DE4311877A1 - Nockenwellenantrieb - Google Patents
NockenwellenantriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Nockentrieb über
eine Nockenwelle für das Auslaß- und das
Einlaßventil und für die Betätigung der
Einspritzpumpe bei einem Dieselmotor.
Insbesondere bei Kleindieselmotoren ist die
Verkürzung der Nockenwelle ein vom Konstruk
teur angestrebtes Ziel. Zu diesem Zweck wurde
bereits vorgeschlagen, bei einem Einzylinder-
Dieselmotor eine Nockenwelle mit nur zwei
Nocken zu verwenden, nämlich einen zur Betäti
gung der Schlepphebel für das Einlaß- und das
Auslaßventil und einen weiteren für die Betä
tigung der Einspritzpumpe. Dabei konnten durch
entsprechend unterschiedliche Gestaltung der
Nockenwellenantriebe einerseits für die beiden
Ventile und andererseits für die Einspritz
pumpe die unterschiedlichen Anforderungen für
die Bewegungsabläufe realisiert werden. Bei
der Ventilsteuerung geht es darum, daß das
Einlaßventil bei Erreichen des oberen Tot
punkts und das Auslaßventil bei Erreichen des
unteren Totpunkts hinreichend lange offen
sind, so daß eine gute Füllung bzw. Entleerung
des Zylinders erreicht werden kann. Dement
sprechend wird vom Konstrukteur ein eher
gestreckter, idealerweise rechteckiger Kurven
verlauf zwischen oberem und unterem Totpunkt
angestrebt. Durch einen an ein derartiges
Rechteckprofil angenäherten Kurvenverlauf
können die auf seiten des Ventiltriebs auftre
tenden Massenbeschleunigungen und Hertz′schen
Kräfte begrenzt werden.
Andererseits gehen die Anforderungen für den
Antrieb der Einspritzpumpe dahin, daß die
eigentliche Einspritzzeit möglichst kurz zu
gestalten ist. Der ideale Kurvenverlauf für
die Stempelgeschwindigkeit, bezogen auf den
Nockenwinkel, ist hier eine bis zum oberen
Totpunkt besonders steil ansteigende Kurve,
für die Geschwindigkeit des Stempels der Ein
spritzpumpe; dabei reihen sich innerhalb die
ses ansteigenden Astes der Geschwindigkeits
kurve zeitlich aneinander die drei Phasen der
Pumpensteuerung, nämlich der Vorhub, während
dem der Ansaugkanal geschlossen wird, ein Zwi
schenhub, während dem das Entlastungsvolumen
in der Einspritzpumpe gefüllt wird und
schließlich der kurz vor Erreichen des oberen
Totpunkts des Pumpenstempels beendete Ein
spritzhub. Demgegenüber ist der abfallende Ast
des Geschwindigkeitsprofils eher als
unkritisch zu bezeichnen.
Ausgehend von diesen unterschiedlichen Anfor
derungen an die Steuerung der beiden Ventile
einerseits und der Einspritzpumpe andererseits
sah sich der Konstrukteur bisher gezwungen,
zur Realisierung der beiden Funktionen
getrennte Nockenwellenantriebe vorzusehen.
Demgegenüber besteht das Ziel der vorliegenden
Erfindung darin, den Nockenwellenantrieb für
die beiden Funktionen zu vereinfachen, d. h.
den konstruktiven Aufwand insgesamt zu redu
zieren, wobei die zusätzliche Forderung einer
möglichst kompakten Bauweise besteht, um in
besonderer Weise den Anforderungen an sehr
kleine Dieselaggregate gerecht zu werden.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen
Vorschlag dadurch gelöst, daß die Betätigung
der drei Funktionen je Zylinder - Auslaß- und
Einlaßventil sowie Einspritzpumpe - über den
selben Nocken und jeweils mittelbar über einen
Kipphebel erfolgt. Damit verkürzt sich die
Länge der Nockenwelle, auf welcher nur ein
einziger Nocken unterzubringen ist, wobei wei
ter vorgesehen ist, daß die Kipphebel für die
beiden Ventile sowie für die Einspritzpumpe
etwa in der selben Ebene, in welcher der
Nocken umläuft, angeordnet sind. Dadurch
ergibt sich ein extrem kleines Bauvolumen für
den gesamten Nockenwellenantrieb einschließ
lich Anordnung der Einspritzpumpe.
Über den Kipphebel für die Einspritzpumpe
können sogar noch weitere Motorfunktionen
betätigt werden, z. B. eine Schmierölpumpe
und/oder eine Kraftstofförderpumpe.
Im Rahmen der Erfindung ist die Ausbildung des
Kipphebels für die Betätigung der Einspritz
pumpe von besonderer Bedeutung. Während die
Kipphebel für die Betätigung des Auslaß- und
des Einlaßventils in üblicher Weise als
Schlepphebel ausgebildet sein können, geht es
bei der Ausbildung des Kipphebels für die Ein
spritzpumpe darum, durch dessen Gestaltung und
Anordnung das oben erläuterte steile Geschwin
digkeitsprofil für die Stempelgeschwindigkeit
zu verwirklichen. Zu diesem Zweck wird erfin
dungsgemäß von der Überlegung ausgegangen, daß
für den Verlauf der Stempelgeschwindigkeit der
Einspritzpumpe neben der Hebelübersetzung
bezüglich der Kipphebelschwenkachse die räum
liche Anordnung der Kipphebelschwenkachse maß
geblich ist, derart, daß die Stempelgeschwin
digkeit, bezogen auf den Nockenwinkel, einen
steileren Verlauf nimmt, je geringer der
Abstand der Kipphebelschwenkachse von der
Verbindungslinie zwischen den beiden Abwälz
punkten des Kipphebels gewählt wird; dieser
Abstand kann sogar einen negativen Wert an
nehmen, d. h. die Kipphebelschwenkachse wandert
über die genannte Verbindungslinie auf deren
Seite, auf welcher sich auch die Nockenwelle
befindet. In der Praxis hat es sich als zweck
mäßig erwiesen, den Abstand des Mittelpunkts
der Kipphebelschwenkachse von der Verbindungs
linie zwischen dem Abwälzpunkt mit den Nocken
und dem Abwälzpunkt mit dem Stempel weniger
als 40% der Länge dieser Verbindungslinie zu
wählen. Damit ergibt sich für den Kipphebel in
einer bevorzugten Ausführungsform eine etwa
linear gestreckte Form, d. h. die Schwenkachse
des Kipphebels befindet sich etwa zwischen 0
und 10% seitlicher Versetzung, bezogen auf die
Länge der Verbindungslinie zwischen dem
nockenseitigen und dem stempelseitigen Abwälz
punkt des Kipphebels. Auf diese Weise wird
eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem
umlaufenden Nocken und dem zugeordneten
Abwälzpunkt sicher gestellt. Geometrisch
bedeutet dies, daß die Kreisbahn des Abwälz
punkts mit der durch die Nockenrotation vorge
gebenen Wirkrichtung einen verhältnismäßig
großen Winkel einschließt, bzw. anders ausge
drückt, daß der Abwälzpunkt dem Nocken gewis
sermaßen entgegenläuft, mit dem Ergebnis, daß
die Relativgeschwindigkeit im Abwälzpunkt
zunimmt und damit entsprechend die Geschwin
digkeit des Pumpenstempels.
Demgegenüber wäre es unzureichend, gegenüber
üblichen Kipphebeln bloß die Hebelübersetzung
des Kipphebels für die Pumpenbetätigung zu
vergrößern. Zwar lassen sich auch auf diese
Weise höhere Antriebsgeschwindigkeiten
erzielen; gleichzeitig bedeutete aber die
Verlängerung des pumpenseitigen Kipphebelarms
eine entsprechende Vergrößerung des Pumpen
hubs, da die Einspritzpumpe nicht beliebig
nahe an die Nockenwelle positioniert werden
kann. Auf dem Markt sind aber nur Einspritz
pumpen mit verhältnismäßig kleinem etwa bis zu
10 mm begrenzten Pumpenhub erhältlich. Erst
durch den "gestreckten Kipphebel" im Sinne des
Erfindungsvorschlags wurde der Weg für die
Anwendung einer einzigen Nocke zur Betätigung
sowohl der Ventile als auch der Einspritzpumpe
eröffnet.
Die Rückstellfeder für den Kipphebel, welcher
die Einspritzpumpe betätigt, kann entweder
durch die Stempelfeder in der Einspritzpumpe
oder durch eine gesonderte an einer Verlänge
rung des nockenseitigen Endes des Kipphebels
ansetzende Druckfeder oder auch durch eine
entsprechend positionierte Zugfeder gebildet
sein, so daß der ständige Kontakt mit der
Nocke sichergestellt ist. Die beiden Ventile
sind in der üblichen Weise durch Ventilfedern
abgestützt. Für den Fall, daß die Stempelfeder
in der Einspritzpumpe weggelassen ist, weil
sie nämlich durch eine am Kipphebel angrei
fende externe Druck- oder Zugfeder ersetzt
ist, ist es erforderlich, den Abwälzpunkt des
Kipphebels am Fußende des Stempels durch einen
Mitnehmer in ständiger Anlage mit dem Stempel
fuß zu führen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Dreifunk
tions-Nockenwelle,
Fig. 2 einen gestreckten Kipphebel für den
Antrieb der Einspritzpumpe,
Fig. 3 einen nach außen gewinkelten Kipphebel
für den Antrieb der Einspritzpumpe,
Fig. 4 einen nach innen gewinkelten Kipphebel
für den Antrieb der Einspritzpumpe und
Fig. 5 Kurvendiagramme für die Kipphebel
formen gemäß Fig. 2 bis 4.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine
Nockenwelle 1 mit einem einzigen Nocken 2
einerseits für die Betätigung der Schlepphebel
3, mit denen die Ventilstößel 4 für das Ein
laß- und das Auslaßventil gesteuert werden,
andererseits für die Betätigung eines Kipp
hebels 5, mit welchem die Einspritzpumpe 6
gesteuert wird. Diese sitzt mit ihrem Pumpen
zylinder 7 direkt in einer entsprechenden
Bohrung des Zylinderkopfs 8 in welchen auch
die entsprechenden Kanäle für den Kraft
stofffluß eingearbeitet sind, nämlich ein
Kanal 9 für die Kraftstoffzuführung und ein
Kanal 10 für die Kraftstoffrückleitung. Für
den Anschluß der Druckleitung ist am oberen
Ende des Pumpenkopfs 11 ein Anschlußgewinde 12
vorgesehen. Der Pumpenstempel 13 ist mit
seinem kipphebelseitigen Ende 14 über einen
Mitnehmer 15 mit einer auf der Welle 16 gela
gerten Abtastrolle 17 verbunden. Eine weitere
Abtastrolle 18, die um einen im Kipphebel
gelagerten Bolzen 19 drehbar ist, wirkt mit
dem Nocken 2 zusammen. Der Kipphebel 5 für die
Betätigung der Einspritzpumpe 13 ist um eine
Kipphebelschwenkachse 20 verschwenkbar. Der
Kontakt zwischen der Abtastrolle 18 und den
Nocken 2 der Nockenwelle 1 wird sichergestellt
durch eine an einem verlängerten Ende 21 des
Kipphebels 5 ansetzende Druckfeder 22, die
zwischen dem Ende 21 des Kipphebels 5 und
einem gehäusefesten Sitz 23 eingespannt ist.
Entsprechend der Drehung der Nockenwelle in
Richtung des Pfeils 24 werden durch denselben
Nocken 2 drei Funktionen hintereinander
bedient, nämlich der Kipphebel 5 für die Betä
tigung der Einspritzpumpe und die beiden
Schlepphebel 3 für die Betätigung der Ventil
stößel 4 für das Einlaßventil und das Auslaß
ventil. Über eine nicht näher dargestellte
Steuerkurve am inneren Ende des Pumpenstempels
13 werden bei dessen Betätigung die üblichen
mit der Kraftstoffeinspritzung zusammen
hängenden Funktionen gesteuert.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen im Vergleich unter
schiedlich ausgebildete Kipphebel 5 für die
Pumpenbetätigung. Im Gegensatz zu dem mehr
oder weniger gestreckten Kipphebel gemäß Fig. 2
ist der Kipphebel gemäß Fig. 3 nach außen
abgewinkelt, d. h. die Kipphebelschwenkachse 20
befindet sich, bezogen auf die Zeichnung,
unterhalb der Verbindungslinie der beiden
Abwälzpunkte 25, 26 am Kipphebel 5; der Kipp
hebel gemäß Fig. 4 hingegen ist eher nach
innen abgewinkelt, d. h. die Kipphebel
schwenkachse 20 befindet sich, bezogen auf die
Zeichnung, oberhalb der genannten Verbindungs
linie. Bezieht man diese am optischen Erschei
nungsbild orientierten Verhältnisse auf den
geometrischen Mittelpunkt der obigen drei
Ausführungsformen des Kipphebels, so liegen
die Mittelpunkte etwa auf der Verbindungslinie
(Fig. 4) oder unterhalb derselben, wobei die
Abstände von der Verbindungslinie zwischen den
beiden Abwälzpunkten 25, 26, bezogen auf deren
Längen ca. 10% (Fig. 2) bzw. ca. 30% (Fig. 3)
betragen. Somit ist bei Fig. 4 die Kipphebel
schwenkachse 20 am weitesten nach innen (bzw.
oben) versetzt, mit dem Ergebnis, daß die
durch die Rotation des Nockens 2 verursachte
Relativgeschwindigkeit im zugeordneten Abwälz
punkt 26 deutlich über derjenigen bei Fig. 2
oder 3 liegt. Zwischen der abgewinkelten Kipp
hebelform und seiner gestreckten Form sind
zahlreiche Zwischenstellungen vorstellbar; die
geeignete Form des Kipphebels 5 wird der Fach
mann in Anpassung an den gewünschten Verlauf
der Stempelgeschwindigkeit, z. B. zwischen den
beiden in Fig. 5 dargestellten extremen
Kurven, wählen. In Fig. 5 zeigt die Kurve mit
der durchgezogenen Linie das Profil der
Stempelgeschwindigkeit mit einem etwa
gestreckten Kipphebel gemäß Fig. 2; die Kurve
mit der strickpunktierter Linie zeigt das
Profil der Stempelgeschwindigkeit mit einem
nach außen abgewinkelten Kipphebel gemäß Fig. 3.
Die Kurve mit der gestrichelten Linie zeigt
das Profil der Stempelgeschwindigkeit mit
einem leicht nach innen abgewinkelten Kipp
hebel gemäß Fig. 4. Zwischen den beiden
extremen Kurven sind zahlreiche Varianten mit
unterschiedlicher Steilheit des für die
Einspritzzeit kritischen ansteigenden Astes
des Verlaufs der Stempelgeschwindigkeit über
dem Nockenwinkel vorstellbar. Die Kurven
verdeutlichen den Einfluß der Kipphebelform
bzw. der gewählten Position der
Kipphebelschwenkachse auf den
Geschwindigkeitsverlauf. In den Fig. 2 bis 4
ist der Kipphebel 5 mit durchgezogener Linie
jeweils in der Anlageposition an der Nocke 2
gezeigt; die mit strichpunktierter Linie dar
gestellte Kipphebelposition zeigt jeweils
dessen maximale Auslenkung durch den Nocken 2,
wobei sich der Pumpenstempel 13 stets in der
maximal eingefahrenen Position befindet.
Für den Fachmann ist ohne weiteres verständ
lich, daß sich die Darstellung gemäß Fig. 5
lediglich auf unterschiedliche Positionen der
Kipphebelschwenkachse 20 bei im übrigen raum
fester Position der Einspritzpumpe 13 einer
seits und der Nockenwelle 1 andererseits
beziehen. Dabei sind die auf den Mittelpunkt
der Kipphebelschwenkachse 20 bezogenen Hebel
längen zwischen dieser und den beiden Abwälz
punkten 25, 26 gleichlang gewählt; durch eine
andere Hebelübersetzung lassen sich, wie ohne
weiteres vorstellbar, zu den gezeichneten
Kurventypen etwa parallele Kurvenverläufe
erzielen.
Claims (6)
1. Nockentrieb über eine Nockenwelle für das
Auslaß- und das Einlaßventil und für die
Betätigung der Einspritzpumpe (6) bei
einem Dieselmotor,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Betätigung der drei Funktionen je
Zylinder über denselben Nocken (2) und je
weils mittelbar über einen Kipphebel (3, 5)
erfolgt.
2. Nockentrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß über den Kipphebel (5) für die Ein
spritzpumpe noch wenigstens eine weitere
Motorfunktion betätigt wird.
3. Nockentrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kipphebel (3) für die beiden
Ventile sowie für die Einspritzpumpe (6)
etwa in derselben Ebene, in welcher der
Nocken (2) umläuft, angeordnet sind.
4. Nockentrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß für den Verlauf der
Stempelgeschwindigkeit der Einspritzpumpe (6)
neben der Hebelübersetzung bezüglich
der Kipphebelschwenkachse (20) noch deren
Abstand von der Verbindungslinie zwischen
dem Abwälzpunkt (26) des Kipphebels (5)
mit dem Nocken (2) und dem Abwälzpunkt (25)
des Kipphebels (5) mit dem Stempel (13)
maßgeblich ist, derart, daß die
Stempelgeschwindigkeit in
Einspritzrichtung mit zunehmendem Abstand
abnimmt.
5. Nockentrieb nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand weniger als 40% der Länge
der Verbindungslinie, vorzugsweise
zwischen 5% und 15% beträgt.
6. Nockentrieb nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kipphebel (5) etwa linear
gestreckt ausgebildet ist.
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