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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des
Phasenwinkels zwischen einer ersten und einer zweiten Kurbelwelle
eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor wenigstens
einen Hauptzylinder aufweist, welcher mit wenigstens einem Nebenzylinder
in Verbindung steht, wobei in jedem Hauptzylinder ein Hauptkolben bewegbar
angeordnet ist, der mit der ersten Kurbelwelle verbunden ist, und
in jedem Nebenzylinder ein Nebenkolben bewegbar angeordnet ist,
der mit der zweiten Kurbelwelle verbunden ist, wobei die erste und
die zweite Kurbelwelle mittels eines Getriebes miteinander verbunden
sind, wobei die Vorrichtung Mittel zum Erhalten einer Phasenverschiebungssteuerung
und einen Kurbelwellenfortsatz aufweist, der zur Phasenwinkelsteuerung
vorgesehen ist und drehgesperrt mit einer der Kurbelwellen verbunden ist
und drehbar an der anderen Kurbelwelle befestigt ist, gemäß Oberbegriff
des beigefügten
Anspruchs 1.
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Hintergrund
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Bei
Verbrennungsmotoren in der Form eines Kolbenmotors, beispielsweise
bei Otto-Motoren oder Diesel-Motoren, mit einem oder mehreren Zylindern mit
Kolben, die sich seitlich in diesen bewegen, wird ein Kraftstoff/Luft-Gemisch
in einer Verbrennungskammer komprimiert, wo es gezündet und
verbrannt wird, wenn sich der Kolben in seiner obersten Position
befindet.
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Die
Kompression dieses Kraftstoff/Luft-Gemischs wird durch das Kompressionsverhältnis des betreffenden
Motors bestimmt, das als das Verhältnis zwischen dem Volumen
im Zylinder bestimmt ist, wenn sich der Kolben in seiner untersten
und seiner obersten Stellung befindet. Moderne Otto-Motoren besitzen üblicherweise
ein Kompressionsverhältnis von
etwa 10:1 (Kompressionszahl 10), während aufgeladene Motoren,
beispielsweise Turbo-Motoren, ein geringeres und Diesel-Motoren
ein erheblich viel höheres
Kompressionsverhältnis
besitzen. Das Kompressionsverhältnis
des Motors beeinflusst die Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemischs.
Eine hohe Kompression trägt
zu einer wirksamen Verbrennung bei, die ihrerseits zu einer hohen
Wirksamkeit und zu einem niedrigen Kraftstoffverbrauch beiträgt. Zur
selben Zeit gibt es jedoch ein Bedürfnis für einen Kraftstoff mit einer
hohen Oktan-Zahl, insbesondere in dem Fall von hohen Motorlasten,
um eine ungesteuerte Verbrennung zu vermeiden. Gegenüber dem oben
beschriebenen Hintergrund ist es daher erwünscht, in der Lage zu sein,
das Kompressionsverhältnis
während
des Betriebs in Abhängigkeit
von der Kraftstoffqualität
und der Motorlast zu verändern.
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Die
US 5 638 777 beschreibt
einen Verbrennungsmotor mit einem veränderbaren Kompressionsverhältnis. Der
Motor weist eine Anzahl von Hauptzylindern und eine entsprechende
Anzahl von Nebenzylindern auf, die je mit einem entsprechenden Hauptzylinder
in Verbindung stehen. In jedem Hauptzylinder ist ein Hauptkolben
angeordnet, der mit einer ersten Kurbelwelle in Verbindung steht,
wobei der Hauptkolben zu einer hin und her gehenden Bewegung angeordnet
ist, und in einer entsprechenden Weise befindet sich in jedem Nebenzylinder
ein Nebenkolben, der mit einer zweiten Kurbelwelle in Verbindung
steht, wobei der Nebenkolben zu einer hin und her gehenden Bewegung
angeordnet ist. Zwischen der ersten und der zweiten Kurbelwelle
sind ein Zahnradgetriebe und eine Vorrichtung zur Phasenwinkelverschiebung
zwischen den Wellen mit dem Zweck angeordnet, ein Kompressionsverhältnis zu
erhalten, das von der augenblicklichen Last des Motors abhängt. Diese
Vorrichtung weist eine Antriebswelle auf, die mit der zweiten Kurbelwelle
fest verbunden ist, die mit schraubenförmigen Keilnuten ausgestattet
ist, die konzentrisch im Inneren eines äußeren Gehäuses angeordnet sind. Das äußere Gehäuse weist
ein erstes Zahnrad, das dazu bestimmt ist, mit einem zweiten Zahnrad
zusammenzuwirken, das an der ersten Kurbelwelle angeordnet ist, und
innere schraubenförmige
Keilnuten auf. Zwischen dem äußeren Gehäuse und
der Antriebswelle ist ein verschiebbares Rohrelement angeordnet,
dessen Mantelfläche
mit schraubenförmigen
Keilnuten ausgestattet ist, die dazu bestimmt sind, mit den inneren
schraubenförmigen
Keilnuten des äußeren Gehäuses zusammenzuarbeiten.
Das Rohrelement ist weiter mit inneren schraubenförmigen Keilnuten ausgestattet,
die mit den an der Antriebswelle angeordneten schraubenförmigen Keilnuten
zusammenarbeiten. In dem Fall einer axialen Verschiebung des Rohrelements,
beispielsweise in dem Fall eines hydraulischen Steuersystems, wird
eine Phasenwinkelverschiebung zwischen dem ersten Zahnrad und der Antriebswelle
und somit auch zwischen der ersten und der zweiten Kurbelwelle erreicht.
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Obwohl
die aus der
US 5 638 777 bekannte Vorrichtung
eine gute Steuerung der Phasenverschiebung zwischen den Kurbelwellen
ermöglicht, besitzt
sie bestimmte Nachteile. Ein Nachteil besteht darin, dass sie verhältnismäßig teuer
herzustellen ist, da sie in ihrer Gestaltung verhältnismäßig komplex ist,
insbesondere das verschiebbare Rohrelement betreffend, das sowohl
an seiner Mantelfläche
als auch innenseitig mit schraubenförmigen Keilnuten ausgestattet
ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Rohrelement,
das das hydraulische Steuersystem aufweist, verhältnismäßig viel Raum in axialer Richtung
benötigt,
was es schwierig macht, es in Fahrzeugen mit seitlichen Mehrzylindermotoren
einzubauen. Des Weiteren ist der Einbau/Ausbau dieser bekannten
Vorrichtung verhältnismäßig schwierig durchzuführen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Möglichkeit zu schaffen, eine
Vorrichtung zur Steuerung der Phasenwinkels zwischen einer ersten und
einer zweiten Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors zu erreichen,
die in Hinblick auf die vorbekannte Technologie kosteneffizienter
herzustellen ist.
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Dieses
Ziel wird mittels der in Anspruch 1 beschriebenen Erfindung erreicht.
In den auf Anspruch 1 folgenden Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist, wie zuvor angegeben, zwischen einer ersten und einer zweiten
Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angeordnet, der mindestens
einen Hauptzylinder, der mit mindestens einem Nebenzylinder in Verbindung steht,
mit einem Hauptkolben, der in jedem Hauptzylinder bewegbar angeordnet
ist, aufweist, wobei der Hauptkolben mit der ersten Kurbelwelle
verbunden ist und in jedem Nebenzylinder ein Nebenkolben bewegbar
angeordnet ist, der mit der zweiten Kurbelwelle verbunden ist, wobei
die erste und die zweite Kurbelwelle mittels eines Getriebes miteinander
verbunden sind, wobei die Vorrichtung Mittel für den Erhalt der Phasenverschiebungssteuerung
und einen Kurbelwellenfortsatz aufweist, der für die Phasensteuerung vorgesehen
ist, wobei der Fortsatz drehgesperrt mit einer der Kurbelwellen
verbunden ist und drehbar an der anderen Kurbelwelle befestigt ist.
Mittels des Kurbelwellenfortsatzes, der gegenüber einer der Kurbelwellen
verschiebbar angeordnet ist, ist eine mechanische Schnittstelle
erreicht, an der die Phasenwinkelverschiebung ohne die Einführung weiterer
Bauteile stattfinden kann. Dieses Mittel besteht in einem Hydraulikkolben,
der in einem Gehäuse
angeordnet ist, um den Kurbelwellenfortsatz zu umgeben und um eine
axiale Verschiebung des Kurbelwellenfortsatzes zustande zu bringen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform dient
dieses Mittel zur Erzielung einer axialen Verschiebung in mindestens
einer Richtung. Dies ermöglicht
eine schnelle Phasenwinkelverschiebung mit guter Genauigkeit bei
hohen Motorlasten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
dient der Hydraulikkolben auch dazu, den Kurbelwellenfortsatz in
einer zweiten Richtung zu beeinflussen, um eine optimale Steuerung
des Phasenwinkels zwischen der ersten und der zweiten Kurbelwelle,
beispielsweise in dem Fall schneller Veränderungen der Motorlast, zu
ermöglichen.
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Da
der Hydraulikkolben gemäß der Erfindung
so angeordnet ist, dass er sich gegenüber dem Gehäuse nicht dreht, ist eine vereinfachte Öldichtung zwischen
dem Kolben und dem Gehäuse
erreicht. Des Weiteren schafft dies günstige Bedingungen, um eine
einfache und dauerhafte Einrichtung zur Zuführung von Öl zu dem Kolben zu erhalten.
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Bei
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Kurbelwellenfortsatz an seinem
einen Ende mit Keilnuten ausgestattet, die eine drehgesperrte verschiebbare
Verbindung mit einer der Kurbelwellen ermöglichen. Der Kurbelwellenfortsatz
ist des Weiteren an seinem anderen Ende mit einem mit Nuten, vorzugsweise
trapezförmigen
Nuten, ausgebildeten Abschnitt für
die drehbare Verbindung ausgestattet.
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Dadurch,
dass der Kurbelwellenfortsatz gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einem Flansch zwischen dem mit Keilnuten ausgebildeten Abschnitt und
dem mit Nuten ausgebildeten Abschnitt ausgestattet ist, die der
Hydraulikkolben beeinflussen soll, ist eine kompakte und in axialer
Richtung kurze Vorrichtung zur Steuerung des Phasenwinkels ermöglicht,
die bei Motorfahrzeugen äußerst vorteilhaft
ist.
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Weitere
Vorteile und Aufgaben der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen und
der nachstehenden Beschreibung zu finden.
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Beschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit Beispielen bevorzugter
Ausführungsformen
und den beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Verbrennungsmotors,
der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Steuerung des Phasenwinkels ausgestattet ist, und;
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2 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Regelung des Phasenwinkels.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht, teilweise im Schnitt, einen Verbrennungsmotor 1 mit
einem Motorblock 2 mit Hauptzylindern 3a, 3b, 3c, 3d,
die über
Kanäle 4a, 4b, 4c, 4d mit
Nebenzylindern 5a, 5b, 5c, 5d,
in Verbindung stehen, die im Zylinderkopf 6 des Verbrennungsmotors 1 angeordnet
sind. In jedem Hauptzylinder ist ein Hauptkolben 7a, 7b, 7c, 7d bewegbar
angeordnet, die über
Hauptpleuelstangen 8a, 8b, 8c, 8d mit
einer ersten Kurbelwelle 9 verbunden sind, und in jedem
Nebenzylinder 5a, 5b, 5c, 5d ist
ein Nebenkolben 10a, 10b, 10c, 10d bewegbar
angeordnet, die über
Nebenpleuelstangen 11a, 11b, 11c, 11d mit
der zweiten Kurbelwelle 12 verbunden sind. Die erste Kurbelwelle 9 ist in
Lagern im Motorblock 2 angebracht, und die zweite Kurbelwelle 12 ist
in Lagern im Zylinderkopf 6 angebracht. Die Kurbelwellen 9, 12 sind über ein
Getriebe 13 miteinander verbunden, das einen Antriebszahnriemen 14 aufweist,
der über
ein erstes Antriebsrad 15 und ein zweites Antriebsrad 16 läuft, wobei
die Größe der Antriebsräder 15, 16 so
gewählt
ist, dass die zweite Kurbelwelle 12 mit der halben Drehzahl der
ersten Kurbelwelle 9 umläuft. Das zweite Antriebsrad 16 umgibt
teilweise das Gehäuse 18 der Vorrichtung 17 zur
Phasenverschiebungssteuerung, die am Zylinderkopf 6 angeordnet
ist.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird jetzt eine bevorzugte
Ausführungsform
der Vorrichtung 17 zur Phasenverschiebungssteuerung beschrieben.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist das zweite Antriebsrad 16 im Gehäuse 18 über Kugellager 19,
vorzugsweise über
eine Winkelberührungslage
mit doppelten Reihen, angebracht. Das Antriebsrad 16 ist des
Weiteren mit einem mit Nuten ausgebildeten Abschnitt 20 ausgestattet,
der mit einem entsprechenden mit Nuten ausgebildeten Abschnitt 22 an
einem Kurbelwellenfortsatz 21 zusammenarbeitet. Die mit Nuten
ausgebildeten Abschnitte 20, 22 sind mit Nuten
nach der Art einer trapezförmigen
Nut mit zwölf Einlässen ausgestattet,
die eine Verschiebung des Winkels von 120 Grad bei 20 mm axialer
Verschiebung des Kurbelwellenfortsatzes 21 gestatten. Der Kurbelwellenfortsatz 21 weist
zusätzlich
einen Abschnitt 23 auf, der mit Keilnuten ausgestattet
ist, der mit einem entsprechenden Abschnitt 24, der mit
Keilnuten ausgestattet ist, an der zweiten Kurbelwelle 12 für die Verbindung
zusammenarbeitet, die verschiebbar und drehgesperrt ist. Die Drehachse
des Kurbelwellenfortsatzes 21 fällt daher mit der Drehachse
der zweiten Kurbelwelle 12 zusammen.
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Der
Kurbelwellenfortsatz 21 ist aus Stahl hergestellt und ist
an dem mit Nuten ausgebildeten Abschnitt 22 und dem Abschnitt 23,
der mit Keilnuten ausgebildet ist, mit einer aus chemisch abgeschiedenem
Nickel bestehenden Lage abgedeckt ist, die imprägniert und mit einem Fluoralkunststoff
oberflächenbeschichtet
und thermisch gehärtet
ist. Auf diese Weise ist eine geringe Reibung erreicht, was bedeutet,
dass verringerte Kräfte
für die
Phasenverschiebungssteuerung notwendig sind. Beschichtungen dieser
Art sind im Handel unter der Marke Nedox® erhältlich und
sind bisher u.a. als Oberflächenbeschichtung
bei Getriebezähnen
und bei Gießwerkzeugen
für Kunststoffprodukte
mit kleinen Nachlaufwinkeln verwendet worden.
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Die
Vorrichtung 17 weist des Weiteren ein Mittel 25 auf,
um die Verschiebung des Kurbelwellenfortsatzes 21 zu erreichen.
Zu diesem Zweck ist der Kurbelwellenfortsatz 21 mit einem
Flansch 27 zwischen dem mit Nuten ausgebildeten Abschnitt 22 und dem
mit Keilnuten ausgebildeten Abschnitt 23 ausgestattet,
an dem ein Hydraulikkolben 27, der im Gehäuse 18 verschiebbar
angeordnet ist, zum Arbeiten vorgesehen ist. Zwischen dem Flansch 26 und
dem Hydraulikkolben 27 sind Lager 28, 29 der
Gattung eines Nadellagers angeordnet, die zum Absorbieren der axialen
Kräfte
dienen, die als Folge des Drehmoments auftreten, das über die
mit Nuten ausgebildeten Abschnitte 20, 22 übertragen
wird. Da der Hydraulikkolben 27 so angeordnet ist, dass
er den Kurbelwellenfortsatz 21 umgibt, ist die Vorrichtung 17 kompakt
und in axialer Richtung kurz, was bei Motorfahrzeugen äußerst vorteilhaft
ist.
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Des
Weiteren weist der Hydraulikkolben 27 an seiner Mantelfläche einen
Anschlag 30 auf, der eine Kammer in eine erste Teilkammer 31 und
eine zweite Teilkammer 32 aufgeteilt, die je mit einer
ersten Ölleitung 33 bzw.
einer zweiten Ölleitung 34 in Verbindung
stehen. Die Ölleitungen 33, 34 sind
mit einem nicht dargestellten hydraulischen Steuerventil verbunden,
das in Abhängigkeit
von einem Steuersystem des Motors 1 die Ölzuführung zu
der einen oder der anderen Teilkammer 31, 32 steuert
und hierbei eine Phasenwinkelverschiebung zwischen der ersten Kurbelwelle 9 und
der zweiten Kurbelwelle 12 bewirkt. Durch Verwendung eines
Teils des Öls,
das durch die Servosteuerpumpe unter Druck gesetzt ist, die üblicherweise
am Motor 1 vorhanden ist, besteht kein Bedarf für eine Extra-Ölpumpe.
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Das
Gehäuse 18 ist
des Weiteren mit O-Ringen 35, 36 ausgestattet,
die so angeordnet sind, dass sie mit dem Kolben 27, einer
an jeder Seite des Anschlags 30, in Berührung stehen und als Öldichtungen
für die
Teilkammern 31, 32 dienen. Am Außenumfang
des Anschlags 30 ist ein entsprechender O-Ring zur Ölabdichtung
zwischen der ersten Teilkammer 31 und der zweiten Teilkammer 32 angeordnet.
Da der Kurbelwellenfortsatz 21 mit den Kolben 27 über die
Lager 28, 29 verbunden ist, wird prinzipiell kein
Drehmoment an den Kolben 27 übertragen, wenn der Kurbelwellenfortsatz 21 umläuft. Als
Folge hiervon läuft
der Kolben 27 infolge der Reibung zwischen ihm und den
O-Ringen 35, 36, 37 nicht
mit dem Kurbelwellenfortsatz 21 um, wenn dieser umläuft, was
die Ölabdichtung
vereinfacht.
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Entsprechend
der vorstehenden Beschreibung ist die Funktion der Vorrichtung 17 folgende: Die
Zuführung
von Öl
durch die Leitung 33 hindurch zur Teilkammer 31 führt zu einem
Druckaufbau in der Teilkammer 31, deren Volumen durch den
Anschlag 30 begrenzt ist, der am Kolben 27 angeordnet
ist. Dies seinerseits bewirkt, dass der Kolben 27 in der Richtung
des Zylinderkopfs 6 gedrückt wird. Da der Kurbelwellenfortsatz 21 über die
Lager 28, 29 mit dem Kolben 27 verbunden
ist, gibt es somit eine axiale Relativverschiebung in der Keilkupplung 23, 24 zwischen
dem Kurbelwellenfortsatz 21 und der Kurbelwelle 12.
Gleichzeitig gibt es eine entsprechende axiale Relativverschiebung
zwischen dem Kurbelwellenfortsatz 21 und dem zweiten Antriebsrad 16,
während
das Antriebsrad 16 in den trapezförmigen Nuten 20, 22 umläuft, was
eine Phasenwinkelverschiebung zwischen der ersten Kurbelwelle 9 und
der zweiten Kurbelwelle 12 bewirkt. In entsprechender Weise wird
eine Verschiebung des Phasenwinkels in der entgegengesetzten Richtung
erreicht, wenn Öl
durch die Leitung 34 hindurch der Teilkammer 32 zugeführt wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschränkt, was vorstehend beschrieben
ist, andere Ausführungsformen
sind ebenfalls innerhalb des Umfangs von Anspruch 1 möglich. Die Verschiebung
des Kurbelwellenfortsatzes kann auch gegen eine Feder, beispielsweise
Schraubenfeder, stattfinden, wobei der Hydraulikkolben nur dazu
dient, eine Verschiebung in einer Richtung zu bewirken. Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
ist der Kurbelwellenfortsatz in der entgegengesetzten Richtung angeordnet, sodass
die Keilkupplung an dem zweiten Antriebsrad angeordnet sein kann,
und ist die trapezförmige
Nut zwischen dem Kurbelwellenfortsatz und der zweiten Kurbelwelle
angeordnet. Bei einer noch weiteren alternativen Ausführungsform
ist die Vorrichtung zur Steuerung des Phasenwinkels im Gegensatz
zu der oben beschriebenen Ausführungsform
an der ersten Kurbelwelle angeordnet. Schließlich kann der Kurbelwellenfortsatz
statt mit Keilnuten mit einem anderen Querschnitt, beispielsweise
einem quadratischen Querschnitt, ausgestattet sein, der mit einem
entsprechenden quadratischen Loch an der Kurbelwelle zusammenarbeitet,
um die verschiebbare Verbindung zu erhalten, die drehgesperrt ist.