch adaptiv ausgelegt sein. Hierbei wird gemäß Fig. 1 über einen weiteren
Eingang 43 beispielsweise ein Signal über die zeitliche Änderung des
Drosselklappenwinkels K als ein Maß für die Dynamik des Fahrbetriebes eines
mit diesem Ventilantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeuges erfaßt. Eine bewußt
ruhige Fahrweise ohne Dynamiksprünge verschiebt dabei das Zuschalten der mit
größerem Hub ausgestatteten Nocken in ökonomische Drehzahlbereiche der
Brennkraftmaschine. Bei betont sportlicher Fahrweise wird das Schalten in
Bereiche verschoben, die optimale Werte für Leistung und Drehmoment liefern.
In Abwandlung davon kann ein manuell zu betätigender Schalter 44 vorgesehen
sein, der ein Umschalten zwischen einer ökonomischen und einer sportlichen
Fahrweise gemäß in der Steuerung 31 abgespeicherter, festgelegter Kennfelder
gestattet. Aus diesen Kennfeldern werden Werte zum Schalten der Schaltnocken
in Abhängigkeit der Drehzahl N ausgelesen.
In allen Ausführungen wird zum Festlegen der abgekoppelten Schaltnocken 14
bzw. 41, 42 ein hydraulisch betätigter Feststeller 45 mit einem Kolben 46
verwendet. Dieser ist gemäß Fig. 6 in einem im Zylinderkopf gehaltenen
Gehäuse 47 geführt und wird über eine Druckleitung 48 bei abgekoppelter
Schaltnocke 14; 41, 42 ausgefahren. Somit ist eine definierte Stellung beim
erneuten Einfahren der Kolben in die Einlauframpe 34 gegeben und es steht
eine ausreichend große Zeitspanne zum formschlüssigen Verbinden zur
Verfügung. Die Stellung ist dabei so gewählt, daß der Schaltnocken während
des Zuschaltens mit seinem Grundkreis 49 auf dem Stößel 5
läuft.
Claims (13)
1. Ventilantriebsanordnung für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens
einer Nockenwelle sowie mindestens zwei darauf angeordneten Nocken mit
unterschiedlichen Profilen zur Betätigung von Gaswechselventilen,
wobei diese Ventile wahlweise von der einen oder der anderen Nocke betätigt
werden, indem zwischen der Nockenwelle und den Gaswechselventilen
angeordnete Übertragungselemente mittels in ihnen gelagerter, axial
verschiebbarer Kolben formschlüssig miteinander gekoppelt werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente durch die Nocken gebildet sind,
wobei mindestens die eine Nocke drehfest als Festnocke (15, 16; 40) mit der
Nockenwelle (1) verbunden und die andere Nocke drehbar als Schaltnocke (14;
41, 42) auf der Nockenwelle (1) angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Festnocke
(15; 40) unmittelbar benachbart einer Schaltnocke (14; 41) auf der
Nockenwelle (1) angeordnet ist, wobei ein in einer Hydraulikkammer (13) des
Festnockens (15; 40) gelagerter Kolben (21; 43) formschlüssig mittels
Öldruck in eine Durchgangsbohrung (17) des Schaltnockens (14; 41)
verschiebbar ist.
3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltnocke (14;
41) oder Festnocke (15; 40) über einen gemeinsamen Stößel (5) als
Einlaßventile (4) ausgebildete Gaswechselventile betätigen.
4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei
Festnocken (15, 16) eine Schaltnocke (14) angeordnet ist, deren maximaler
Nockenhub größer ist als der der Festnocken (15, 16).
5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Bohrung
(20) der einen Festnocke (16) ein federbelasteter Hohlkolben (22) angeordnet
ist, welcher bei abgeschaltetem Öldruck einen Kolben (18) in einer
Durchgangsbohrung (17) der Schaltnocke (14) und dieser wiederum einen Kolben
(21) in einer Bohrung (19) der anderen Festnocke (15) verschiebt.
6. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltnocke
(14) über eine mit dem Stößel (5) verbundene Rolle (35) auf die
Gaswechselventile wirkt.
7. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar
benachbart der Schaltnocke (14) eine weitere Festnocke (16) auf der
Nockenwelle (1) derart angeordnet ist, daß die Schaltnocke (14) mittig
zwischen den Festnocken (15 und 16) liegt.
8. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar
benachbart der Festnocke (40) eine weitere Schaltnocke (42) auf der
Nockenwelle (1) derart angeordnet ist, daß die Festnocke (40) mittig
zwischen den Schaltnocken (41 und 42) liegt.
9. Antrieb nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Nocken
mit identischem Hub versehen auf einen gemeinsamen Stößel (5) wirken.
10. Antrieb nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Festnocke (40) mit einem geringeren Hub versehen ist als die Schaltnocke
(41, 42).
11. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikkammer (13) über eine in der
Nockenwelle (1) verlaufende Zentralbohrung (6) mit einer Druckölleitung (11)
verbunden ist, welche mit einem von einer elektronischen Steuerung (31)
betätigten Sperrventil (29) zusammenwirkt.
12. Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein manuell zu
betätigender Schalter (44) mit der Steuerung (31) verbunden ist, wobei mit
diesem Schalter (44) in der Steuerung (31) abgespeicherte Kennfelder
anwählbar sind, welche das Sperrventil (29) steuern.
13. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 2 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß bei gesperrtem Sperrventil (29) die
Schaltnocke (14; 41, 42) mittels eines hydraulischen, einen ausfahrbaren
Kolben (46) aufweisenden Feststellers (45) festgelegt
sind.
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