DE4244550A1 - Vorrichtung zur Verdrehung von Nockenwellen von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Ansteuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Ventilsteuerung ist aus der Offenlegungsschrift DE-OS 35 31 000 bekannt. Bei diesem bekannten Ventiltrieb wird die erforderliche Variabilität einer Ventilsteuerung, vornehmlich zur Vermeidung von Drosselverlusten, dadurch verwirklicht, daß der Öffnungs- und Schließtvorgang von 2 verschiedenen, mit regelbarem Phasenwinkel zur Kur­ belwelle laufenden Steuernocken ausgeführt wird. Dabei wird ein beliebig ausgebildeter Steuerhebel von den beiden Nockenwellen derart betätigt, daß das in Schließtrichtung feder­ belastete Ventil nur dann geöffnet ist, wenn beide Steuernocken ausgefahren sind. Durch entsprechende Phasenlage der Nockenwellen können so variable Ventilsteuerzeiten einge­ stellt werden. Eine ähnliche Ventilsteuerung für Einlaßventile von Hubkolben- Brennkraftmaschinen wird in der DE-OS 35 19 319 beschrieben. Hierbei greift zusätzlich zu einer rotierenden Hubnockenwelle eine mit gleicher Drehzahl umlaufende Steuernockenwel­ le auf eine verschiebliche Lagerstelle des schwenkbaren Ventilhebels. Damit sind prinzipiell variable Ventilsteuerungen realisierbar, bei der der Ventilhubverlauf so veränderbar ist, daß die durch Drosselung bedingten Ladungswechselverluste bei Ottomotoren vermieden wer­ den.

Zur Realisierung einer drosselfreien Laststeuerung im gesamten Betriebsbereich heutiger Fahrzeug-Ottomotoren sind jedoch relative Verdrehwinkel zwischen den beiden Nocken­ wellen in einer Größenordnung von 150 bis 220 °KW erforderlich, will man außerdem das Potential optimaler Ventilsteuerzeiten für maximale Füllung bei Vollast im gesamten Drehzahlbereich nutzen. Dieser Verstellvorgang muß zudem aus den Anforderungen des dynamischen Fahr­ zeugbetriebs heraus innerhalb kürzester Zeiträume im zehntel Sekunden Bereich erfolgen. Ein Verstellmechanismus, der diesen Anforderungen gerecht wird, wird in den oben genann­ ten Schriften nicht beschrieben. Die in der DE-OS 3 53 100 beschriebene Lösung, über vom Gaspedal gesteuerte, axial auf entsprechenden Steilgewinden verschiebbare Antriebsrädern der Nockenwellen die Verstellung zu realisieren, ist weder für den angestrebten Verstellwin­ kel noch in der erforderlich kürzen Zeit praktikabel. Auch die aus anderen Patent- und Of­ fenlegungsschriften bekannten (z. B. DE-OS 29 09 803) und heute schon zum Teil in Se­ rienproduktion befindlichen Nockenwellen-Phasenversteller nach dem Prinzip der axialen Verschiebung eines Kolbens auf einer schraubenförmigen Nut können die Anforderungen an große Verdrehwinkel bei kleinen Stellzeiten nicht erfüllen. Darüber hinaus steht der für die­ ses Prinzip erforderliche Bauraum, insbesondere in Richtung der Motorlängsachse bei den heutigen engen Platzverhältnissen im Motorraum moderner PKW kaum noch zur Verfü­ gung.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Verstellmechanismus für einen Ventiltrieb der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß der für eine drossel­ freie Laststeuerung und für maximale Füllung im gesamten Drehzahlbereich erforderliche Verdrehwinkel eines Doppelnockenwellen-Ventiltriebs ebenso realisierbar ist, wie die Ver­ stellung innerhalb der geforderten kurzen Zeiten. Auch soll eine schmale, platzsparende Bauweise des Verstellers ebenso erreicht werden, wie möglichst geringe Relativbewegun­ gen der beweglichen Teile zueinander.

Diese Aufgabe ist durch die Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die beiden für die Steuerung des oder der Ventile einer Brennkraftmaschine - insbesondere des oder der Einlaßventile - zuständigen Nockenwellen stehen erfindungsgemäß über ein 4-rädriges Koppelgetriebe miteinander im Eingriff. Bei einer rotatorischen Verstellung der Koppel um die Achse der antreibenden Nockenwelle stellt sich prinzipbedingt ein großer Verdrehwinkel der angetriebenen gegen­ über der antreibenden Welle dadurch ein, daß der Verdrehwinkel des Koppelgetriebes über­ lagert wird von dem Abrollen der Zahnräder aufeinander. Zur Unterbringung dieses Ver­ stellmechanismus braucht der Zylinderkopf nur etwa um die erforderliche Zahnradbreite verlängert werden, ohne daß zusätzlicher axialer Bauraum für den Verstellweg selbst benö­ tigt wird. Der Verstellweg quer zur Motorlängsachse ist durch die Überlagerung von Ver­ stellweg der Koppel und Abrollen der Zahnräder aufeinander sehr klein. Darüber hinaus kann infolge der kleinen Verstellwege des Koppelgetriebes die Verstellung problemlos mit entsprechenden Aktuatoren innerhalb der kurzen geforderten Zeiträume realisiert werden.

Durch eine geeignete Wahl der Übersetzungsverhältnisse zwischen den mit den beiden Nok­ kenwellen verbundenen Zahnrädern und den Zwischenrädern nach dem Patentanspruch 2, kann zusätzlich die Abhängigkeit des Verdrehwinkels der angetriebenen Nockenwelle von dem Verstellweg des Koppelgetriebes beeinflußt werden. Eine Vergrößerung der wirksa­ men Durchmesser der Zwischenräder gegenüber den auf den Nockenwellen fest verbunde­ nen Zahnrädern vergrößert den Verdrehwinkel der zu verdrehenden Nockenwelle bei glei­ chem Verstellweg des Koppelgetriebes, eine Verkleinerung der Durchmesser der Zwischen­ räder verringert die Empfindlichkeit der Nockenwellenverdrehung und damit der Steuerzei­ tenänderung auf die Verstellung des Koppelgetriebes.

Vorzugsweise wird nach Patentanspruch 3 der Verstellmechanismus so angeordnet, daß die von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle die Öffnetfunktion des oder der Ventile be­ stimmt, so daß über den beschriebenen Versteller eine relative Verdrehung der die Schließt­ funktion bestimmenden Nockenwelle erfolgt. Auf diese Art und Weise ist bei einer einlaß­ seitige Anwendung der Vorrichtung eine ungedrosselte Laststeuerung bei Ottomotoren durch definiertes Schließen des oder der Einlaßventile zu einem Zeitpunkt, nach dem die ge­ forderte Ladungsmenge vom Kolben angesaugt wurde möglich. Bei sehr niedrigen Lasten bedeutet dies, daß das Einlaßventil vorzeitig, noch während der Abwärtsbewegung des Kol­ bens in der Ansaugphase geschlossen wird. Auch eine Laststeuerung über spätes Schließen des oder der Einlaßventile, bei der die vom Kolben bereits angesaugte überschüssige La­ dungsmenge in der anschließenden Kompressionsphase wieder ausgeschoben wird ist bei dieser Anordnung möglich. Die auslaßseitige Anwendung der Vorrichtung mit einer Anordnung entsprechend Paten­ tanspruch 3 ermöglicht über die Veränderung der Auslaß-Schließt-Zeit eine gezielte Steue­ rung des Restgasanteils am Frischgemisch.

Daneben ist entsprechend Patentanspruch 4 mit Hilfe der genannten Vorrichtung auch eine gezielte Steuerung des Öffnungszeitpunktes des oder der Ventile möglich, und zwar dann, wenn die von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle die Schließtfunktion des oder der Ventile bestimmt. Einlaßseitig kann so durch gezielte Steuerung der Einlaß-Öffnet-Zeit der Restgasgehalt den jeweiligen Betriebsbedingungen optimal angepaßt werden, auslaßseitig ist eine zusätzliche Nutzung von Expansionsarbeit betriebspunktabhängig möglich.

Durch eine Überdeckung der mit den Nockenwellen fest verbundenen Zahnräder nach Patentanspruch 5 kann sowohl eine platzsparende, eng nebeneinanderliegende Anordnung beider Nockenwellen realisiert, als auch mit Hilfe größerer Zahnraddurchmesser eine Ver­ ringerung der an den Zahnflanken angreifenden Kräfte erreicht werden. Für eine derartige überdeckende Bauweise des Verstellgetriebes ist es darüber hinaus vorteilhaft, gemäß den Pa­ tentansprüchen 6 und 7 eines der beiden überdeckenden Zahnrädern zweiteilig auszuführen und symmetrisch zum anderen Nockenwellenzahnrad anzuordnen, so daß sowohl dieses ein­ teilige Nockenwellenzahnrad als auch das ihm zugeordnete Zwischenrad beim Verstellvor­ gang in das zweiteilig ausgeführte Zahnrad der anderen Nockenwelle eintauchen können. Hierdurch können unangenehme Momente senkrecht zu den Zahnradachsen bei überdecken­ der Bauweise vermieden werden.

Infolge der Wechselmomente, resultierend aus den Anregungen des Ventiltriebs, kann es in dem Zahnradgetriebe zu Anlagewechseln kommen, die letztlich zu erhöhten Geräuschanre­ gungen (Zahnradrasseln) bis hin zu Schäden an den Zahnradpaarungen führen. Deshalb kann es zweckmäßig sein, durch zusätzliche Maßnahmen entsprechend den Patentansprüchen 8 und 9 derartige Anlagewechsel zu vermeiden. Dies ist bei schrägverzahnten Zahnrädern da­ durch möglich, daß zumindest eines der Zahnräder axial geteilt und gegenüber dem mit ihm kämmenden Zahnrad durch Auseinanderdrücken der beiden Zahnradhälften verspannt wird (Patentanspruch 8). Die Verspannung der beiden Zahnradhälften kann beispielsweise me­ chanisch mittels Federn oder auch hydraulisch erfolgen. Eine Verspannung des Verstellge­ triebes ist aber auch derart möglich, daß entsprechend Patentanspruch 9 die beiden gegen­ sinnig drehenden Nockenwellen zusätzlich über eine Reibpaarung mit geringfügig unter­ schiedlichen Durchmessern in Kontakt stehen. Diese Durchmesserdifferenz zwischen beiden Reibrädern ist so zu wählen, daß das hieraus resultierende Moment überlagert mit den aus dem Ventiltrieb übertragenden Wechselmomenten ein schwellendes Moment in eine Rich­ tung erzeugt, so daß ein Anlagewechsel vermieden wird.

Die Ausgestaltung des Verstellsystems nach Patentanspruch 10 ermöglicht die gleichzeitige Verstellung der Öffnet- und Schließtzeiten der Ventile dadurch, daß entweder abhängig oder unabhängig von der Verstellung der anzutreibenden zweiten Nockenwelle die von der Kurbelwelle direkt oder indirekt angetriebene erste Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verdreht werden. Dieser Verstellmechanismus ist insbesondere zur Verstellung der Einlaß- Öffnet-Zeiten zweckmäßig, um auf diese Weise neben der drosselfreien Laststeuerung über die Einlaß-Schließt-Zeit mittels der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 zusätzlich den je­ weils betriebsoptimalen Restgasanteil am Frischgemisch einstellen zu können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Verstellmechanismus in schematischer Darstellung,

Fig. 2 die prinzipielle Darstellung eines Zweinockenwellen-Ventiltriebs zur variablen Steue­ rung von Tellerhubventilen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Verstellmechanismus mit überdeckenden Zahnrä­ dern,

Fig. 4 eine Möglichkeit zur Verspannung des Verstellgetriebes und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Phasenschiebers in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verstellmechanismus.

Der Verstellmechanismus 5 entsprechend Fig. 1 setzt sich prinzipiell zusammen aus vier miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern 6, 7, 8, 9 und drei diese Zahnräder verbinden­ de Koppeln 10, 11, 12. Das von der Nockenwelle 1 angetriebene Zahnrad 6 ist über eine er­ ste Koppel 10 mit dem zweiten Zahnrad 8 verbunden und steht mit diesem in Eingriff. Das zweite Zahnrad 8 ist wiederum über eine zweite Koppel 11 mit einem weiteren Zahnrad 9 verbunden und treibt dieses an. Über die Koppel 12 hängt Zahnrad 9 an dem an der Nok­ kenwelle 2 befestigten Zahnrad 7, so daß hierüber letztendlich die Nockenwelle 2 gegensin­ nig zur Nockenwelle 1 angetrieben wird. Dabei ist es zur Realisierung gleicher Drehzahlen beider Nockenwellen erforderlich, daß zumindest die beiden mit den Nockenwellen fest ver­ bundenen Zahnräder 6 und 7 denselben wirksamen Durchmesser haben. Bei einer Verdre­ hung der Koppel 10 um die Längsachse der Nockenwelle 1 wird so Zahnrad 7 und die damit fest verbundene Nockenwelle 2 um die überlagerte Bewegung von Koppelverdrehwinkel und Abrollen der Zahnräder aufeinander gegen über Nockenwelle 1 verdreht. Dabei ist es unwesentlich, an welcher Stelle des Koppelgetriebes der Verstellvorgang eingeleitet wird. Neben dem Verstellwinkel des Koppelgetriebes ist auch das Übersetzungsverhältnis zwi­ schen den mit den Nockenwellen 1 und 2 verbundenen Zahnrädern 6 und 7 und den Zwi­ schenrädern 8 und 9 für die Größe des resultierenden Verdrehwinkels entscheidend, und zwar ist die realtive Verdrehung der Nockenwelle 2 gegenüber der Nockenwelle 1 umso größer, je größer die wirksamen Durchmesser der Zwischenräder 8 und 9 gegenüber den Durchmessern der Zahnräder 6 und 7 ist. Fig. 2 zeigt schematisch einen Zweinockenwellen- Ventiltrieb, an dem mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verstellmechanismus variable Steuer­ zeiten bei Tellerhubventilen verwirklicht werden können. Dargestellt sind die beiden mit den Zahnrädern 6 und 7 fest verbundenen Nockenwellen 1 und 2, die beide auf einen Ver­ stellhebel 3 wirken, der seinerseits ein oder mehrere in Schließtrichtung federunterstützte Ventile betätigt. Bei einer überdeckenden Ausführung der mit der Nockenwelle fest verbun­ denen Zahnräder 13 und 14 gemäß Fig. 3 sind die Vorteile einer platzsparenden, eng neben­ einander liegenden Anordnung der Nockenwellen verbunden mit einer Verringerung der an den Zahnflanken angreifende Kräften durch Vergrößerung der den Nockenwellen zugeord­ neten Zahnräder 13 und 14. In Fig. 4 ist eine Möglichkeit zur Verspannung des Verstellge­ triebes dargestellt. Zusätzlich zu dem Antrieb der zweiten Nockenwelle über das 4-rädrige Koppelgetriebe stehen die beiden Wellen 17 und 18 über zwei fest mit ihnen verbundenen Reibrädern 19 und 20 in Kontakt. Dabei sind die beiden Reibräder (19, 20) mit geringfügig unterschiedlichen Durchmessern ausgeführt, so daß sich ein bremmsendes oder vordrehendes Moment zwischen antreibender und angetriebener Welle ergibt, was letzlich zu einer Ver­ spannung des Verstellgetriebes führt und Anlagewechsel an den Zahnflanken verhindert. Fig. 5 zeigt schematisch den Verstellmechanismus entsprechend Anspruch 1 in Kombination mit einem zusätzlichen Phasenversteller. Die Koppel 10 ist Teil des Koppelgetriebes, das durch den Aktuator rotatorisch gegenüber dem Gestell 27 mittels eines Aktivators verstellt werden kann. Dabei wird die Axialnockenscheibe 21 durch die Stifte 28 rotatorisch mitge­ dreht. Die Axialnockenscheibe 21 tastet dabei die gestellfesten Axialscheibengegenstücke 29 ab, wodurch sich eine axiale Bewegung der Axialnockenscheibe 21 ergibt. Diese Bewe­ gung wird über den Kontaktpunkt 30 auf die innen und außen gegensinnig schrägverzahnte Vielkeilhülse 22 übertragen. Die Feder 31 sichert dabei den Kraftschluß in Punkt 30 und übernimmt die Rückstellung der Vielkeilhülse 22. Durch das Zusammenwirken der Schräg­ verzahnungen zwischen Vielkeilhülse 22 und Antriebselement 24 sowie der Nockenwelle 23 wird eine Relativherstellung zwischen dem Antriebselement 24, das mit dem Antriebsrad 26 fest verbunden ist, und der Nockenwelle 23 erreicht. Die Axialnockenfunktion der Axial­ nockenscheibe 21 bzw. des Gestells 27 kann dabei sowohl vordrehende als auch rückdre­ hende Relativverstellungen je nach Bedarf insbesondere in bezug auf den Einlaß-Öffnet- Zeitpunkt in Zusammenhang mit dem Einlaß-Schließt-Zeitpunkt realisieren.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen, insbesondere zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren über die Einlaßhubfunktionen eines oder mehrerer Einlaßventile pro Zylinder, bestehend aus zwei gegensinnig drehenden Nocken­ wellen (1, 2), welche über einen Schwinghebel (3) auf das oder die in Schließrichtung feder­ belasteten Ventile (4) wirken, wobei eine Welle die Öffnetfunktion und die zweite Welle die Schließtfunktion bestimmt, so daß durch eine relative Verdrehung der Nockenwellen (1, 2) gegeneinander der Hub und die Öffnungsdauer des oder der Ventile in weiten Bereichen verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verdrehung der beiden Nockenwellen gegeneinander mittels eines 4-rädrigen Koppelgetriebes (5) erfolgt, dessen Antriebsrad (6) mit der von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle (1) und dessen Ab­ triebsrad (7) mit der anzutreibenden und relativ zur Nockenwelle (1) zu verdrehenden Nok­ kenwelle (2) fest verbunden sind, wobei Antriebs- und Abtriebsrad über zwei Zwischenrä­ der (8, 9) miteinander derart in Eingriff stehen, daß durch eine an den Koppeln (10, 11, 12) angreifende, rotatorische Verstellung ein Abrollen der Zwischenräder (8, 9) auf den An- und Abtriebsrädern (6, 7) erfolgt und somit eine relative Verdrehung der beiden Nockenwellen gegeneinander erreicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der relativen Verdrehwin­ kel zwischen Nockenwelle 1 und Nockenwelle 2 von dem Verstellwinkel des Koppelgetrie­ bes und dem Übersetzungsverhältnis zwischen An- bzw. Abtriebsrädern (6, 7) und den Zwischenrädern (8, 9) bestimmt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle (1) die Öffnetfunktion des oder der Ventile bestimmt, so daß durch die relative Verdrehung der Nockenwelle (2) die Schließtfunktion verändert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle (1) die Schließtfunktion des oder der Ventile bestimmt, so daß durch die relative Verdrehung der Nockenwelle (2) die Öffnetfunktion verändert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit den Nok­ kenwellen fest verbundenen Zahnräder (13, 14) einander überdecken und über die Zwi­ schenräder (15, 16) einander antreiben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden mit den Nockenwellen fest verbundenen Zahnrädern zweiteilig ausgeführt ist und symmetrisch zum anderen Rad angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das dem zweiteilig ausge­ führten Zahnrad diagonal gegenüberliegende Zwischenrad und das fest mit einer der Nok­ kenwellen verbundene einteilige Zahnrad beim Verstellvorgang in das zweiteilig ausgeführte Zahnrad auf der anderen Nockenwelle eintauchen können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder des Koppel­ getriebes schrägverzahnt und und zur Vermeidung von Anlagewechseln axial geteilt und ge­ geneinander verspannt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Koppel­ getriebe beide Nockenwellen über eine Reibpaarung (19, 20) derart miteinander verbunden sind, daß aufgrund einer geringfügigen Durchmesserdifferenz zwischen Reibrad (19) der ei­ nen Welle (17) und dem Reibrad (20) der zweiten Welle (18) ein resultierendes Moment in eine Richtung erzeugt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Kop­ peln 10 oder 12 eine Axialnockenscheibe (21) rotatorisch betätigt, wodurch eine axiale Ver­ stellung einer innen und außen gegensinnig verzahnten Vielkeilhülse (22) stattfindet, so daß eine Relativverdrehung der Nockenwelle (23) gegenüber dem Antriebselement (24), beste­ hend aus dem die zweite Nockenwelle über das Zwischengetriebe antreibenden Zahnrad (25) und einem von der Kurbelwelle oder über eine Zwischenwelle angetriebenen Ketten-, Zahn- oder Zahnriemenrad (26) erfolgt.