DE4301453C2 - Variable Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für ein oder mehrere Hubventile in einer Brennkraft­ maschine entsprechend den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wiedergegebenen Merk­ malen, insbesondere zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren, wobei die Gemisch­ zumessung durch Steuerung von Hubhöhe und Öffnungsdauer der Einlaßventile realisiert wird.

In der Offenlegungsschrift DE-OS 35 19 319 wird eine solche Vorrichtung zur variablen Ventilsteuerung für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben. Hierbei trägt eine der Wellen eine konventionelle Nockenscheibe mit Öffnungs- und Schließflanke, und die andere Welle trägt eine Nockenscheibe zur vorzeitigen Absteuerung der Schließbewegung des Ventils. In der erwähnten Offenlegungsschrift befinden sich alle Ventiltriebsbauteile auf ei­ ner Seite der Längsachse des Hubventils sowie weit seitlich von dieser Achse, so daß der Ventiltrieb sehr breit baut.

Die der hier beschriebenen Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ei­ nen Ventiltrieb entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur variablen Einstel­ lung von Hub und Öffnungsdauer von Ventilen unter Verwendung von zwei Nockenwellen zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und günstigen kinematischen Verhältnissen eine besonders schmale, platzsparende sowie leichte und steife Bauweise ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend den kennzeich­ nenden Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 9 gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines hydraulischen Spielausgleichs­ elementes,

Fig. 3 eine schematische Gestaltung des Anlenkhebels in Form eines Gabelhebels und

Fig. 4 und Fig. 5 eine Möglichkeit zur Anordnung der Nockenwellen mit kleinem Abstand zueinander.

Die grundsätzliche Gestaltung der Vorrichtung ergibt sich aus Fig. 1. Die Vorrichtung be­ steht aus zwei mit gleicher Drehzahl umlaufenden Nockenwellen (1, 2), deren Kurvenschei­ ben jeweils auf geeignet geformte Abgriffskörper (7, 8) wirken, wobei eine der beiden Wel­ len die Öffnetfunktion und die jeweils andere Welle die Schließtfunktion bestimmt. Der Schwinghebel (3) ist durch einen Anlenkhebel (5) am Gestell angelenkt und überträgt die Hubbewegungen der Nockenwellen auf ein in Schließrichtung federbelastetes Hubventil (4) konventioneller Bauweise. Durch eine relative Verdrehung der Nockenwellen gegeneinan­ der und/oder gegenüber der Kurbelwelle kann während des Betriebes die resultierende Be­ wegung des Hubventils (4) sowohl bezüglich der Hubhöhe als auch bezüglich der Öffnungs­ dauer in weiten Grenzen verändert werden.

Kennzeichnendes Merkmal der hier beschriebenen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 ist, daß eine der beiden Nockenwellen über den Abgriffskörper (7) auf den als Schlepphebel ausgebildeten Anlenkhebel (5) wirkt und die jeweils andere Nockenwelle über den Abgriffs­ körper (8) auf den als Kipphebel mit beweglichem Drehpunkt ausgebildeten Schwinghebel (3) wirkt. Diese erfindungsgemäße Ausführung der Vorrichtung hat den Vorteil, daß die be­ weglichen Bauteile des Ventiltriebs in ihrer Bauform und in ihrer kinematischen Wirkungs­ weise im wesentlichen jeweils wie entsprechende konventionelle Ventiltriebsbauteile gestal­ tet werden können und auch keinen größeren Bauraumbedarf haben. Die Abgriffskörper (7, 8) können dabei beispielsweise als Gleitschuhe oder auch als Nockenrollen ausgebildet sein.

Entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 2 befindet sich die Dreh­ achse einer der beiden Nockenwellen zumindest angenähert in der Verlängerung der Längs­ achse des Hubventils (4). Dies führt zu der angestrebten schmalen Bauweise der Anordnung in Ventillängsrichtung; außerdem entspricht dies der Nockenwellenposition von ausgeführ­ ten direkt betätigten Ventiltrieben konventioneller Bauweise, so daß eine Umrüstung exi­ stierender Zylinderköpfe auf den erfindungsgemäßen Ventiltrieb einfach zu bewerkstelligen ist.

Eine besonders bauraumsparende und damit günstige Anordnung der bewegten Bauteile er­ gibt sich, wenn entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 3 der gestellfeste Drehpunkt (P1) des Anlenkhebels (5) und der Anlenkpunkt (P2) zwischen An­ lenkhebel (5) und Schwinghebel (3) auf unterschiedlichen Seiten der Ventillängsachse an­ geordnet sind.

Durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 4 wird eine definierte Anlage des Schwinghebels (3) am Schaftende des Hubventils (4) und an der Nockenwelle (2) durch Aufbringen einer Kraft auf den Anlenkhebel (5) unter Verwendung einer geeigneten Feder (6) erreicht. Die Feder (6) kann vorteilhaft als Druckfeder ausgebildet sein und in der ge­ zeigten Position angeordnet sein. Eine Ausbildung als Zugfeder oder Drehfeder ist ebenfalls möglich. Hierdurch werden einerseits undefinierte Bewegungen des Schwinghebels (3) ver­ mieden, andererseits die Zahl der Bewegungsphasen des Schwinghebels (3) auf das erfor­ derliche Minimum verringert.

Der erfindungsgemäße Ventiltrieb erlaubt auch die Verwendung hydraulischer Spielaus­ gleichselemente (9) entsprechend Fig. 2, wie sie in Ventiltrieben konventioneller Bauform Stand der Technik sind. Es ist dann jedoch erforderlich, den Schwingweg des Anlenkhebels (5) durch einen Anschlag entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 5 zu begrenzen. Anhand des dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Funktionsweise die­ ser erfindungsgemäßen selbsttätigen Einstellvorrichtung im Folgenden näher erläutert wer­ den.

Wenn sich die Nockenwelle (1), wie dargestellt, in einer dem Maximalhub entsprechenden Position befindet, wird das in einer Bohrung geführte und hier beispielhaft als Hülse ausge­ bildete Anschlagteil (10) durch die Feder (11) so gegen eine geeignete Gegenfläche, welche sich beispielsweise am Schwinghebel (3) oder am Anlenkhebel (5) befinden kann, gedrückt, daß der Abgriffskörper (7) spielfrei mit dem Hubkreis der Nockenwelle (1) zur Anlage kommt. Hierbei ist durch geeignete Wahl der Federn (11) und (6) sicherzustellen, daß die Kraft der Feder (11) auf das Anschlagteil (10) größer ist als die von der Feder (6) auf das Anschlagteil (10) ausgeübte Kraft. Dreht sich die Nockenwelle (1) nun weiter, so kommt es nach Durchlaufen des Hubkreises zu einer Klaffung zwischen Abgriffskörper (7) und Noc­ kenwelle (1) bzw. zwischen Schwinghebel (3) und Anschlagteil (10). Hierdurch kann die Feder (11) das Anschlagteil (10) weiter aus der Bohrung herausdrücken. Dieser Bewegung wirkt das hydraulische Spielausgleichselement (12) konventioneller Bauweise entgegen, welches sich einerseits auf dem Anschlagteil (10) und andererseits über eine Brücke (13) am Gestell abstützt. Hierdurch kann die Bewegung des Anschlagteils (10) aus der Bohrung her­ aus nur sehr langsam entsprechend der Einsinkrate des Spielausgleichselementes (12) erfol­ gen. Die Einsinkrate des Spielausgleichselementes (12) wird unter Berücksichtigung der Kraft der Feder (11) vorteilhafterweise so gewählt, daß der Nachstellweg des Anschlagteils (10) während der Dauer der Klaffung sehr gering ist. Im weiteren Verlauf der Drehung der Nockenwelle (1) wird der Schwinghebel (3) von der Nockenwelle (1) wieder in Richtung auf das Anschlagteil (10) bewegt, bis der Abgriffskörper (7) die Nockenwelle (1) wieder im Bereich des Hubkreises berührt. Hierdurch wird das Anschlagteil (10) wieder in die Boh­ rung zurückgedrückt und es entsteht eine Klaffung zwischen Anschlagteil (10) und Spie­ lausgleichselement (12) am Punkt (P3), welche dem Einsinkweg entspricht. Diese Klaffung wird vom Spielausgleichselement (12) jedoch sofort ausgeglichen, so daß wiederum Spiel­ freiheit hergestellt ist. Die Versorgung des Spielausgleichselements (12) mit Drucköl kann dabei konventionell, beispielsweise über geeignete Ölbohrungen im Gehäuse und Umlaufnu­ ten im Anschlagteil (10), erfolgen.

Eine Gestaltung des Anlenkhebels (5) in Form eines Gabelhebels entsprechend dem kenn­ zeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 6, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, bringt weitere erhebliche Einsparungen des erforderlichen Bauraums. Die drehbare Anlenkung des Anlenkhebels (5) am Gestell im Punkt (P1) kann beispielsweise, wie dargestellt, mit Hilfe einer Achse, oder auch mit Hilfe von Kugelgelenken erfolgen. Die drehbare Verbindung zwischen Anlenkhebel (5) und Schwinghebel (3) im Punkt (P2) wird beispielsweise ebenfalls mit einer Achse oder mit Kugelgelenken hergestellt.

Durch den Abstand (A) der beiden Nockenwellen (1, 2) wird der Bauraumbedarf eines Ven­ tiltriebs der gattungsgemäßen Art wesentlich mitbestimmt. Ein besonders kleiner Abstand (A) wird möglich, wenn entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 7 die Nockenscheiben auf den Nockenwellen (1) und (2) jeweils axial versetzt zueinander angeordnet werden, wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt. Durch diese Anordnung der Nockenscheiben wird außerdem zum einen die Empfindlichkeit des Ventiltriebs gegenüber Kippmomenten verringert, zum anderen eröffnet sich hierdurch die Möglichkeit, die Ab­ messungen der Nockenscheiben entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentan­ spruchs 8 auszuführen (Fig. 5). Dies wiederum ergibt größere Freiheiten bei der Gestaltung der Nockenflanken im Hinblick auf die kinematischen und dynamischen Randbedingungen und die auf der Nockenbahn auftretenden Flächenpressungen.

Bei Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehr Einlaß- oder Auslaßventilen pro Zylinderein­ heit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 9 ausgeführt werden. Hierdurch können unterschiedliche Hubfunktionen der Ventile eines Zylinders realisiert werden, was beispielsweise vorteilhaft ist im Hinblick auf eine Optimierung der Ladungsbewegung während des Einströmvorgan­ ges im Teillastbereich oder im Hinblick auf die bessere Ausnutzung von Gasschwingungen in den angeschlossenen Rohrleitungen.

Claims (9)

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 Nockenwellen (1, 2), deren Kur­ venscheiben jeweils über Abgriffskörper (7, 8) und Übertragungsglieder (3, 5) auf ein oder mehrere in Schließrichtung federbelastete Hubventile wirken, wobei eine der beiden Nocken­ wellen die Öffnetfunktion und die jeweils andere Nockenwelle die Schließtfunktion des Hubventils bestimmt, so daß durch eine relative Verdrehung der Nockenwellen (1, 2) ge­ geneinander und/oder gegenüber der Kurbelwelle der Hub und die Steuerzeiten des oder der Ventile in weiten Bereichen verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Nockenwellen auf einen oder mehrere als Schlepphebel ausgebildeten Anlenkhe­ bel (5) und die jeweils andere Nockenwelle auf einen oder mehrere als Kipphebel ausgebil­ deten Schwinghebel (3) wirken, dessen/deren Drehpunkt(e) am Anlenkhebel angelenkt sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Drehachse einer der beiden Nockenwellen zumin­ dest angenähert in der Verlängerung der Längsachse des Hubventils (4) befindet.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gestellfeste Drehpunkt (P1) des Anlenkhebels (5) und der Anlenkpunkt (P2) zwischen Anlenkhebel (5) und Schwinghebel (3) auf unterschiedli­ chen Seiten der Ventillängsachse angeordnet sind.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Anlenkhebel (5) durch eine geeignete Feder (6) eine Kraft so ausgeübt wird, daß der Schwinghebel immer in Kontakt mit dem Ende des Ventil­ schafts und der Nockenwelle (2) bleibt.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Anlenkhebels selbsttätig durch ein feder­ belastetes Anschlagteil (10) und ein auf dieses wirkendes hydraulisches Spielausgleichsele­ ment (12) begrenzt wird und dabei auf Spielfreiheit zwischen dem Hubkreis der Nockenwelle (1) und dem Abgriffskörper (7) eingestellt wird.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlenkhebel (5) als zwei- oder mehrfacher Gabelhebel ausgebildet ist und den oder die Schwinghebel (3) umgreift.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenscheiben der beiden Nockenwellen in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsabstand der beiden Nockenwellen kleiner ist als die Summe der Hubkreisradien der Nockenwellen (1, 2).

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Ventile pro Zylindereinheit durch jeweils zugeordnete Nockenscheiben auf den Nockenwellen, Schwinghebel und Anlenkhebel ein­ zeln oder in Gruppen betätigt werden und die Nockenscheiben auch jeweils unterschiedliche Konturen und/oder Phasenlagen aufweisen können.