DE4322480C2 - Vorrichtung zur variablen Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb zur variablen Ventilsteuerung von Brennkraft­ maschinen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Vorteile der drosselfreien Laststeuerung einer Brennkraftmaschine durch Variati­ on von Hub und/oder Öffnungsdauer der Einlaßventile sind seit langem bekannt. Daher sind bereits eine Vielzahl verschiedener Lösungsvorschläge für derartige Ventilsteue­ rungen veröffentlicht worden. Auch die Vorteile der Stillegung von einzelnen Zylindern durch Abschaltung der Ventile in mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen bei Teillast sind bekannt. Es ist allerdings bis heute keine Vorrichtung bekannt geworden, welche eine drosselfreie Laststeuerung durch eine vollvariable mechanische Ventilbetätigung mit der Möglichkeit einer vollständigen Abschaltung der Ventilbewegung an einzelnen Zy­ lindern kombiniert.

Die US-PS 5 178 105 beschreibt eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die Steuerzeiten der Ventile, insbesondere der Einlaßventile von Brennkraftmaschinen, an die Erforder­ nisse bei Vollast bei hohen und niedrigen Drehzahlen angepaßt werden können. Diese Vorrichtung umfaßt zwei Nockenwellen, deren Nocken zueinander spiegelbildlich aus­ geführt sind und von einem Punkt minimaler Erhebung jeweils über einen steil verlau­ fenden Bereich und einen flach verlaufenden Bereich zu einem Punkt maximaler Erhe­ bung übergehen. Die beiden Nocken wirken auf ein gemeinsames Abgriffsglied, das unmittelbar auf einem Stößel des zu betätigenden Ventils beweglich geführt ist. Die Öff­ nungs- und Schließphase des Ventils wird jeweils durch die Addition der von beiden Nocken auf das Abgriffsglied wirkenden Hubfunktionen bestimmt, wodurch je nach Phasenlage der Nockenwellen die Ventilbewegung - allerdings nur in einem derart be­ grenztem Umfang, daß er für eine drosselfreie Laststeuerung bei Ottomotoren nicht ausreicht - veränderbar ist. Dabei ist die Schließlage des Abgriffsglieds 25 gemäß Fig. 14 der US-PS abhängig von der Phasenlage der Nockenwellen. Dies erfordert eine ver­ hältnismäßig aufwendige Ventilnachstellvorrichtung, die bei raschen Phasenänderun­ gen zu Problemen im Ventiltrieb führen kann, und begrenzt den möglichen Verstellbe­ reich der Ventilsteuerzeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit mechanischen Über­ tragungsgliedern unter Verwendung von zwei Nockenwellen zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen zu schaffen, die insbesondere eine drossel­ klappenfreie Laststeuerung von Ottomotoren über die Hubfunktion eines oder mehrerer Einlaßventile je Zylinder ermöglicht, d. h. die es ermöglicht, daß bei Entfall der Drossel­ klappe die Füllung der Zylinder lediglich über die Hubfunktion des oder der Einlaßventi­ le von einem Wert von annähernd Null (Leerlauf) auf einen Maximalwert veränderbar ist. Bei dieser Vorrichtung soll die aus der US-PS 5 178 105 bekannte nachteilige Änderung der Schließlage des Abgriffsglieds 25 gemäß Fig. 14 in Abhängigkeit von der Phasenlage der beiden Nockenwellen vermieden werden. Weiterhin soll bei einfa­ chem Aufbau eine leichte platzsparende und steife Bauweise ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bis 10 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung zur variablen Steuerung wenigstens eines Ventils,

Fig. 2 eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Abgriffsglieds zur Verwen­ dung in der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 schematische Ansichten der Anordnung der Nockenwellen für ein Ab­ griffsglied gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Weiterbildung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einer Einrichtung zum Stillsetzen von Ventilen,

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein zweiteilig ausgeführtes Übertragungsglied zur Ver­ wendung in der Vorrichtung gemäß Fig. 4.

Die grundsätzliche Gestaltung der Vorrichtung ergibt sich aus Fig. 1 und Fig. 2. Die Vorrichtung besteht aus zwei mit gleicher Drehzahl umlaufenden Nockenwellen 1 und 2, deren Nocken gemeinsam auf ein Abgriffsglied 3 wirken. Die Überlagerung der Hub­ funktion der beiden Nocken führt zu einer entsprechenden Bewegung des Abgriffs­ glieds 3, welche durch ein oder mehrere Übertragungsglieder 4 auf das Ventil übertra­ gen wird. Durch eine relative Veränderung der Phasenlage der beiden Nockenwellen zueinander mit Hilfe eines geeigneten, hier nicht dargestellten Nockenwellenverstellers kann diese Hubbewegung sowohl nach der Höhe des Maximalhubes als auch nach der Dauer der Ventilöffnung in weiten Grenzen variiert werden.

Die definierte Anlage des Abgriffsglieds 3 an einer der beiden Nocken ist entspre­ chend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 durch den Einsatz einer Feder 8 in allen Betriebszuständen gewährleistet, insbesondere auch bei geschlosse­ nem Ventil 6. Diese Feder 8 stützt sich, wie Fig. 1 zeigt, einerseits auf dem Abgriffs­ glied 3 und andererseits auf dem Übertragungsglied 4 ab und ist vorteilhafterweise als Druckfeder ausgebildet.

Das Abgriffsglied 3 kann als Nockenrolle oder auch als Gleitschuh, welcher mit ge­ eigneten Abgriffsflächen versehen ist, ausgebildet sein. Das Abgriffsglied 3 ist auf ei­ nem ersten Übertragungsglied 4 beweglich gelagert, wobei die Lagerung beispielswei­ se entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 2 als ebene oder gebogene Gleitbahn 4a oder als drehbar im Übertragungsglied gelagerte Schwin­ ge ausgeführt sein kann. Besonders vorteilhaft ist die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Aus­ führung, bei der der Lagerbolzen 5 des als Nockenrolle ausgebildeten Abgriffsglieds 3 an seinen Enden angefast ist und so eine geeignete Gegenfläche zu der am Übertra­ gungsglied 4 angebrachten Gleitbahn 4a bildet. Gleichzeitig ermöglicht diese Ausfüh­ rung auch die zur Vermeidung einer seitlichen Auswanderung des Abgriffsglieds 3 er­ forderliche seitliche Führung.

Die Ausbildung des Übertragungsglieds 4 kann grundsätzlich sowohl als Kipp- oder Schlepphebel als auch als konventioneller Tassenstößel vorgenommen werden. Be­ sonders vorteilhaft ist jedoch die in Fig. 1 dargestellte Schlepphebelausführung, da die­ se besonders platzsparend ist und durch eine Übersetzung der Bewegung des Abgriffs­ glieds 3 zum Ventil 6 die anordnungsbedingte Untersetzung der Nockenerhebung auf das Abgriffsglied 3 kompensiert werden kann. Dadurch kann eine weitgehend konven­ tionelle Auslegung der Nockenkonturen erfolgen.

Bei einer Ausbildung der Vorrichtung nach dem kennzeichnenden Merkmal des Pa­ tentanspruchs 3 entsprechend der Darstellung in Fig. 2 können die Vorteile der Rei­ bungsreduzierung durch Verwendung von Nockenrollen voll genutzt werden, da für je­ den Nocken jeweils eigene Nockenrollen 3a,b,c vorhanden sind. Hierbei ist es zum Ab­ stützen der auftretenden Momente besonders vorteilhaft, die beiden äußeren Nocken­ rollen 3a, 3c auf jeweils identischen Nocken der einen Nockenwelle und die mittlere Nockenrolle 3b auf einem Nocken der anderen Nockenwelle arbeiten zu lassen.

Die nach dem Patentanspruch 4 ausgebildete Bauform entsprechend Fig. 3 ermög­ licht eine deutliche Verminderung des Platzbedarfs des Ventiltriebs.

Durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 5 kann in dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb ein konventionelles hydraulisches Spielausgleichsele­ ment 9 eingesetzt werden, da die Lage des oder der Übertragungsglieder bei ge­ schlossenen Ventilen durch einen Anschlag 13 an einer Zylinderfläche 1a definiert ist, welche sich konzentrisch auf der ventilnahen Nockenwelle 1 befindet. Dadurch werden die thermisch bedingten Längenänderungen des Ventils sowie Längenänderungen des Ventils durch Ventilsitzverschleiß ausgeglichen. Die Fertigungstoleranzen können durch eine Ersteinstellung bei der Montage des Ventiltriebs ausgeglichen werden, wenn das gestellfeste Auflager 10 des bzw. der Übertragungsglieder entsprechend dem Patentanspruch 6 stufenlos einstellbar ausgebildet ist, beispielsweise durch eine exzentrisch gelagerte Achse, wie in Fig. 1 dargestellt.

Um bei Mehrventilmotoren eine getrennte Betätigung der einzelnen Ventile pro Zylin­ dereinheit zu ermöglichen, kann der erfindungsgemäße Ventiltrieb auch entsprechend dem Patentanspruch 7 so ausgeführt werden, daß jedes einzelne Ventil über eigene, ihm zugeordnete Nocken, Abgriffsglieder und Übertragungsglieder betätigt wird, so daß unterschiedliche Ventilbewegungen der einzelnen Ventile realisiert werden können.

Eine Ausbildung des Ventiltriebs entsprechend dem Patentanspruch 8 ist in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt. Diese Ausbildung ermöglicht die vollständige Unterbrechung der Bewegungsübertragung zwischen einem mehrteiligen Übertragungsglied 4 und 7. Hier­ durch kann unabhängig von der momentanen Hubbewegung des Abgriffsglieds 3 eine völlige Stillegung einzelner oder aller Ventile einer Zylindereinheit realisiert werden.

Das zweite Übertragungsglied 7 kann ebenfalls vorteilhafterweise die Form eines Schlepphebels erhalten, wobei die gestellfeste drehbare Lagerung 10 auf derselben Achse erfolgen kann wie die Lagerung des ersten Übertragungsglieds 4.

Die Verbindung bzw. Trennung des mehrteiligen Übertragungsglieds 4, 7 erfolgt mechanisch (Formschluß) entsprechend Patentanspruch 9, beispielsweise durch einen oder mehrere hydraulisch betätigte Zylinderbolzen 11, welche in einem der beiden Übertragungselemente geführt sind und durch Aufbringen eines entsprechen­ den Öldrucks gegen die Kraft einer Feder 12 ausfahren und dadurch in eine am ande­ ren Übertragungselement vorhandene Bohrung 7a einrasten. Bei getrennter, mehrfa­ cher Ausführung dieser Anordnung kann die Schaltung einzelner Ventile einer Zylinder­ einheit entsprechend Patentanspruch 10 durch eine gestufte Auslegung so erfolgen, daß bei Aufbringen eines ersten Druckniveaus p1 zunächst nur ein Zylinderbolzen ausfährt und das zugeordnete Ventil mitbetätigt wird. Erst bei einer weiteren Anhebung des Drucks auf ein Druckniveau p2 wird dann ein weiteres Ventil hinzugeschaltet usw.

Wenn die Verbindung zwischen dem ersten Übertragungsglied 4 und dem zweiten Übertragungsglied 7 unterbrochen ist, wird der Kraftschluß zwischen Übertragungs­ glied 4 und Abgriffsglied 3 bzw. Nockenwellen 1, 2 während der Hubbewegung dieser Teile durch die Feder 14 sichergestellt, welche beispielsweise als Druckfeder ausgebil­ det ist und sich am Gestell abstützt. In der Rastphase wird die Lage des Übertragungs­ glieds 4 relativ zum Übertragungsglied 7 durch einen Anschlag 15 definiert, so daß ei­ nerseits eine weitere Aufwärtsbewegung des Übertragungsglieds 4 verhindert wird und andererseits ein sicheres Eintauchen des Zylinderbolzens 11 in die Bohrung 7a für ei­ nen Schaltvorgang gewährleistet ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen, insbeson­ dere zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren über die Hubfunktion eines oder mehrerer Einlaßventile pro Zylinder mit zwei Nockenwellen (1, 2), deren Nocken derart ausgebildet sind, daß die Nocken der einen Nockenwelle (1) die Öffnungsfunktion und die Nocken der anderen Nockenwelle (2) die Schließfunktion der Ventile bestimmen, und einem Abgriffsglied (3) zum Abtasten der Hubbewegung der Nocken beider Noc­ kenwellen, welches in einer Ebene senkrecht zu den Mittellinien der zueinander paral­ lelen Nockenwellen beweglich auf einem Übertragungsglied (4) zum Übertragen der abgetasteten Hubbewegung auf das Ventil (6) geführt ist dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken einen sich über einen bestimmten Winkel­ bereich erstreckenden Grundkreisbereich und einen sich über einen bestimmten Win­ kelbereich erstreckenden Erhebungsbereich mit konstanter Nockenerhebung aufwei­ sen, bei geschlossenem Ventil (6) ein Spiel zwischen dem Abgriffsglied (3) und den Nocken der beiden Nockenwellen (1, 2) möglich ist und eine Feder (8) eine Kraft auf das Abgriffsglied (3) so ausübt, daß das Abgriffsglied (3) ständig in Anlage mit einer der beiden Nockenwellen (1, 2) gehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Über­ tragungsglied (4) als Schlepp- oder Kipphebel ausgebildet ist, und daß das Abgriffsglied (3) auf dem Schlepp- oder Kipphebel (4) translatorisch auf geraden Gleitbahnen (4a) oder rotatorisch auf bogenförmigen Gleitbahnen oder einer drehbar gelagerten Schwinge beweglich geführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgriffsglied (3) drei Rollen (3a, 3b, 3c) umfaßt, welche gemeinsam auf einem Bolzen (5) gelagert sind, wobei die beiden äußeren Rollen (3a, 3c) mit zwei identischen Nocken der einen Nockenwelle zusammenarbeiten und die innere Rolle (3b) mit einem Nocken der anderen Nockenwelle zusammenarbeitet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsabstand der beiden Nockenwellen (1, 2) derart ist, daß sich die Hubkreise der Nocken beider Nockenwellen überlappen, wobei die Nocken axial so versetzt sind, daß sie einander nicht berühren.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Schlepp- oder Kipphebels (4) bei geschlossenen Ventilen durch einen Anschlag (13) an einer Zylinderfläche (1a) definiert ist, welche an der ventilnahen Nockenwelle (1) koaxial zu dieser ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auflager (10) des Schlepp- oder Kipphebels (4) zum Ausgleich von Fertigungstoleran­ zen stufenlos einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Ventil eines Zylinders eigene Abgriffsglieder und unterschiedliche Nocken auf den beiden Nockenwellen, sowie Übertragungsglieder vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungsglied (4, 7) mehrteilig ausgeführt ist, wobei ein Teil (4) über das Abgriffsglied (3) mit den Nocken zusammenwirkt und das andere Teil (7) mit dem Ventil zusammenwirkt sowie beide Teile mittels einer schaltbaren mechanischen Verbindung miteinander gekoppelt werden können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einschaltung der mechanischen Verbindung (11, 12) ein hydraulisch betätigbarer Mechanismus vor­ gesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruchs 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Einlaßventilen (6) pro Zylinder, die jeweils mit mehrteiligen Übertragungsgliedern (4, 7) zusammenwirken, die mechanische Verbindung zwischen dem einen Teil (4) und dem anderen Teil (5) für die einzelnen Übertragungsglieder bei unterschiedlichen Druckniveaus eingeschaltet wird.