DE60222059T2

DE60222059T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60222059T2
Application number: DE60222059T
Authority: DE
Inventors: Shunichi Yokosuka-shi Aoyama; Katsuya Moteki; Kenshi Kamakura-shi Ushijima; Ryosuke Yokosuka-shi Hiyoshi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: EP1279798A3; JP3606237B2; JP2003035111A; EP1279798A2; US20030019448A1; DE60222059D1; EP1279798B1; US6647935B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine und insbesondere eine hin- und hergehende Maschine, die einen kippbaren Nocken verwendet, der in der Lage ist, innerhalb von Grenzen zu oszillieren, um einen Ventilheber eines Einlassventiles direkt zu drücken.
Hintergrund der Technik
Eine allgemein bekannte, direkt angetriebene Ventilbetätigungsvorrichtung, die ein Ventilheber einer Motorventils ist, angetrieben oder gedrückt direkt mittels eines Nockens (nachstehend als ein „feststehender Nocken" bezeichnet), gebildet als ein einstückiger Abschnitt einer Nockenwelle, ist einem Kipphebelarm-Typ oder einem Hebeltyp in der Kompaktheit, in der Einfachheit der Anordnung überlegen und verbessert die Rotationsdrehzahlgrenzen, wie in der JP 2002 241014A gesehen. In der direkt angetriebenen Ventilbetätigungsvorrichtung liegt, um einen breiten Kontaktbereich zwischen der Nockenoberfläche des feststehenden Nockens und dem Ventilheber ohne einen unerwünschten exzentrischen Kontakt in einer sehr begrenzten Kontaktzone zu schaffen, die Achse (die Rotationsmitte) der Nockenwelle im Wesentlichen auf der Verlängerung der Mittellinie des Ventilschaftes des Motorventils (von jedem der Einlass- und Auslassventile). Somit ist der Mittelabstand zwischen der Mitte der Einlassventilnockenwelle und der Mitte der Auslassventil-Nockenwelle im Verhältnis zu dem Winkel zwischen der Mitte des Einlassventilschaftes und der Mitte des Auslassventilschaftes im Verhältnis proportional zu dem Winkel zwischen der Mitte des Einlassventilschaftes und der Mitte des Auslassventilschaftes. Wie im Wesentlichen bekannt ist, ist in typischen hin- und hergehenden Brennkraftmaschinen ein Kurbelbolzen mit einem Kolbenbolzen mittels einer einzelnen Verbindung, die als „Pleuelstange" bekannt ist, verbunden. In solch hin- und hergehenden Motoren vom Einzelverbindungstyp liegt für den Zweck des reduzierten Seitendrucks, der auf den Kolben wirkt, die Kurbelwellenachse (die Kurbelwellenmittellinie) auf der Zylindermittellinie, wenn von der axialen Richtung der Kurbelwelle gesehen wird. Der Bevollmächtigte der vorliegenden Erfindung hat eine veränderbare Ventilbetätigungsvorrichtung vorgeschlagen und entwickelt (siehe 4), die fortlaufend eine Ventilhubcharakeristik (zumindest einen Ventilhub und einen Arbeitswinkel) variiert und breit in der zuvor diskutierten direkt angetriebenen Ventilgetriebeanordnung anwendet. In der ver änderbaren Ventilbetätigungsvorrichtung ist, wie in der 4 gezeigt, um eine Einlassventilbetätigungsvorrichtung abzutreiben, eine Antriebswelle parallel zu der Kurbelwellenachse in ähnlicher Weise angeordnet, wie die typische Nockenwelle mit feststehenden Nocken, die als einstückige Abschnitte auf der Nockenwelle gebildet sind. Ein kippbarer Nocken ist drehbar auf den Außenumfang der Antriebswelle derart aufgesetzt, dass die oszillierende Bewegung des kippbaren Nockens innerhalb vorbestimmter Grenzen gestattet ist und der Ventilheber durch die Nockenoberfläche des kippbaren Nockens direkt gedrückt wird. Das Verändern einer Anfangsphase des kippbaren Nockens verändert fortlaufend die Ventilhubcharakteristik. Wenn zum Beispiel der kippbare Nocken in dem Einlassventilbetätigungssystem anstelle eines feststehenden Nockens verwendet wird, ist es wünschenswert, dass die Mitte der oszillierenden Bewegung des kippbaren Nockens (das heißt die Achse der Antriebswelle) von dem Gesichtspunkt einer verbreiterten Kontaktfläche zwischen der Nockenoberfläche des kippbaren Nockens und des Ventilhebers von der Mittellinie des Ventilschaftes des Einlassventiles versetzt ist und den Seitendruck reduziert, der auf den Ventilheber, der dem Einlassventil zugehörig ist, wirkt. Jedoch wenn nur die Antriebswelle des Einlassventiles einfach von der Mitte des Einlassventilschaftes versetzt ist, werden die Geometrie und die Abmessungen zwischen der Einlassventilantriebswelle und der Kurbelwelle von der Geometrie und den Abmessungen zwischen der Auslassventil-Nockenwelle (oder der Auslassventil-Antriebswelle) und der Nockenwelle verschieden. In solch einem Fall muss die Motorgestaltung, die eine Kraftübertragungssystem-Anordnung von der Kurbelwelle zu der Antriebswelle (oder zu der Nockenwelle) enthält, beträchtlich verändert werden. Der Bevollmächtigte der vorliegenden Erfindung hat auch einen hin- und hergehenden Motor vom Mehrfach-Koppel-Typ vorgeschlagen und entwickelt, der eine veränderbare Kolbenhub-Charakteristik-Vorrichtung verwendet (siehe 2), die kontinuierlich ein Verdichtungsverhältnis verändert. Im Fall von solchen hin- und hergehenden Motoren vom Mehrfach-Koppel-Typ unter Einbeziehung in die Überlegung der Größe der Last, die auf jede Koppel angewendet wird, sowie auf den Kolbenseitendruck, der nicht erwünscht ist, ist die Kurbelwellenmittellinie auf der Zylindermittellinie anzuordnen, wenn von der axialen Richtung der Kurbelwelle gesehen wird. Jedoch das einfache Versetzen von nur der Antriebswelle des Einlassventiles von der Mitte des Einlassventilschaftes führt zu dem Problem der Differenzen zwischen (i) der Geometrie und den Abmessungen zwischen der Einlassventilantriebswelle und der Kurbelwelle und (ii) der Geometrie und den Abmessungen zwischen der Auslassventil-Nockenwelle (oder der Auslassventil-Antriebswelle) und der Nockenwelle.
Zusammenfassung der Erfindung
Demzufolge ist es ein Ziel der Erfindung, eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen kippbaren Nocken verwendet, der in der Lage ist, innerhalb vorbestimmter Grenzen zu oszillieren, um einen Ventilheber eines Einlassventils direkt zu drücken, was die vorerwähnten Nachteile vermeidet.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine verbesserte Anordnung zwischen einer Zylindermittellinie, einer Kurbelwellenmittellinie, einer Mitte der oszillierenden Bewegung eines kippbaren Nockens (das heißt einer Mitte einer Einlassventilantriebswelle) und einer Mitte eines Einlassventilschaftes in einer hin- und hergehenden Brennkraftmaschine zu schaffen, die den kippbaren Nocken verwendet, der in der Lage ist, innerhalb vorbestimmter Grenzen zu oszillieren, um einen Ventilheber des Einlassventiles direkt zu drücken.
Um das Vorerwähnte und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen, weist eine hin- und hergehende Brennkraftmaschine auf einen Zylinderblock mit einem Zylinder, einen Kolben, der durch einen Hub in dem Zylinder bewegbar ist, ein Einlassventil, einen Einlassventilheber an einem Schaft des Einlassventils, eine Einlassventilantriebswelle, die um ihre Achse synchron mit der Drehung der Kurbelwelle rotiert, einen kippbaren Nocken, der an einem Außenumfang der Einlassventilantriebswelle drehbar ansetzt ist, und der innerhalb vorbestimmter Grenzen während der Drehung der Einlassventilantriebswelle dreht, um den Einlassventilheber direkt zu drücken, wenn von einer axialen Richtung der Kurbelwelle gesehen wird, eine Achse der Einlassventilwelle, die von der Mittellinie des Einlassventilschaftes in der ersten Richtung versetzt ist, die zu sowohl der Mittellinie des Zylinders, als auch einer Achse der Kurbelwelle rechtwinklig ist und von Zylindermittellinie zu der Einlassventilseite gerichtet ist, und die Kurbelwellenachse, die von der Zylindermittellinie in der ersten Richtung versetzt ist.
Die weiteren Ziele und Merkmale dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verstanden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsdarstellung, die die wesentliche Verbindung und die Ventilbetätigungs-Vorrichtungsanordnung des Ausführungsbeispieles darstellt, die in einem hin- und hergehenden Motor eines Einzelverbindungstyps verwendet wird, wenn von der axialen Richtung der Kurbelwelle gesehen wird.
2 ist eine Querschnittsdarstellung, die die wesentliche Verbindung und die Ventilbetätigungs-Vorrichtungsanordnung des Ausführungsbeispieles darstellt, die in einem hin- und hergehenden Motor vom Mehrfach-Koppel-Typ verwendet wird, wie von der axialen Richtung der Kurbelwelle gesehen.
3 ist ein Systemblockdiagramm, das den grundsätzlichen Aufbau des hin- und hergehenden Motors von 2 darstellt, der eine veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung, eine veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung und eine veränderbare Kolbenhub-Charakteristik-Vorrichtung verwendet.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die die veränderbare Ventilbetätigungsvorrichtung darstellt (die sowohl die veränderbare Hub- als auch die Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung und die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung enthält).
5 zeigt Hub- und Arbeitswinkelmerkmalskurven, die durch die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung der 4 erhalten werden.
6 ist eine Querschnittsdarstellung in Längsrichtung, die eine veränderbare Ventilzeitpunkt-Steuerungsvorrichtung vom Schräggleitfedertyp darstellt (eine veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung vom Schräggleitfedertyp).
7 zeigt Phasenveränderungs-Kennlinienkurven für eine Arbeitswinkelphase, die eine Winkelphase bei dem maximalen Ventilhubpunkt bedeutet, die oft auch als „Zentralwinkel φ" bezeichnet wird, der durch die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung der 6 erhalten wird.
8 zeigt Kennlinienkurven für das Verdichtungsverhältnis ε, die durch die veränderbare Kolbenhubkennlinienvorrichtung in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen veränderbar gesteuert wird.
9 ist eine beispielhafte Darstellung, die den Betrieb des Einlassventiles zeigt, mit anderen Worten, einen Einlassventilöffnungszeitpunkt (IVO) und einen Einlassventilschließzeitpunkt (IVC) unter verschiedenen Motor-/Fahrzeugbetriebsbedingungen, das heißt, während des Leerlaufs bei einer Teillast während der Beschleunigung bei voller Drossel und niedriger Drehzahl und bei voller Drossel und hoher Drehzahl.
Die 10A und 10B sind beispielhafte Darstellungen im Sinne vom Versatz der Einlassventilantriebswelle von der Einlassventil-Schaftmittellinie und des Betriebs und der Wirkungen, die jeweils die ausgerichtete Anordnung eines ersten Vergleichsbeispieles und die versetzte Anordnung des Ausführungsbeispieles zeigen.
11 ist eine Teilquerschnittsdarstellung, die den Unterschied zwischen der Motorventilbetätigungs-Vorrichtungsanordnung des Ausführungsbeispieles und der Motorventilbetätigungs-Vorrichtungsanordnung eines zweiten Vergleichsbeispieles zeigt.
12 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen einem S/V-Verhältnis der Brennkammer und eines Winkels zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie und der Auslassventil-Schaftmittellinie zeigt.
13 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen dem S/V-Verhältnis und dem Verdichtungsverhältnis ε zeigt.
14 ist eine Querschnittsdarstellung, die den Betrieb und die Wirkungen erläutert, die infolge des Kurbelwellenversatzes ΔD0 von der Zylindermittellinie auftreten.
15 ist ein Kennliniendiagramm, das das Verhältnis zwischen dem Kurbelwellenversatz ΔD0 und einem Winkel β zwischen einer Kurbelreferenzlinie L1 parallel zu einer Zylindermittellinie L0 und einem Liniensegment P3–P4 dazwischen zeigt und das sowohl eine Kurbelbolzenmitte P3, als auch eine obere/untere-Verbindung, die die Verbindungsbolzenmitte P4 verbindet, enthält.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nunmehr in Bezug auf die Zeichnungen, insbesondere auf die 2, ist der hin- und hergehende Motor des Ausführungsbeispieles, der mit einem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, in einer hin- und hergehenden Brennkraftmaschine vom Mehrfach-Kopplungs-Typ, die mit vier Ventilen versehen und funkengezündet ist, beispielhaft. Wie in der 2 gezeigt, ist ein Einlassventilschaft 1a von jedem Paar der Einlassventile (1, 1) für jeden Motorzylinder mittels einer Ventilführung 1b gleitbar gelagert. Ein Auslassventilschaft 2a jedes Paares der Auslassventile (2, 2) für jeden Motorzylinder ist mittels einer Ventilführung 2b gleitbar gelagert. Ein Einlassventilheber 1c mit einer Zylinderbohrung, die an ihrem oberen Ende geschlossen ist, ist an dem Ende des Einlassventilschaftes vorgesehen. Ein Auslassventilheber 2c mit einer Zylinderbohrung, die an ihrem oberen Ende geschlossen ist, ist an dem Ende des Auslassventilschaftes vorgesehen. In der 2 ist ein Abschnitt, der durch das Bezugszeichen 5 bezeichnet ist, ein Motorzylinder, der in den Zylinderblock 4 gebohrt ist, während ein Abschnitt, der durch das Bezugszeichen 6 bezeichnet wird, ein über einen Hub in dem Zylinder hin- und hergehender bewegbarer Kolben ist. Die Kolbenkrone des Kolbens 6 wirkt mit der inneren Umfangswandoberfläche des Zylinderkopfes 3 zusammen, um eine Brennkammer 7 zu bilden. Eine Kurbelwelle 8 ist auf dem Zylinderblock 4 mittels Hauptlagerkappen 9 drehbar montiert. Die Kurbelwelle 8 ist daran einstückig mit einem Kurbelbolzen 8a vor jedem Motorzylinder gebildet. Die Kurbelbolzen auf der Kurbelwelle 8 sind versetzt von oder exzentrisch in Bezug auf die Mittellinie der Kurbelwelle 8 (auf die Kurbelwellenachse 8a). Die Kurbelwelle 8 ist auch mit Gegengewichten 8b gebildet, die an der Stelle angeord net sind, um verschiedene Kräfte auszugleichen, die während der Drehung der Kurbelwelle auftreten können. Eine Ölwanne 10, die als ein Schmierölreservoir dient, ist an dem Bodenende des Zylinderblocks 4 lösbar installiert.
Nunmehr wird in Bezug auf die 3 das System-Blockdiagramm des hin- und hergehenden Motors gezeigt, der drei verschiedene veränderbare Vorrichtung verwendet, nämlich eine veränderbare Ventilhubkennlinienvorrichtung (eine veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20), eine veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 und eine veränderbare Verdichtungsverhältnisvorrichtung (eine veränderbare Kolbenhubkennlinienvorrichtung 60). Die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 funktioniert, um sowohl einen Ventilhub, als auch einen Arbeitswinkel des Einlassventils 1 in Abhängigkeit von den Motor-/Fahrzeugbetriebsbedingungen kontinuierlich zu verändern (zu erhöhen oder zu vermindern). Andererseits funktioniert die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40, um die Winkelphase bei dem maximalen Ventilhubpunkt (an dem Zentralwinkel φ des Arbeitswinkels des Einlassventiles 1) kontinuierlich zu verändern (um ihn vorzuverstellen oder um ihn zu verzögern). Die veränderbare Kolbenhubkennlinienvorrichtung 60 funktioniert, um die Kolbenhubkennlinie (die sowohl einen oberen Totpunkt als auch einen unteren Totpunkt enthält) kontinuierlich in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen zu verändern. Wie nachstehend ausführlich beschrieben wird, werden die drei unterschiedlichen veränderbaren Vorrichtungen 20, 40 und 60 in Abhängigkeit von den jeweiligen Steuerungssignalen von einer elektronischen Motorsteuerungseinheit (ECU) 11 elektronisch gesteuert.
Die elektronische Motorsteuerungseinheit ECU 11 weist im Wesentlichen einen Mikrorechner auf. Die ECU 11 enthält eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle (I/O-Schnittstelle), die Speicher (RAM, ROM) und einen Mikrorechner oder eine Zentralrecheneinheit (CPU). Die Eingang-/Ausgangsschnittstelle (I/O-Schnittstelle) der ECU 11 nimmt eine Eingangsinformation von verschiedenen Motor-/Fahrzeugsensoren auf, nämlich von einem Kurbelwinkelsensor oder einem Kurbelpositionssensor (einem Motordrehzahlsensor), einem Drosselöffnungssensor (einem Motorlastsensor), einem Klopfsensor (einem Detonationssensor) 12, einem Auslasstemperatursensor, einem Motorvakuumsensor, einem Motortemperatursensor, einem Motoröltemperatursensor, einem Bescheunigeröffnungssensor und dergleichen. Der Klopfsensor 12 ist an dem Motor montiert, um das Zylinderzündklopfen zu erfassen (die Intensität der Detonation oder das Verbrennungskammerklopfen) mit seiner Anordnung, die oft in dem Kühlmantel oder in dem Motorzylinderblock verschraubt ist. An Stelle des Verwendens der Drosselöffnung als Motorlastanzeigedaten können der Unterdruck in einem Einlassrohr oder das Ein lassverteilervakuum oder eine Menge der Einlassluft oder eine Kraftstoffeinspritzmenge als Motorlastparameter verwendet werden. Innerhalb der ECU 11 gestattet die Zentralrecheneinheit (CPU) den Zugang durch die I/O-Schnittstelle von Eingangsinformationsdatensignalen von den vorher erwähnten Motor-/Fahrzeugsensoren. Die CPU der ECU 11 ist für das Ausführen eines elektronischen Zündzeitpunkt-Steuerungsprogramms für ein Zündzeitpunkt-Vorverschiebungs-Steuerungssystem 13 und für ein elektronisches Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsprogramm in Bezug auf die Kraftstoffeinspritzung-Mengensteuerung und auf die Kraftstoffeinspritzung-Zeitpunktsteuerung verantwortlich und ist auch für das Ausführen einer veränderbaren Kolbenhub-Kennliniensteuerung (für eine veränderbare Steuerung des Verdichtungsverhältnisses), für eine veränderbare Einlassventilhub- und Arbeitswinkelsteuerung und für eine veränderbare Einlassventil-Zentralwinkel-φ-Steuerung (für eine veränderbare Einlassventil-Phasensteuerung), die in den Speichern gespeichert sind, verantwortlich und ist in der Lage, die notwendigen arithmetischen und logischen Berechnungen auszuführen. Die berechneten Ergebnisse (die arithmetischen Berechnungsergebnisse), das heißt, die berechneten Ausgangssignale (die Antriebsströme) werden über die Ausgangschnittstellen-Schaltkreise des ECU zu den Ausgangsstufen verzögert, nämlich zu dem elektronischen Zündzeitpunkt-Vorverschiebungs-Steuerungssystem (einem Zündzeitpunkt-Vorverschieber) 13, den elektromagnetischen Magnetspulen, die die Bauteile der ersten und zweiten hydraulischen Steuerungsmodule 22 und 42 bilden, und zu einem elektronisch gesteuerten Kolbenhub-Kennliniensteuerungsbetätiger 61.
Nunmehr wird in Bezug auf die 4 dort ein grundsätzlicher Aufbau des wesentlichen Teils der veränderbaren Einlassventilhub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 gezeigt. Der grundsätzliche Aufbau der veränderbaren Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 wird nachstehend kurz beschrieben.
Eine zylindrische hohle Einlassventilantriebswelle 23 ist oberhalb der Einlassventile in solch einer Weise angeordnet, um sich in einer Richtung der Zylinderreihe zu erstrecken. Die Antriebswelle 23 ist durch eine Nockenhalterung (nicht gezeigt), die an dem oberen Abschnitt des Zylinderkopfes 3 angeordnet ist, drehbar gelagert. Ein kippbarer Nocken ist drehbar auf dem Außenumfang der Antriebswelle 23 angesetzt, um den Einlassventilheber 1c direkt zu drücken. Die Einlassventilantriebswelle 23 und der kippbare Nocken 24 sind miteinander mittels der veränderbaren Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 mechanisch verbunden. Die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 besteht hauptsächlich aus einem ersten Exzenternocken 25, der verbunden ist mit oder fest verbunden ist mit der Einlassventilantriebswelle 23 mittels Presseinsetzens, einer Steuerungswelle 26, die durch die Nockenhalterung oberhalb der Antriebswelle 23 gelagert und parallel zu der Antriebswelle 23 angeordnet ist, einem zweiten Exzenternocken 27, der verbunden ist mit oder fest verbunden ist oder einstückig gebildet ist mit der Steuerungswelle 26, einem Kipphebelarm 28, der oszillierend oder kippbar auf dem zweiten Exzenternocken 27 gelagert ist, einer ersten im Wesentlichen ringförmigen Verbindung 29 (die später beschrieben wird) und einer im Wesentlichen Bumerang-förmigen zweiten Verbindung 30 (die später beschrieben wird). In dem beispielhaften hin und hergehenden Motor mit vier Ventilen sind zwei Nockenkörper (24b, 24b), wobei jeder von denen einen Nockennasenabschnitt 24 hat und in Kontakt mit der oberen geschlossenen Endfläche des zugehörigen Einlassventilhebers ist, einstückig miteinander über ein im Wesentlichen zylindrischen Zapfenlagerabschnitt 24c verbunden. Der erste Exzenternocken 25 und der Kipphebelarm 28 sind miteinander durch die erste Verbindung 29, die relativ zu dem ersten Exzenternocken 25 dreht, mechanisch verbunden. Andererseits sind der Kipphebelarm 28 und der kippbare Nocken 24 miteinander durch die zweite Verbindung 30 verbunden, so dass die oszillierende Bewegung des Kipphebelarmes über die erste Verbindung 29 erzeugt wird. Die Antriebswelle 23 wird durch die Motorkurbelwelle 8 über die Steuerkette oder einen Zahnflachriemen derart angetrieben, dass die Antriebswelle um ihre Achse mit der Drehung der Kurbelwelle synchron dreht. Die Mittelachse der zylindrischen äußeren Umfangsoberfläche des ersten Exzenternockens 25 ist zu der Achse der Antriebswelle 23 um eine vorbestimmte Exzentrizität exzentrisch. Ein im Wesentlichen ringförmiger Abschnitt der ersten Verbindung 29 ist auf die zylindrische äußere Umfangsoberfläche des ersten Exzenternockens 25 drehbar aufgebracht. Der Kipphebelarm 28 ist an seinem im Wesentlichen ringförmigen zentralen Abschnitt durch den zweiten Exzenternocken 27 der Streuerwelle 26 oszillierend gelagert. Ein vorspringender Abschnitt der ersten Verbindung 25 ist an einem Ende des Kipphebelarmes 28 mittels eines ersten Verbindungsbolzens 31 verbunden. Das obere Ende der zweiten Verbindung 30 ist mit dem anderen Ende des Kipphebelarmes 28 mittels eines zweiten Verbindungsbolzens 32 verbunden. Die Achse des zweiten Exzenternockens 27 ist zu der Achse der Steuerungswelle 26 exzentrisch und somit kann die Mitte der oszillierenden Bewegung des Kipphebelarmes 28 durch Verändern der Winkelposition 26 variiert werden. Der kippbare Nocken 24 ist auf dem Außenumfang der Antriebswelle 23 drehbar angebracht. Ein Endabschnitt des kippbaren Nockens 24 ist mit der zweiten Verbindung 30 mittels eines dritten Verbindungsbolzens 33 verbunden. Mit dem zuvor diskutierten Verbindungsaufbau wird die Drehbewegung der Antriebswelle 23 in eine oszillierende Bewegung des kippbaren No ckens 24 umgewandelt. Der kippbare Nocken 24 ist an seiner unteren Oberfläche gebildet mit einem Basiskreisoberflächenabschnitt, der zu der Antriebswelle 23 konzentrische ist, und einem moderat gekrümmten Nockenoberflächenabschnitt, der mit dem Basiskreisoberflächenabschnitt fortlaufend ist, und sich in die Richtung zu dem anderen Endabschnitt des kippbaren Nockens 24 erstreckt. Der Basiskreisoberflächenabschnitt und der Nockenoberflächenabschnitt des kippbaren Nocks 24 sind bestimmt, um in Anlagekontakt (Gleitkontakt) mit einem bestimmten Punkt oder einer bestimmten Position der oberen Oberfläche des zugehörigen Einlassventilhebers in Abhängigkeit von einer Winkelposition des kippbaren Nockens 24, der oszilliert, zu kommen. Das heißt, der Basiskreisoberflächenabschnitt funktioniert als ein Basiskreisabschnitt, innerhalb dessen ein Ventilhub Null ist. Ein vorbestimmter Winkelbereich des Nockenoberflächenabschnitts, der mit dem Basiskreisoberflächenabschnitt fortlaufend ist, funktioniert als ein Rampenabschnitt. Ein vorbestimmter Winkelbereich des Nockennasenabschnittes 24a des Nockenoberflächenabschnittes, der fortlaufend mit dem Rampenabschnitt ist, funktioniert als ein Hubabschnitt. Wie eindeutig in der 4 gezeigt ist, wird die Steuerwelle 26 der veränderbaren Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches mittels eines hydraulischen Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsbetätigers 21 angetrieben. Ein auf den hydraulischen Betätiger 21 aufgebrachter Druck wird mittels eines ersten hydraulischen Steuerungsmoduls (eines hydraulischen Hub- und Arbeitswinkelsteuerungsmodulators) 22, das von einem Steuerungssignal aus der ECU 11 abhängig ist, geregelt oder moduliert. Der hydraulische Betätiger 21 wird so ausgelegt, dass die Winkelposition der Ausgangswelle des hydraulischen Betätigers in eine Richtung gedrückt wird und an einer Anfangswinkelposition durch die Rückhohlfedereinrichtung mit dem ersten Steuerungsmodul 22, das spannungslos gemacht worden ist, gehalten wird. In einem Zustand, bei dem der hydraulische Betätiger 21 in der Anfangswinkelposition gehalten wird, wird das Einlassventil mit dem Ventilhub, der reduziert ist, und dem Arbeitswinkel, der reduziert ist, betätigt. Die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 arbeitet wie folgt.
Während der Drehung der Antriebswelle 23 bewegt sich die erste Verbindung 29 durch den Vorteil der Nockenwirkung des ersten Exzenternockens 25 auf oder ab. Die Auf- oder Ab-Bewegung der ersten Verbindung 29 verursacht die oszillierende Bewegung des Kipphebelarmes 28. Die oszillierende Bewegung des Kipphebelarmes 28 wird über die zweite Verbindung 30 auf den kippbaren Nocken 24 übertragen, und somit oszilliert der kippbare Nocken 24. Durch den Vorteil der Nockenwirkung des kippbaren Nockens 24, der oszilliert, wird der Einlassventilheber 1c gedrückt und demzufolge hebt das Einlassventil 1 an. Wenn die Winkelposition der Steuerungswelle 26 durch den hydraulischen Betätiger 21 variiert wird, variiert eine Anfangsposition des Kipphebelarmes 28 und als ein Ergebnis verändert sich eine Anfangsposition (oder ein Startpunkt) der oszillierenden Bewegung des kippbaren Nockens 24. In der Annahme, dass die Winkelposition des zweiten Exzenternockens von der ersten Winkelposition verschoben wird, da die Achse des zweiten Exzenternockens 27 unmittelbar unter der Achse der Steuerungswelle 26 zu einer zweiten Winkelposition angeordnet ist, da die Achse des zweiten Exzenternockens 27 unmittelbar oberhalb der Achse der Steuerungswelle 26 angeordnet ist, verschiebt sich im Ganzen der Kipphebelarm 28 aufwärts. Als ein Ergebnis wird die Anfangsposition (der Startpunkt) des kippbaren Nockens 24 verlagert oder verschoben, so dass der kippbare Nocken selbst in eine Richtung geneigt wird, dass sich der Nockenoberflächenabschnitt des kippbaren Nockens 24 von dem Einlassventilheber 1c wegbewegt. Mit dem nach obern verschobenen Kipphebelarm 28 wird, wenn der kippbare Nocken 24 während der Drehung der Antriebswelle 23 oszilliert, der Basiskreisoberflächenabschnitt in Kontakt mit dem Einlassventilheber 1c für einen vergleichsweise langen Zeitraum gehalten. Mit anderen Worten, ein Zeitraum, innerhalb dessen der Nockenoberflächenabschnitt in Kontakt mit dem Einlassventilheber 1c ist, wird kurz. Als eine Folge wird der Ventilhub klein. Zusätzlich wird ein angehobener Zeitraum (das heißt ein Arbeitswinkel) von dem Einlassventilöffnungszeitpunkt (IVO) zu dem Einlassventilschließzeitpunkt (IVC) reduziert.
Umgekehrt verschiebt sich der Kipphebelarm 28 als ein Ganzes, wenn die Winkelposition des zweiten Exzenternockens 27 von der zweiten Winkelposition verschoben wird, da die Achse des zweiten Exzenternockens 27 unmittelbar oberhalb der Achse der Steuerungswelle 26 angeordnet ist, zu der ersten Winkelposition, da die Achse des zweiten Exzenternockens 27 unmittelbar unter der Achse der Steuerungswelle 26 angeordnet ist, nach unten. Als ein Ergebnis wird die Anfangsposition (der Startpunkt) des kippbaren Nockens 24 verlagert oder verschoben, so dass der kippbare Nocken selbst in eine Richtung geneigt wird, da deren Nockenoberflächenabschnitt des kippbaren Nockens 24 sich in eine Richtung zu dem Einlassventilheber 1c bewegt. Mit dem abwärts verschobenen Kipphebelarm 28 wird, wenn der kippbare Nocken 24 während der Drehung der Antriebswelle 23 oszilliert, ein Abschnitt, der in Kontakt mit dem Einlassventilheber 1c gebracht ist, etwas von dem Basiskreisoberflächenabschnitt zu dem Nockenoberflächenabschnitt verschoben. Als eine Folge wird der Ventilhub groß. Zusätzlich wird ein angehobener Zeitraum (das heißt ein Arbeitswinkel) von dem Einlassventilöffnungszeitpunkt (IVO) zu dem Einlassventilschließzweitpunkt (IVC) erweitert. Die Winkelposition des zweiten Exzenternockens 27 kann innerhalb vorbestimmter Grenzen mittels des hydraulischen Betätigers 21 kontinuierlich verändert werden und somit können die Ventilhubcharakteristika (der Ventilhub und der Arbeitswinkel) auch kontinuierlich verändert werden, wie in der 5 gezeigt. Wie aus den veränderbaren Ventilhubcharakteristika der 5 gesehen werden kann, kann die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 sowohl den Ventilhub, als auch den Arbeitswinkel kontinuierlich gleichzeitig verkleinern oder vergrößern. Wie eindeutig in der 5 gesehen, variieren in der veränderbaren Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20, die in dem hin- und hergehenden Motor des Ausführungsbeispieles enthalten sind, der Einlassventilöffnungszeitpunkt IVO und der Einlassventilschließzeitpunkt IVC mit einander symmetrisch in Übereinstimmung mit einer Veränderung in dem Ventilhub und einer Veränderung in dem Arbeitswinkel.
Die zuvor vorgestellte veränderbare Einlassventilhub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 hat die folgenden Vorteile.
Erstens ist der kippbare Nocken 24, der in der Lage ist, den Einlassventilheber 1c direkt zu drücken, auf der Einlassventilantriebswelle 23, die mit der Drehung der Kurbelwelle 8 synchron gedreht wird, koaxial angeordnet. Die Anordnung zwischen der Einlassventilantriebswelle 23 und dem kippbaren Nocken 24 ist einer herkömmlich direkt angetriebenen Ventilbetätigungsvorrichtung ähnlich, da ein Ventilheber mittels eines feststehenden Nockens, der als ein einstückiger Abschnitt auf der Nockenwelle gebildet ist, direkt angetrieben wird. Somit ist die Anordnung zwischen der Einlassventilantriebswelle 23 und dem kippbaren Nocken 24 in Bezug auf die Kompaktheit und die verbesserten Drehzahlgrenzen vorteilhaft. Zusätzlich beseitigt die koaxiale Anordnung der Antriebswelle 23 und des kippbaren Nockens 24 das Problem der axialen Fehlausrichtung zwischen der Achse der Antriebswelle 23 und der Achse des kippbaren Nockens 24. Dies verbessert die Steuerungsgenauigkeit. Zweitens ist, wie aus dem Lagerabschnitt zwischen der Nockenoberfläche des ersten Exzenternockens 25 und der inneren Umfangswandoberfläche der ersten Verbindung 29 und dem Lagerabschnitt zwischen der Nockenoberfläche des zweiten Exzenternockens 27 und der inneren Umfangswandoberfläche des im Wesentlichen ringförmigen Zentralabschnittes des Kipphebelarmes 28 gesehen werden kann, der erste Exzenternocken 25 mit der ersten Verbindung 29 in Wandkontakt und zusätzlich ist der zweite Exzenternocken 27 mit dem Kipphebelarm 28 in Wandkontakt. Solch ein Wandkontaktaufbau wird in nahezu allen Verbindungsabschnitten der Bauteile angewandt, die die Mehrfach-Koppelungsverbindung bilden. Der Wandkontakt ist im Hinblick auf eine gute Schmierung überlegen. Außerdem verwendet eine veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 kaum eine Vorspanneinrichtung, zum Beispiel eine Rückholfeder, was somit die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit verbessert.
Wie aus dem Querschnitt der 2 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eingeschätzt werden kann, werden die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 und die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 (die später beschrieben wird) nicht auf der Auslassventilseite angewandt. Im Gegensatz zu der Einlassventilseite wird, wie aus den oberen linken Abschnitten der 1 und 2 gesehen, auf der Auslassventilseite die herkömmliche direkt angetriebene Ventilbetätigungsvorrichtung der Auslassventilheber 2c direkt mittels eines feststehenden Nockens 15, der als ein einstückiger Abschnitt auf der Auslassventil-Nockenwelle gebildet ist (Auslassventil-Antriebswelle 14), und der in der Konstruktion einfach ist, verwendet.
Nunmehr in Bezug auf die 6 ist ein Beispiel einer veränderbaren Phasensteuerungsvorrichtung 40 gezeigt. Wie aus dem Querschnitt der 6 eingeschätzt werden kann, ist die veränderbare Ventilzeitpunkt-Steuerungsvorrichtung vom Schräg-Passfeder-Typ verwendet, um fortwährend eine Phase des Zentralwinkels φ des Arbeitswinkels des Einlassventils 1 in Bezug auf die Kurbelwelle 8 zu verändern. Wie in der 6 bestens gesehen werden kann, ist eine Einlassventil-Nockenriemenscheibe 43 koaxial auf dem Außenumfang der Einlassventil-Antriebswelle 23 installiert. Obwohl es in den 2 und 3 nicht eindeutig gezeigt ist, ist eine Auslassventil-Nockenriemenscheibe mit nahezu demselben Außendurchmesser, wie die Einlassventil-Nockenriemenscheibe 43 koaxial auf dem Außenumfang der Auslassventil-Antriebswelle 14, die parallel zu der Einlassventil-Antriebswelle 23 angeordnet ist, installiert. Für die Kraftübertragung von der Kurbelwelle 8 auf sowohl die Einlassventil-Antriebswelle 23, als auch auf die Auslassventil-Antriebswelle 14 ist ein Zahnflachriemen rund um die Einlassventil-Nockenriemenschreibe, die Auslassventil-Nockenriemenscheibe und eine Kurbelriemenscheibe (nicht gezeigt), die fest mit einem Ende der Kurbelwelle 8 verbunden ist, gewickelt. Ein Riemenantrieb gestattet der Einlassventilantriebswelle 23 und der Auslassventil-Antriebswelle 14, sich synchron mit der Drehung der Kurbelwelle zu drehen. Im Wesentlichen dreht sich synchron mit der Drehung der Kurbelwelle 8 jede der Einlassventilantriebswelle 23 und der Auslassventil-Antriebswelle 14 um ihre Achse mit einer halben Drehzahl der Kurbelwelle 8. Die Einlassventil- und die Auslassventil-Nockenkettenräder, ein Kurbelkettenrad und eine Steuerungskette können für die Kraftübertragung anstelle des Verwendens der Einlassventil- und der Auslassventil-Nockenriemenscheiben, der Kurbelriemenscheibe und des Zahnflachriemens verwendet werden. Wie in der 6 gezeigt, besteht die veränderbare Ventilzeitpunkt-Steuerungsvorrichtung (die als eine veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 dient) aus einem Antriebszahnradabschnitt 44, einem Abtriebszahnradabschnitt 45, einem zylindrischen Plunger (einem Schrägringzahnrad) 46 und aus einer Hydraulikkammer 41. Der Antriebszahnradabschnitt 44 ist mit dem Innenumfang der Einlassventilnockenriemenscheibe 43 einstückig gebildet oder einstückig verbunden, um gemeinsam mit der Einlassventil-Nockenriemenscheibe zu drehen. Der angetriebene Zahnradabschnitt 45 ist mit dem Außenumfang der Einlassventil-Antriebswelle 23 einstückig gebildet oder einstückig verbunden, um gemeinsam mit der Einlassventil-Antriebswelle zu drehen. Der zylindrische Plunger (das Schrägringzahnrad) 46 hat innere und äußere schräg verzahnte Abschnitte, die jeweils mit einem äußeren schräg verzahnten Abschnitt des angetriebenen Zahnradabschnittes 45 und einem inneren schräg verzahnten Abschnitt des Antriebszahnradabschnittes 44 im Kämmeingriff sind. Die Hydraulikkammer 41 wendet sich dem äußersten linken Ende (gesehen in der 6) des Plungers 46 zu, so dass der Plunger axial nach rechts gegen die Federvorspannung der Rückholfeder 48 durch Verändern des hydraulischen Druckes in der Hydraulikkammer 41 über das zweite hydraulische Steuerungsmodul 42 gedrückt wird. Der auf die Hydraulikkammer 41 aufgebrachte hydraulische Druck wird mittels des zweiten hydraulischen Steuerungsmoduls 42 (einem hydraulischen Phasensteuerungsmodulator), der in Abhängigkeit von einem Steuerungssignal aus der ECU 11 ist, geregelt oder moduliert. Die axiale Bewegung des Plungers 46 verändert eine Phase der Einlassventil-Nockenriemenscheibe 43 relativ zu der Einlassventil-Antriebswelle 23. Die relative Drehung der Antriebswelle 23 zu der Nockenriemenscheibe 43 in einer Drehrichtung führt zu einer Phasenvorverschiebung an dem maximalen Einlassventilhubpunkt (bei dem Zentralwinkel φ). Die relative Drehung der Antriebswelle 23 zu der Nockenriemenscheibe 43 in der entgegengesetzten Drehrichtung führt zu einer Phasenverzögerung an dem maximalen Einlassventilhubpunkt. Wie aus den Phasenveränderungs-Charakteristikkurven, die in der 7 gezeigt sind, eingeschätzt werden kann, wird nur die Phase des Arbeitswinkels (das heißt die Winkelphase bei dem Zentralwinkel φ) bei keiner Veränderung des Ventilhubs und keiner Veränderung des Arbeitswinkels vorverschoben (siehe die Charakteristikkurve eines Zentralwinkels φ₁ der 7) oder verzögert (siehe die Charakteristikkurve eines Zentralwinkels φ₂ der 7). Die relative Winkelposition der Antriebswelle 23 zu der Nockenriemenscheibe 43 kann kontinuierlich innerhalb vorbestimmter Grenzen mittels des zweiten hydraulischen Steuerungsmoduls 42 verändert werden und somit verändert sich auch die Winkelphase an dem Zentralwinkel φ kontinuierlich. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist jeder von dem Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsbetätiger und von dem Phasensteuerungsbetätiger als ein hydraulischer Betätiger aufgebaut. Anstelle des Verwendens des hydraulischen Betätigers kann der Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsbetätiger und der Phasensteuerungsbetätiger als elektromagnetisch gesteuerter Betätiger aufgebaut sein. Für die veränderbare Hub- und Arbeitswinkelsteuerung und die veränderbare Phasensteuerung kann ein erster Sensor, der einen Ventilhub und einen Arbeitswinkel erfasst, und ein zweiter Sensor, der eine Winkelphase an dem Zentralwinkel φ erfasst, hinzugefügt werden und die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 und die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 können auf der Grundlage von Signalen von den ersten und zweiten Sensoren in einem „geschlossenen Schleifen" modus jeweils rückgekoppelt gesteuert werden. Anstelle dessen können die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 und die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 lediglich in Abhängigkeit von den Motor-/Fahrzeugbetriebsbedingungen in einem „offenen Schleifen" modus vorwärts Folge- gesteuert werden.
Wie zuvor diskutiert, wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 in Kombination mit der veränderbaren Phasensteuerungsvorrichtung 40 verwendet und demzufolge ist es möglich, den gesamten Ventilhub, den Arbeitswinkel und die Phase des Zentralwinkels Φ des Arbeitswinkels des Einlassventiles 1 kontinuierlich zu variieren. Zusätzlich ist es möglich, den Einlassventil-Öffnungszeitpunkt IVO und den Einlassventil-Schließzeitpunkt IVC unabhängig voneinander einzustellen, um eine hochpräzise Einlassventil-Hubcharakteristiksteuerung sicherzustellen, mit anderen Worten, um eine hochpräzise Einlassluftmengensteuerung auf der Einlassventilseite zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu verwendet die Auslassventilseite die herkömmlich direkt angetriebene Ventilbetätigungsvorrichtung, wobei der Auslassventilheber 2c direkt mittels von feststehenden Nocken 15, die als einstückiger Abschnitt der Auslassventil-Antriebswelle 14 gebildet sind, angetrieben werden. Im Vergleich mit der Einlassventilbetätigungsvorrichtung, die einen etwas komplizierteren Aufbau hat, ist die Auslassventilbetätigungsvorrichtung einfach.
Zurückkehrend auf die 2 wird nachstehend der Aufbau der veränderbaren Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 ausführlich beschrieben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 durch eine Kolbenkurbelvorrichtung vom Mehrfach-Kopplungs-Typ, oder einer veränderbaren Verdichtungsverhältnisvorrichtung vom Mehrfach-Kopplungs-Typ aufgebaut. Eine Verbindung der veränderbaren Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 ist aus drei Verbindungen zusammengesetzt, nämlich einer oberen Verbindung 62, einer unteren Verbindung 63 und einer Steuerungsverbindung 71. Ein Ende der oberen Verbindung 62 ist über einen Kolbenbolzen 6a mit dem hin- und hergehenden Kolben 6 verbunden. Die untere Verbindung 63 ist oszillierend verbunden oder mit dem anderen Ende der oberen Verbindung über einen ersten Verbindungsbolzen 64 verbunden. Die untere Verbindung 63 ist auch mit einem Kurbelbolzen 8a der Motorkurbelwelle 8 verbunden an oder drehbar angesetzt. Wie in der 2 gesehen werden kann, hat vom Gesichtspunkt der Zeit, die bei der Installation eingespart wird, die untere Verbindung 63 einen halb geteilten Aufbau. Eine Kolbenhub-Charakteristik-Steuerungswelle (einfach ausgedrückt, eine Kolbensteuerungswelle) 65 ist auch in einer Weise vorgesehen, um sich im Wesentlichen parallel zu der Kurbelwelle 8 in der Richtung der Zylinderreihe zu erstrecken. Die Kolbensteuerwelle 65 ist an dem Zylinderblock 4 mittels einer Hauptlagerkappe 9 und einer Unterlagerkappe 67 drehbar gelagert oder montiert. Die Steuerungsverbindung 71 ist an einem Ende mit der Kolbensteuerwelle 65 oszillierend verbunden. Die Steuerverbindung 71 ist an dem anderen Ende mit der unteren Verbindung 63 über einen zweiten Verbindungsbolzen 72 oszillierend verbunden, um den Freiheitsgrad der unteren Verbindung zu begrenzen. Die Kolbensteuerungswelle 65 ist mit einer Mehrzahl von Bolzenlagern oder Exzenterzapfenabschnitten gebildet, wobei jede von denen für jeden Motorzylinder gebildet ist und durch ein Lager (nicht gezeigt), das an dem unteren Ende der Steuerverbindung 71 vorgesehen ist, drehbar gelagert ist. Eine Drehmitte P1 von jedem Bolzenzapfen ist zu einer Drehmitte P2 der Kolbensteuerwelle 65 um eine vorbestimmte Exzentrizität exzentrisch. Die Drehmitte P1 des Bolzenzapfens dient als eine Mitte der oszillierenden Bewegung der Steuerverbindung 71, die um die Drehmitte P2 der Kolbensteuerwelle 65 oszilliert. Wie aus der 2 erkannt werden kann, verändert sich die Drehmitte P1 der oszillierenden Bewegung der Steuerverbindung 71 infolge der Drehbewegung der Kolbensteuerungswelle 65. Als ein Ergebnis kann zumindest eines von dem oberen Totpunkt (TDC) oder dem unteren Totpunkt (BDC) verändert werden und somit kann die Kolbenhub-Charakteristik variiert werden. Das heißt, es ist möglich, das geometrische Verdichtungsverhältnis ε, gebildet als ein Verhältnis (V₁ + V₂)/V₁ des Gesamtvolumens (V₁ + V₂), das innerhalb des Motorzylinders und der Brennkammer mit dem Kolben an dem BDC mit dem Abstandsraumvolumen (V₁), mit dem Kolben an dem TDC vorhanden ist, durch Variieren der Mitte P1 der oszillierenden Bewegung der Steuerverbindung 71, zu erhöhen oder zu vermindern. Mit anderen Worten, das Verändern oder Verschieben der Mitte der Drehbewegung der Steuerverbindung 71 veranlasst die Stellung der unteren Verbindung 63 sich zu verändern, um dadurch zumindest eine von der TDC-Position oder der BDC-Position des hin- und hergehenden Kolben 6 zu verändern und demzufolge das geometrische Verdichtungsverhältnis ε des Motors zu verändern. Die zuvor erwähnte Kolbensteuerungswelle 65 wird mittels eines elektronisch gesteuerten Kolbenhub-Charakteristiksteuerungsbetätigers 61, zum Beispiel eines Elektromotors, angetrieben. Wie in der 2 gesehen, ist ein Schneckengetriebe 68 mit der Ausgangswelle des Betätigers 61 verbunden, während ein Schneckenrad 69 mit der Kolbensteuerungswelle 65 fest verbunden ist, so dass das Schneckenrad in Bezug auf die Achse der Kolbensteuerungswelle 65 koaxial angeordnet ist. Der Betätiger 61 wird in Abhängigkeit von einem Steuerungssignal von der ECU 11 in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen gesteuert und somit kann die Mitte der oszillierenden Bewegung der Steuerungsverbindung 71 variiert werden. Für die veränderbare Kolbenhub-Charakteristiksteuerung kann ein Kolbenhubsensor, der einen Kolbenhub des hin- und hergehenden Kolbens 6 erfasst, hinzugefügt werden und die veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 kann auf der Grundlage eines Signals von dem Kolbenhubsensor in einem „geschlossenen Schleifen" modus rückgekoppelt gesteuert werden. Alternativ kann eine veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 lediglich in Abhängigkeit von den Motor-/Fahrzeugbetriebsbedingungen in einem „offenen Schleifen" modus Folge- gesteuert vorwärts gesteuert werden. Die veränderbare Kolbenhub-Charakteristiksteuerungsvorrichtung 60 kann das Verdichtungsverhältnis kontinuierlich variieren und die Kolbenhub-Charakteristik selbst optimieren. Zusätzlich ist anstelle der verbindenden Steuerungsverbindung 71 mit der oberen Verbindung 62 die Steuerungsverbindung 61 tatsächlich mit der unteren Verbindung 63 verbunden. Demzufolge kann die Kolbensteuerungswelle 65, die mit der Steuerungsverbindung 71 verbunden ist, innerhalb der unteren rechten Ecke (einem vergleichsweise breitem Raum) des Kurbelgehäuses angeordnet werden, mit anderen Worten, in dem inneren Raum der Ölwanne 10. Dies ist in Bezug auf die Erleichterung der Zusammenbauarbeit vorteilhaft. Dies hindert auch den Zylinderblock daran, nicht unerwünscht in der Abmessung infolge des Zusatzes der veränderbaren Kolbehub-Charakteristikvorrichtung 60 vergrößert zu werden.
Nunmehr in Bezug auf die 8 sind dort die vorbestimmten oder vorprogrammierten Charakteristikkurven für das Verdichtungsverhältnis ε gezeigt, die mittels der veränderbaren Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen (zum Beispiel von einer Motorlast oder von einer Motordrehzahl) der hin- und hergehenden Brennkraftmaschine mit Funkenzündung gezeigt, die eine veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20, eine veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 und eine veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 miteinander kombiniert verwendet. Wie aus den vorprogrammierten Charakteristik kurven der 8 gesehen werden kann, kann die Steuerungscharakteristik des Verdichtungsverhältnisses ε nur durch eine Veränderung im Gesamtvolumen (V₁ + V₂), das innerhalb des Motorzylinders und der Brennkammer bei dem Kolben an dem BDC vorhanden ist, dessen Volumenveränderung infolge der Veränderung im Kolbenhub in der Kolbenhub-Charakteristik auftritt, die durch die veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 gesteuert oder bestimmt werden kann, gebildet werden. Andererseits wird ein effektives Verdichtungsverhältnis ε', das zu dem geometrischen Verdichtungsverhältnis ε korreliert, und als ein Verhältnis des effektiven Zylindervolumens entsprechend des maximalen Arbeitsmediumvolumens zu dem effektiven Spaltvolumen entsprechend zu dem minimalen Arbeitsmediumvolumen gebildet wird, in Abhängigkeit von dem Einlassventilöffnungszeitpunkt (IVO) und dem Einlassventilschließzeitpunkt (IVC), die in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen sind, bestimmt, das heißt beim Leerlauf, bei einer Teillast, deren Zustand oft als „R/L (Straße/Last)" abgekürzt wird, die im Wesentlichen einem Viertel der Drosselöffnung entspricht, bei der Beschleunigung bei voller Drossel und niedriger Drehzahl und bei voller Drossel und hoher Drehzahl (siehe 9) bestimmt.
Wie in der 9 gezeigt, wird in dem Leerlaufzustand ➀ und bei der Teillastbedingung ➁ jeder von dem Ventilhub und von dem Arbeitswinkel des Einlassventiles auf einen vergleichsweise kleinen Wert gesteuert. Andererseits ist der Einlassventilschließzeitpunkt (IVC) auf einen beträchtlich früheren Punkt vor dem unteren Totpunkt (BBDC) Phasen- vorverschoben. Infolge dessen, dass der IVC beträchtlich vorverschoben ist, ist es möglich, den Pumpverlust beträchtlich zu reduzieren. Zu dieser Zeit tendiert in der Annahme, dass das Verdichtungsverhältnis ε feststehend gehalten wird, das effektive Verdichtungsverhältnis ε' dazu, sich zu reduzieren. Das reduzierte effektive Verdichtungsverhältnis verschlechtert die Qualität der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in dem Motorzylinder. Demzufolge wird in solch einem Niedriglast-Motorbereich (in einem kleinen Motordrehmomentbereich), zum Beispiel unter der Leerlaufbedingung ➀ und unter der Teillastbedingung ➁, wie aus den Motorbetriebsbedingungen (der Motordrehzahl und der Last) versus Verdichtungsverhältnis-Charakteristikkennlinien der 8 erkannt werden kann, das Verdichtungsverhältnis ε auf ein höheres Verdichtungsverhältnis festgelegt oder eingestellt.
Während des Beschleunigungszustandes ➂ wird, um die Ladungseffektivität der Einlassluft zu verstärken, der Ventilhub des Einlassventiles 1 auf einen vergleichsweise großen Wert gesteuert und auch der Ventilüberlappungszeitraum wird erhöht. Wenn mit dem Leerlaufzustand ➀ und dem Teillastzustand ➁ verglichen wird, ist der IVC bei dem Beschleunigungszustand ➂ enger an dem BDC, aber etwas Phasen- vorverschoben auf einen früheren Punkt vor dem BDC. Unter der Beschleunigungsbedingung ➂ wird als eine Tatsache die Drosselöffnung im Vergleich mit den beiden Motorbetriebsbedingungen ➀ und ➁ erhöht. Andererseits wird das Verdichtungsverhältnis ε auf ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis als bei der Leichtlastbedingung ➁ festgelegt oder eingestellt. Das abnehmend kompensierte Verdichtungsverhältnis ist notwendig, um ein Auftreten des Verbrennungsklopfens in dem Motor zu verhindern.
Unter der vollen Drossel und Niedrigdrehzahlbedingung ➃ oder unter der vollen Drossel und Hochdrehzahlbedingung ➄ wird, um die maximale Einlassluftmenge zu erzeugen, das effektive Verdichtungsverhältnis ε' auf ein höheres effektives Verdichtungsverhältnis als die zuvor genannten drei Motorbetriebsbedingungen ➀, ➁ und ➂ gesteuert. Demzufolge wird unter der vollen Drossel und Niedrigdrehzahlbedingung das Verdichtungsverhältnis ε, dass durch die gesteuerte Kolbenhub-Charakteristik bestimmt wird, auf ein niedriges Verdichtungsverhältnis festgelegt, das im Wesentlichen zu dem eines herkömmlichen feststehenden Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine identisch ist. Im Gegensatz zu dem zuvor Ausgeführten wird unter der vollen Drosselung und unter Hochdrehzahlbedingung die Verbrennung vervollständigt, bevor sich eine chemische Reaktion für Peroxyd (einer der Faktoren, die das Verbrennungsklopfen beeinflussen) entwickelt, und somit wird das Verdichtungsverhältnis ε, das durch die gesteuerte Kolbenhub-Charakteristik bestimmt wird, auf ein höheres Verdichtungsverhältnis, als das unter der vollen Drossel-Niedrigdrehzahlbedingung festgelegt. Infolge des Festlegens auf ein höheres Verdichtungsverhältnis wird ein Expansionsverhältnis hoch und somit wird die Auslasstemperatur auch geeignet vermindert, um dadurch zu verhindern, dass der Katalysator, der in einem katalytischen Konverter verwendet wird, unerwünscht verschlechtert wird. Tatsächlich werden, um die zuvor erwähnten Parameter zu optimieren, nämlich den Einlassventilhub, den Einlassventilarbeitswinkel, den Einlassventilzentralwinkel φ und das Verdichtungsverhältnis ε, bestimmt durch die gesteuerte Kolbenhub-Charakteristik bei verschiedenen Motor-/Fahrzeugbetriebsbedingungen, zum Beispiel der Motordrehzahl und der Motorlast, diese Parameter (der Hub, der Arbeitswinke φ, ε) in Abhängigkeit von vorbestimmten oder vorprogrammierten Charakteristikplänen gebildet. Andererseits wird der Zündzeitpunkt mittels des elektronischen Zündzeitpunktsteuerungssystems 13 gesteuert, das ein Signal von dem Drosselöffnungssensor oder dem Beschleunigungsöffnungssensor verwendet, um den Zündzeitpunkt für die Motorbetriebsbedingungen zu optimieren. Insbesondere wenn ein Klopfzustand erfasst wird, wird der Zündzeitpunkt mittels des Zündzeitpunktsteuerungssystems 13 verzögert.
Zurückkehrend auf die 1 (auf einen Einzel-Verbindungs-Typ) und 2 (einen Mehrfach-Koppel-Typ) wird nachstehend eine wesentliche Verbindung und eine Ventilbetriebs-Vorrichtungsanordnung des Ausführungsbeispieles ausführlich beschrieben.
Wie bestens in der 1 gesehen werden kann, ist in dem hin- und hergehenden Motor des Ausführungsbeispieles die Kurbelwellenachse 8A von der Zylindermittellinie L0 um einen vorbestimmten Kurbelwellenversatz ΔD0 in einer ersten Richtung (nachstehend als „Einlassventilrichtung F1"), die zu sowohl der Zylindermittellinie L0 und der Kurbelwellenachse 8A rechtwinklig ist, versetzt. Eine Achse 23A (die der Mitte der oszillierenden Bewegung des kippbaren Nockens 24 entspricht) der Einlassventilantriebswelle 23 ist von einer Mittellinie 1d des Einlassventilschaftes 1a in Richtung der Einlassventilseite (in Richtung des Einlassventil F1) um einen vorbestimmten kippbaren Nockenversatz ΔD5 (siehe 11) versetzt. Im Gegensatz dazu liegt auf der Auslassventilseite eine Achse 14A (die der Drehmitte des feststehenden Nockens 15 entspricht) der Auslassventil-Nockenwelle (Auslassventil-Antriebswelle 14) auf der Verlängerung der Mittellinie 2d des Auslassventilschaftes 2a. Als eine Konsequenz wird ein Versatz ΔD2 der Achse 23A der Einlassventilantriebswelle 23 von der Zylindermittellinie L0 so dimensioniert, um größer als ein Versatz ΔD1 der Achse 14A der Auslassventil-Antriebswelle 14 von der Zylindermittelinie L0 zu sein, das heißt ΔD2 > ΔD1. Zusätzlich ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um eine vorbestimmte Anordnung (das heißt, eine im Wesentliche symmetrische Anordnung) zwischen der Einlassventil-Antriebswellenachse 23A und der Auslassventil-Antriebswellenachse 14A in Bezug auf eine Kurbelreferenzlinie L1, parallel zu der Zylindermittellinie L0 und die durch die Kurbelwelle 8A hindurchgeht, zu realisieren oder zu erhalten, der zuvor erwähnte vorbestimmte kippbare Nockenversatz ΔD5 (siehe 11) so bemessen, um im Wesentlichen zweimal größer als der zuvor erwähnte vorbestimmte Kurbelwellenversatz ΔD0 zu sein, das heißt ΔD5 ≡ ΔD0. Demzufolge können, obwohl nur die Einlassventil-Antriebswellenachse 23A der Einlassventilseite von der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d versetzt ist, die Einlassventil-Antriebswellenachse 23A und die Auslassventil-Antriebswellenachse 14A in einer vorbestimmten Positionsbeziehung (zum Beispiel sind diese Antriebswellenachsen 23A und 14A im Wesentlichen in Bezug auf die Kurbelreferenzlinie L1 symmetrisch) in einer ähnlichen Weise, wie die herkömmlich direkt angetriebene Ventilbetätigungsvorrichtung, dazwischen angeordnet werden, da ein Ventilheber mittels eines feststehenden Nockens, der als ein einstückiger Abschnitt auf einer Nockenwelle gebildet ist, direkt angetrieben wird. Aus den zuvor fortgesetzten Gründen kann die Anordnung des Ausführungsbeispieles des hin- und hergehenden Motors, der mit dem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, leicht in dem herkömmlichen hin- und hergehenden Motor, der mit einer direkt angetriebenen Ventilbetätigungsvorrichtung ausgerüstet ist, verwendet werden, da ein Ventilheber mittels eines feststehenden Nockens, der als ein einstückiger Abschnitt der Nockenwelle gebildet ist, direkt angetrieben wird, ohne großartig die Anordnung des Kraftantriebssystems des vorderen Endes des Motors, an dem eine Nockenriemenscheibe ein Nockenkettenrad und dergleichen installiert sind, zu verändern und die Geometrie und die Abmessungen zwischen der Motorventilantriebswelle und der Kurbelwelle können beibehalten werden. Mit anderen Worten, die Anordnung des Ausführungsbeispieles des hin- und hergehende Motors, der mit einem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, kann in dem herkömmlich hin- und hergehenden Motor, der mit einer direkt angetriebenen Ventilbetätigungsvorrichtung ausgerüstet ist, mittels einer vergleichsweise leichten Veränderung in der Anordnung für die Form des Inneren von jedem Zylinderkopfes 3 und des Zylinderblockes 4 leicht angewandt werden. Die praktische Anwendbarkeit der verbesserten Anordnung des Ausführungsbeispieles ist hoch.
Zusätzlich zu dem oben genannten ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Kurbelwellenachse 8A von der Zylindermittellinie L0 in die Richtung zu der Einlassventilseite um einen vorbestimmten Kurbelwellenversatz ΔD0 in der Richtung des Einlassventils F1 versetzt. Mit anderen Worten, die Zylindermittellinie L0 ist von der Kurbelwellenachse 8A um einen vorbestimmten Kurbelwellenversatz ΔD0 in der Auslassventilrichtung F2, die zu der Einlassventilrichtung F1 gegenüberliegend ist, versetzt. Das heißt strukturell sind die Teile des Motorgerüstaufbaues, zum Beispiel ein Zylinderkopf 3 und ein Zylinderblock 4, bestimmt, um in der Auslassventilrichtung F2 in Bezug zu der Kurbelwelle 8 versetzt zu sein. Somit ist es möglich, einen Motoraußenraum der Einlassventilseite zu verbreitern, dessen Temperatur relativ niedrig ist und in der ein Luftfilter und eine Luftkompressor, die aus synthetischen Materialien hergestellt werden, oft installiert sind. Dies erleichtert die Leichtigkeit der Installation von solchen Bauteilen an dem Motorkörper.
Nunmehr in Bezug auf die 10A und 10B sind Darstellungen im Teilquerschnitt gezeigt, die den Sinn (oder die Richtung) von dem Versatz der Einlassventilantriebswelle von der Einlassventil-Schaftmittellinie und die Differenzen des Betriebs und der Wirkung zwischen der ausgerichteten Anordnung des ersten Vergleichsbeispieles und der Versetzanordnung des Ausführungsbeispieles zeigen. In der ausgerichteten Anordnung des ersten Vergleichsbeispieles, das in der 10A gezeigt ist, in dem die Einlassventil-Antriebswellenachse 23A ausgerichtet ist mit und in der Verlängerung der Mittellinie 1d des Einlassventilschaftes 1a liegt, wie von der axialen Richtung der Kur belwelle gesehen, tendiert die tatsächliche Kontaktfläche zwischen dem kippbaren Nocken 24 und dem Einlassventilheber 1c dazu, bemerkenswert von der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d versetzt zu sein und auf einer im Wesentlichen linken Hälfte der Kontaktfläche ΔS begrenzt zu sein (gesehen in der 10A). Wie zuvor bereits diskutiert, ist in dem Fall des exzentrischen Kontakts, da die tatsächliche Kontaktfläche auf eine sehr begrenzte Kontaktzone begrenzt ist, geringer als oder gleich zu der zuvor erwähnten Kontaktfläche ΔS, wobei die variable Breite (oder das variable Band) des Ventilhubs und die Arbeitswinkelcharakteristik tendiert zusammengezogen oder reduziert zu werden. Zusätzlich verursacht der exzentrische Kontakt den Seitendruck, der auf den Einlassventilheber wirkt, sich zu erhöhen. Zusätzlich ist im Gegensatz zu dem oben Ausgeführten in dem Fall der Versatzanordnung des in der 10B gezeigten Ausführungsbeispieles, in dem die Einlassventil-Antriebswellenachse 23A von der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d in die Richtung zu der Einlassventilseite um einen vorbestimmten kippbaren Nockenversatz ΔD5 versetzt ist (siehe 11), wie von der axialen Richtung der Kurbelwelle gesehen, während eines Anhebzeitraumes, da sich der kippbare Nocken in die Richtung zu dem maximalen Ventilhubpunkt dreht und somit sich die Öffnung des Einlassventiles erhöht, der kippbare Nocken angeordnet und geometrisch so bemessen, dass der Nockennasenabschnitt 24a des kippbaren Nockens 24 sich in der Einlassventilrichtung F1 dreht, die einer Versetzrichtung der Einlassventil-Antriebswellenachse 23A entspricht. Das heißt während des Anhebzeitraumes wird eine Drehrichtung des Nockennasenabschnittes 24a gebildet, um zu der Einlassventilrichtung F1 identisch zu sein. Mittels solch eines optimalen Versatzeinstellens der Einlassventil-Antriebswellenachse 23A (die der Mitte der oszillierenden Bewegung des kippbaren Nockens 24 entspricht) ist es möglich, den Nockenkontakt zwischen dem kippbaren Nocken 24 und dem Einlassventilheber 1c innerhalb eines breiten Bereiches der Kontaktfläche, die von der linken Seitenkontaktfläche über die Einlassventil-Schaftmittellinie zu der rechten Seitenkontaktfläche reicht, zu realisieren. Infolge des breiten Bereiches der Kontaktfläche sichert die Versatzanordnung des Ausführungsbeispieles von 10B eine größere variable Breite des Ventilhubes und der Arbeitswinkelcharakteristik als die ausgerichtete Anordnung des ersten Vergleichsbeispieles von 10A. Die linke Seitenkontaktfläche und die rechte Seitenkontaktfläche sind im Wesentlichen in Bezug auf die Einlassventil-Schaftmittellinie 1d symmetrisch und gleichmäßig angeordnet. Dies reduziert den Seitendruck, der auf den Einlassventilheber wirkt. Vom Gesichtspunkt des reduzierten Seitendrucks und der breiteren variableren Breite des Ventilhubs und der Arbeitswinkelcharakteristik ist es in dem hin- und hergehenden Motor, der mit dem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, wünschenswert, dass die Einlassventil-Antriebswellenachse 23A (die der Mitte der oszillierenden Bewegung des kippbaren Nockens 24 entspricht) von der Einlassventil Schaftmittellinie 1d um einen vorbestimmten kippbaren Nockenversatz ΔD5 versetzt ist.
Wie in der 11 gesehen, ist der Mittenabstand zwischen der Einlassventilantriebswelle 23 und der Auslassventil-Antriebswelle 14 durch die Größe oder die Abmessungen (die den Außendurchmesser enthalten) der Einlassventilnockenriemenscheibe 43 (oder des Einlassventilnockenkettenrades) und die Größe oder Abmessungen (die den Außendurchmesser enthalten) der Auslassventilnockenriemenscheibe (oder des Auslassventilnockenkettenrades) eingeschränkt oder begrenzt. Zum Bespiel ist der Mittelabstand zwischen der Einlassventilantriebswelle 23 und der Auslassventil-Antriebswelle 14 auf einen Wert eingeschränkt, der größer als ein vorbestimmter minimaler Mittelabstand S1 ist. Mit anderen Worten, in dem Fall, dass der Mittelabstand auf einen Wert geringer als ein vorbestimmter minimaler Mittelabstand S1 ausgelegt oder festgelegt werden soll, muss gewöhnlich das Kraftübertragungssystem des vorderen Endes des Motors, an dem eine Nockenriemenscheibe, ein Nockenkettenrad oder dergleichen montiert ist und das bestimmt ist, um die Antriebskraft von der Kurbelwelle auf jede der Einlass- und Auslassventil-Antriebswellen 23 und 14 zu übertragen, vollständig verändert werden. In dem Fall des zweiten Vergleichsbeispieles (angezeigt durch die gestrichelte Linie in der 11), in dem eine direkt angetriebene Ventilbetätigungsvorrichtung, da ein Ventilheber direkt mittels eines feststehenden Nockens, der als ein einstückiger Abschnitt auf der Nockenwelle gebildet ist, angetrieben wird, auf jede der Einlass- und Auslassventilseiten angewandt wird, liegt eine Einlassventil-Antriebswellenachse 23A' auf der Verlängerung einer Einlassventil-Schaftmittellinie 1d', während eine Auslassventil-Antriebswellenachse 14A' auf der Verlängerung der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d' liegt. Im Gegensatz dazu ist in dem Fall des Ausführungsbeispieles (angezeigt durch die durchgehende Linie in der 11), in dem eine direkt angetriebene Ventilbetätigungsvorrichtung, da ein Ventilheber direkt mittels eines feststehenden Nockens angetrieben wird, der als ein einstückiger Abschnitt einer Nockenwelle auf der Auslassventilseite angewandt wird, und eine Ventilbetätigungsvorrichtung, die mit kippbarem Nocken ausgerüstet ist, auf der Einlassventilseite angewandt wird, die Einlassventil-Antriebswellenachse 23A von der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d in der Richtung zu der Einlassventilseite (in die Richtung der Einlassventilrichtung F1), um den vorbestimmten kippbaren Nockenversatz ΔD5 versetzt, während die Auslassventil-Antriebswellenachse 14A auf der Verlängerung der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d liegt. Demzufolge kann der Winkel α zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d und der Auslassventil- Schaftmittellinie 2d in dem hin- und hergehenden Motor, der mit dem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, des Ausführungsbeispieles (angezeigt durch die durchgehende Linie in der 11) dimensioniert werden, um kleiner als der Winkel α' zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d' und der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d' in dem hin- und hergehenden Motor mit dem nicht kippbaren Nocken des zweiten Vergleichsbeispieles zu sein (angezeigt durch die gestrichelte Linie in der 11), während der gleiche Mittelabstand S1 gesichert wird. Das heißt entsprechend der Anordnung des hin- und hergehenden Motors mit dem kippbaren Nocken des Ausführungsbeispieles ist es möglich, effektiv den Winkel zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie und der Auslassventil-Schaftmittellinie zu reduzieren, ohne den Mittelabstand zu verkürzen. In der Annahme, dass die Anordnung des zweiten Vergleichsbeispieles derart modifiziert ist, dass nur die Einlassventilantriebswelle 23 von der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d in die Richtung zu der Einlassventilseite einfach versetzt ist, tendiert nur die Neigung der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d, in Bezug zu der Zylindermittellinie L0, sich unerwünscht zu erhöhen. Aus den oben fortgesetzten Gründen wird, wenn die Anordnung des zweiten Vergleichsbeispieles derart modifiziert wird, dass ein kippbarer Nocken auf der Einlassventilseite ausgerüstet ist, und die Einlassventilantriebswelle von der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d in der Richtung der Einlassventilseite versetzt ist, entsprechend der verbesserten Anordnung des hin- und hergehenden Motors mit kippbarem Nocken des Ausführungsbeispieles, um für die modifizierte Neigung der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d in Bezug auf die Mittellinie L0, die zu der modifizierten Neigung der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d in Bezug auf die Zylindermittellinie L0 identisch sein soll, die Anordnung des zweiten Vergleichsbeispieles so modifiziert, dass die Einlassventil-Antriebswellenachse 23A und die Auslassventil-Antriebswellenachse 14A von den jeweiligen Originalpositionen (die der Einlassventil-Antriebswellenachse 23A' und der Auslassventil-Antriebswellenachse 14A' des zweiten Vergleichsbeispieles entsprechen) in der selben Richtung oder in der Richtung nach rechts (gesehen in der 11), um den selben Versatz ΔD6 versetzt sind.
Nachstehend wird die Wirkung des verengten Winkels α zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d und der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d in dem hin- und hergehenden Motor, der mit dem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, des Ausführungsbeispieles ausführlich in Bezug auf den Winkel versus S/V-Verhältnis-Kennliniendiagramm, dass in der 12 gezeigt ist, erläutert. Infolge des verengten Winkels α zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d und der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d tendiert ein so genanntes S/V-Verhältnis des Oberflächenbereiches, der sich innerhalb der Brennkammer erstreckt, zu dem Volumen, das innerhalb der Brennkammer vorhanden ist, sich zu reduzieren. Im Wesentlichen wird das reduzierte S/V-Verhältnis auf die verbesserte Form der Brennkammer bezogen. Das heißt, infolge des reduzierten S/V-Verhältnisses ist es möglich, die Motorverbrennungsleistung (zum Beispiel das Vermeiden von Klopfen oder die verstärkte Verbrennungsstabilität) bei einem hohen Verdichtungsverhältnis zu verstärken und die Einlass- und Auslassventile geringer zu bemessen. Andererseits ist der reduzierte Ventildurchmesser in Bezug auf ein leichtes Gewicht vorteilhaft. Andererseits führt der reduzierte Ventildurchmesser zu dem Problem einer inadäquaten Einlassluftmenge. In dem hin- und hergehenden Motor, der mit einem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, des Ausführungsbeispieles kann der Hub- und die Arbeitswinkelcharakteristik der Einlassventilseite variabel sein und in Abhängigkeit von den Motor-/Fahrzeug-Betriebsbedingungen mittels der veränderbaren Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 veränderbar eingestellt werden. Somit ist es möglich, sofern dies erforderlich ist, eine adäquate Einlassluftmenge bereitzustellen.
Wie zuvor diskutiert, hat der hin- und hergehende Motor des Ausführungsbeispiels, der mit einem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, eine veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 (mit anderen Worten, ein hohes Expansionsverhältnis-System), das in der Lage ist, kontinuierlich die Kolbenhub-Charakteristik, das heißt das Verdichtungsverhältnis, zu verändern. Durch den Vorteil der veränderbaren Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 ist es möglich, höhere Verdichtungsverhältnisse zu verwenden, als wenn mit herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit feststehendem Verdichtungsverhältnis, deren Verdichtungsverhältnis auf ein Standardverdichtungsverhältnis ε1 festgelegt ist (siehe die rechte Hälfte der 13) verglichen wird. Falls die veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 mit einem Superladesystem (oder einem Turbolader) kombiniert wird, um eine spezifische Leistung zu verstärken, ist es vorteilhaft, das Verdichtungsverhältnis ε auf einen Wert niedriger als das Standardverdichtungsverhältnis ε1 festzulegen oder einzustellen (siehe die linke Hälfte der 13). Im Gegensatz zu dem zuvor Ausgeführten besteht in der Annahme, dass das Verdichtungsverhältnis auf einen vergleichsweise hohen Wert in dem Fall des hin- und hergehenden Motors des zweiten Vergleichsbeispieles, der mit einem nichtkippbaren Nocken ausgerüstet ist, was durch die gestrichelte Linie in der 11 angezeigt wird, und der einen vergleichsweise großen Winkel α' zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d' und der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d' hat, eingestellt wird, für das S/V-Verhältnis der Brennkammer eine Tendenz, sich schnell zu erhöhen, wenn der Kolben die TDC-Position durchschreitet. Die schnelle Erhöhung in dem S/V-Verhältnis führt zu einer Erhöhung im Kühlverlust und zu einer Verzögerung in der Flammenausbreitung. Die Wirkung der verbesserten Kraftstoffökonomie auf der Grundlage der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ε wird durch den unerwünschten erhöhten Kühlverlust und die verzögerte Flammenausbreitung aufgehoben. Im Gegensatz dazu ist es im dem Fall des hin- und hergehenden Motors des Ausführungsbeispieles, der mit einem kippbaren Nocken ausgerüstet ist, da der Winkel α zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d und der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d auf einen adäquaten kleinen Wert festgelegt wird, möglich, wirksam eine Erhöhung in dem S/V-Verhältnis, das infolge einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ε (eine Veränderung in der TDC-Position auf eine höhere Position) auftreten kann, mittels eines ausreichend reduzierten oder verengten Winkels α zwischen der Einlassventil-Schaftmittellinie 1d und der Auslassventil-Schaftmittellinie 2d zu unterdrücken. Dies verstärkt die Verbrennungsleistung (die die Verbrennungsstabilität enthält) und verbessert die Kraftstoffökonomie.
Nachstehend werden der Betrieb und die Wirkungen (die reduzierte veränderbare Breite oder das reduzierte variable Band des Verdichtungsverhältnisses ε, die durch die veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 verändert werden), erhalten in Anwesenheit des vorbestimmten Kurbelwellenversatzes ΔD0 der Kurbelwellenachse 8A von der Zylindermittellinie L0 in die Richtung zu der Einlassventilseite (in die Einlassventilrichtung F1) ausführlich in Bezug auf die 14 und 15 beschrieben. Wie eindeutig in der 14 gezeigt, repräsentiert ein Winkel, der durch β bezeichnet ist, einen Winkel zwischen der Kurbelreferenzlinie L1, parallel zu der Zylindermittellinie L0, und dem Liniensegment P3–P4 dazwischen und der sowohl die Kurbelbolzenmitte P3 und die obere Verbindung/untere Verbindung enthält, die die Bolzenmitte P4 an der TDC-Position verbindet. Wie aus dem Kurbelwellenversatz ΔD0 versus Winkel β-Charakteristikkurve, die in der 15 gezeigt ist, gesehen werden kann, tendiert der Winkel β, sich zu erhöhen, wie sich der Kurbelwellenversatz ΔD0 erhöht. Auch tendiert die vertikale Verlagerung der oberen Verbindung 62 (in der Richtung der Zylindermittellinie L0) relativ zu der Drehverlagerung der unteren Verbindung 63, sich zu vermindern, wie sich der Winkel β vermindert. Mit anderen Worten, die vertikale Verlagerung der oberen Verbindung 62 relativ zu der Drehverlagerung der unteren Verbindung 63 tendiert sich zu erhöhen, wie sich der Winkel β erhöht. Die vertikale Verlagerung der oberen Verbindung 62 steht in Bezug zu sowohl einer Veränderung in der TDC-Position, als auch einer Veränderung in dem Verdichtungsverhältnis ε. Demzufolge wird, wenn der Winkel β zwischen der Kurbelreferenzlinie L1 und dem Liniensegment P3–P4 durch das Erhöhen des Kurbelwellenversatzes ΔD0 der Kurbelwellenachse 8A von der Zylindermittellinie L0 in die Richtung zu der Einlassventilseite erhöhend kompensiert wird, gesteuert oder eingestellt durch die Veränderung (die Steuerempfindlichkeit) in dem Verdichtungsverhältnis ε durch die veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60, hoch. Trotz der vergleichsweise kompakten Anordnung ist es möglich, die angemessene variable Breite des Verdichtungsverhältnisses ε zu schaffen. Es wird bevorzugt, den Kurbelwellenversatz ΔD0 auf einen Wert größer als oder gleich zu 5 mm festzulegen (das heißt ΔD0 ≥ 5 mm). Es wird noch mehr bevorzugt, den Kurbelwellenversatz ΔD0 auf einen Wert festzulegen, der von 10 mm bis 15 mm reicht (das heißt 10 mm ≤ ΔD0 ≤ 15 mm).
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 und die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 hydraulisch betätigt, währen die veränderbare Kolbenhub-Charaktenstikvorrichtung 60 Motorgetrieben wird. Anstelle dessen können die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuerungsvorrichtung 20 und die veränderbare Phasensteuerungsvorrichtung 40 mittels eines Elektromotors elektrisch betätigt werden. Andererseits kann die veränderbare Kolbenhub-Charakteristikvorrichtung 60 hydraulisch betätigt werden.
Die gesamten Inhalte der Japanischen Patentanmeldung Nr. P2001-224519 (eingereicht am 25. Juli 2001) sind hierin durch Bezug enthalten.
Während das vorher Gesagte eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiel ist, die in der Erfindung ausgeführt werden, wird es verstanden, dass die Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsbeispiele, die hierin gezeigt und beschrieben worden sind, begrenzt ist, sondern das verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang oder vom Geist dieser Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Hin- und hergehende Brennkraftmaschine, aufweisend: einen Zylinderblock (4) mit einem Zylinder (5); einen Kolben (6), bewegbar über einen Hub in dem Zylinder (5); ein Einlassventil (1); einen Einlassventilheber (1c) an einem Schaft (1a) des Einlassventils (1); eine Einlassventilantriebswelle (23), die sich um ihre Achse synchron mit der Drehung einer Kurbelwelle (8) dreht; einen kippbaren Nocken (24), der auf einem Außenumfang der Einlassventilantriebswelle (23) drehbar eingesetzt ist und der innerhalb vorbestimmter Grenzen während der Drehung der Einlassventilantriebswelle (23) schwingt, um den Einlassventilheber (1c) direkt zu drücken; und wobei, wenn gesehen in einer axialen Richtung der Kurbelwelle (8), eine Achse (23A) der Einlassventilantriebswelle (23) gegenüber einer Mittellinie (1d) des Einlassventilschaftes (1a) in eine erste Richtung (F1), die sowohl zu einer Mittellinie (L0) des Zylinders (5), als auch zu einer Achse (8A) der Kurbelwelle (8) rechtwinklig versetzt ist und von der Zylindermittellinie (L0) zu einer Seite des Einlassventiles gerichtet ist, und die Kurbelwellenachse (8A) von der Zylindermittellinie (L0) in der ersten Richtung (F1) versetzt ist.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: ein Auslassventil (2); einen Auslassventilheber (2c) an einem Schaft (2a) des Auslassventiles (2); eine Auslassventilantriebswelle (14), die parallel zu der Einlassventilantriebswelle (23) angeordnet ist und sich um ihre Achse synchron mit der Drehung der Kurbelwelle (8) dreht; und einen feststehenden Nocken (15), der an der Auslassventilantriebswelle (14) befestigt ist, um den Auslassventilheber (2c) direkt zu drücken.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, die außerdem aufweist: eine veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuervorrichtung (20), die die Einlassventilantriebswelle (23) mit dem kippbaren Nocken (24) mechanisch verbindet, um die Drehbewegung der Einlassventilantriebswelle (23) in eine schwingende Bewegung des kippbaren Nockens (24) umzuwandeln; und die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuervorrichtung (20) zumindest einen von Ventilhub oder Arbeitswinkel des Einlassventiles (1) durch Variieren der Anfangsphase des kippbaren Nockens (24) kontinuierlich variiert; wobei der Arbeitswinkel als ein Winkel zwischen einem Kurbelwinkel bei dem Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventiles (1) und einem Kurbelwinkel bei dem Ventilschließzeitpunkt des Einlassventiles (1) definiert ist.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei: die veränderbare Hub- und Arbeitswinkel-Steuervorrichtung (20) aufweist einen ersten Exzenternocken (25), der mit der Einlassventilantriebswelle (23) verbunden ist und dessen Achse zu der Einlassventilantriebswellenachse (23A) exzentrisch ist, eine Steuerwelle (26), die um ihre Achse drehbar ist, um zumindest einen Ventilhub oder Arbeitswinkel des Einlassventiles (1) zu variieren, einen zweiten Exzenternocken (27), der mit der Steuerwelle (26) verbunden ist und dessen Achse zu einer Achse der Steuerwelle (26) exzentrisch ist, einen Kipphebelarm (28), kippbar auf dem zweiten Exzenternocken (27) gelagert ist, eine erste Verbindung (29), die ein Ende des Kipphebelarms (28) mit dem ersten Exzenternocken (25) mechanisch verbindet, und eine zweite Verbindung (30), die das andere Ende des Kipphebelarms (28) mit dem kippbaren Nocken (24) mechanisch verbindet.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: der kippbare Nocken (24) angeordnet und geometrisch so dimensioniert ist, dass sich ein Nockennasenabschnitt (24a) des kippbaren Nockens (24) dreht in die erste Richtung (F1) während eines Anhebvorganges, der den kippbaren Nocken (24) in die Richtung zu einem maximalen Ventilhubpunkt des Einlassventiles (1) dreht.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein vorbestimmter Versatz (ΔD5) der Einlassventilantriebswellenachse (23A) von der Einlassventil-Schaftmittellinie (1d) in der ersten Richtung (F1) dimensioniert ist, um im Wesentlichen zweimal größer als ein vorbestimmter Versatz (ΔD0) der Kurbelwellenachse (8A) von der Zylindermittellinie (L0) in der ersten Richtung (F1) zu sein.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem aufweist: eine veränderbare Kolben-Hub-Charakteristik-Vorrichtung (60), die kontinuierlich eine Kolben-Hubcharakteristik verändert; und wobei die veränderbare Kolben-Hub-Charakteristik-Vorrichtung (60) eine Kolben-Kurbel-Vorrichtung vom Mehrfach-Koppel-Typ ist, die eine Mehrzahl von Koppeln aufweist, durch die ein Kurbelbolzen (8a) der Kurbelwelle (8) mit einem Kolbenbolzen (6a) des Kolbens (6) mechanisch verbunden ist.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei: die Kolben-Kurbel-Vorrichtung vom Mehrfach-Koppel-Typ aufweist eine untere Koppel (63), drehbar auf einen Außenumfang des Kurbelbolzens (8a) gesetzt, eine obere Koppel (62), die die untere Koppel (63) mit dem Kolbenbolzen (6a) verbindet, eine Kolben-Hubcharakteristik-Steuerwelle (65), die um ihre Achse drehbar ist, um die Kolben-Hubcharakteristik zu variieren, einen exzentrischen Zapfenabschnitt, der mit Kolben-Hubcharakteristik-Steuerwelle (65) verbunden ist und dessen Achse (P1) zu einer Drehmitte (P2) der Kolben-Hubcharakteristik-Steuerwelle (65) exzentrisch ist, und eine Steuerkoppel (71), die den exzentrischen Zapfenabschnitt mit der unteren Koppel (63) verbindet.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem aufweist: eine veränderbare Phasensteuervorrichtung (40), die eine Winkelphase an einem zentralen Winkel (Φ) entsprechend eines maximalen Ventilhubpunktes des Einlassventiles (1) kontinuierlich variiert.
Hin- und hergehende Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei: eine Achse (14A) der Auslassventilantriebswelle (14) auf einer Verlängerung einer Mittellinie (2d) des Auslassventilschaftes (2a) liegt; und ein Versatz (ΔD2) der Einlassventilantriebswellenachse (23A) von der Zylindermittellinie (L0) dimensioniert ist, größer als ein Versatz (ΔD1) der Auslassventilantriebswellenachse (14A) von der Zylindermittellinie (L0) zu sein.