DE69012828T2

DE69012828T2 - Nockenwellensteuermechanismus für brennkraftmotoren.

Info

Publication number: DE69012828T2
Application number: DE69012828T
Authority: DE
Inventors: Peter Harry Redditch Worcestershire B97 4Sq Parker
Original assignee: Rover Co Ltd; MG Rover Group Ltd
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2010-10-05
Also published as: DE69012828D1; GB8923181D0; EP0495807B1; US5152262A; WO1991005941A1; AU6441090A; AU636397B2; EP0495807A1; ATE112014T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere die Nockenwellenantriebsmechanismen solcher Motoren.
Nockenwellenantriebsmechanismen mit variabler Ventilsteuerung (VVS) sind bekannt. Die Vorteile hinsichtlich Motorleistung werden in SAE Technical Paper Series 880386 mit dem Titel "A Review of Variable Engine Valve Timing " (Eine Übersicht über variable Ventilsteuerung) von C. Gray besprochen, wo auch verschiedene variable Ventilsteuermechanismen besprochen werden.
Bei einer Art von VVS-Mechanismus, mit dem die Motorleistung wesentlich verbessert werden kann, wird die Steuerung des Öffnens und Schließens der Ventile durch zyklische Anderung der Drehzahl der Nocken bei sonst konstanter Drehzahl der Motorkurbelwelle verändert.
Wird diese Art von VVS-Mechanismus bei einem Motor mit zwei oder mehr Zylindern eingesetzt, tritt ein Installationsproblem auf, da die Ventilsteuerung jedes Zylinders jeweils in einer anderen Phase der zyklischen Änderung stattfindet.
In GB-A-2066361 wird ein Verbrennungsmotor mit einem Motorblock gezeigt, der folgendes definiert: in Reihe angeordnete erste und zweite Zylinder, eine erste die Einlaßventile für jeden Zylinder umfassende Gruppe von Ventilen und eine zweite die Auslaßventile für jeden Zylinder umfassende Gruppe von Ventilen, eine Kurbelwelle und einen Nockenwellenantriebsmechanismus mit ersten und zweiten Nockenwellen, die sich parallel zur Kurbelwelle erstrecken, um eine der Ventilgruppen für den ersten bzw. zweiten Zylinder zu betätigen, einen ersten VVS-Mechanismus, der mit der ersten Nockenwelle antriebsmäßig verbunden und so angeordnet ist, daß er von der Kurbelwelle angetrieben wird, und einen zweiten VVS-Mechanismus, der mit der zweiten Nockenwelle verbunden und so angeordnet ist, daß er von der Kurbelwelle angetrieben wird, wobei jeder VVS-Mechanismus so arbeitet, daß er eine zyklische Änderung der Drehzahl der jeweiligen Nockenwelle bei sonst konstanter Drehzahl der Motorkurbelwelle zur Verfügung stellt. Bei einem in GB-A-2066361 gezeigten Zweizylinder-Reihenmotor ist zwischen den Zylindern ein VVS-Mechanismus installiert. Die Installation wird im wesentlichen dadurch ausführbar, daß der Motor einer Art ist, die gewöhnlich bei Motorrädern verwendet wird, wo die Antriebsleistung des Motors über ein Zahnrad an der Kürbelwelle zwischen den Zylindern abgegeben wird. Bei einem herkömmlichen Vierzylindermotor für Pkws und andere Kraftfahrzeuge wird die Antriebsleistung über ein Ende der Kurbelwelle abgegeben, und es wird unpraktisch, den Motor durch Installation eines Nockenwellenantriebs und VVS-Mechanismus zwischen Zylindern Nr. 2 und 3 zu verlängern.
Des weiteren wird in GB-A-2066361 das Installationsproblem bei einem Vierzylinder-Reihenmotor dargestellt, wo ein VVS-Mechanismus zwischen Zylinder Nr. 1 und Nr. 2 und ein weiterer VVS-Mechanismus zwischen Zylinder Nr. 3 und Nr. 4 installiert wird. Der für den VVS-Mechanismus zur Verfügung stehende Platz wird durch den Abstand benachbarter Ventile zwischen diesen Zylindern begrenzt. Bei dem speziellen VVS-Mechanismus, der gezeigt wird, wird eine angemessene axiale Länge nur dadurch erreicht, daß das Hinzufügen eines Mechanismus in Kauf genommen wird, der eine Querbewegung für die sich durch die Nockenwellen erstreckende Achse der Antriebswelle bereitstellt.
In GB-A-1522405 wird das Installationsproblem bei einem Vierzylinder-Reihenmotor weiter dargestellt, wo ein VVS-Mechanismus zwischen Zylinder Nr. 2 und Zylinder Nr. 3 installiert ist. Die Installation wird wieder dadurch durchführbar, daß der Motor einer Art ist, die gewöhnlich bei großen Motorrädern verwendet wird, wo die Antriebsleistung über ein Zahnrad an der Kurbelwelle zwischen Zylindern Nr. 2 und 3 abgegeben wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der zwei oder mehr in Reihe angeordnete Zylinder mit jeweils einem VVS-Mechanismus aufweist, und der die oben aufgeführten Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor mit einem Motorblock bereitgestellt, der folgendes definiert: mindestens erste und zweite Zylinder, die in Reihe angeordnet sind, eine erste die Einlaßventile für jeden Zylinder umfassende Gruppe von Ventilen und eine zweite die Auslaßventile für jeden Zylinder umfassende Gruppe von Ventilen, eine Kurbelwelle und einen Nockenwellenantriebsmechanismus mit ersten und zweiten Nockenwellen, die sich parallel zur Kurbelwelle erstrecken, um eine der Ventilgruppen für den ersten bzw. zweiten Zylinder zu betätigen, einen ersten variablen Ventilsteuerungsmechanismus (VVS-Mechanismus), der mit der ersten Nockenwelle antriebsmäßig verbunden und so angeordnet ist, daß er von der Kurbelwelle angetrieben wird, und einen zweiten VVS- Mechanismus, der mit der zweiten Nockenwelle verbunden und so angeordnet ist, daß er von der Kurbelwelle angetrieben wird, wobei jeder VVS-Mechanismus so arbeitet, daß er eine zyklische Änderung der Drehzahl der jeweiligen Nockenwelle bei sonst konstanter Drehzahl der Motorkurbelwelle zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste VVS-Mechanismus außerhalb der Nockenwellen an einem Ende des Motorblocks liegend und der zweite VVS-Mechanismus außerhalb der Nockenwellen am anderen Ende des Motorblocks liegend befindet.
Die Erfindung ist auf Zweizylindermotoren und auf Motoren mit zwei oder mehr Reihen aus zwei Zylindern, z.B. V4-Motoren, anwendbar. Bei.einer bevorzugten Anordnung erstreckt sich eine Vorgelegewelle parallel zur ersten und zweiten Nockenwelle, wobei an dem einen Ende des Motorblocks erste Antriebsmittel zur Übertragung von Antriebskraft von der Kurbelwelle zum ersten VVS-Mechanismus und zur Vorgelegewelle und an dem anderen Ende des Motorblocks zweite Antriebsmittel zur Übertragung von Antriebskraft von der Vorgelegewelle zum zweiten VVS- Mechanismus vorgesehen sind.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der ersten und zweiten Nockenwelle um die Einlaß-Nockenwellen, und die Vorgelegewelle umfaßt eine Auslaß-Nockenwelle zur Betätigung der Auslaßventile. Als Alternative läßt sich auch eine separate Vorgelegewelle verwenden, insbesondere bei einem V-Motor, wo sich die Vorgelegewelle zwischen den Zylinderreihen befinden kann. Dadurch können sowohl Einlaß- als auch Auslaßventile VVS-Mechanismen aufweisen.
Eine dritte Nockenwelle mit einem sich koaxial durch die erste Nockenwelle erstreckenden länglichen Teil kann so angeordnet werden, daß sie ein Ventil der einen Gruppe für einen zwischen dem ersten und zweiten Zylinder liegenden dritten Zylinder betätigt, wobei ein dritter VVS-Mechanismus neben dem ersten VVS-Mechanismus durch das längliche Teil mit der dritten Nockenwelle sowie auch mit der Kurbelwelle antriebsmäßig verbunden ist. Ebenso kann eine vierte Nockenwelle mit einem sich koaxial durch die zweite Kurbelwelle erstreckenden länglichen Teil so angeordnet werden, daß sie ein Ventil der einen Gruppe für einen zwischen dem dritten und zweiten Zylinder liegenden vierten Zylinder betätigt, wobei ein vierter VVS-Mechanismus neben dem zweiten VVS-Mechanismus durch das längliche Teil mit der vierten Nockenwelle sowie auch mit der Kurbelwelle antriebsmäßig verbunden ist.
Somit werden in einer Reihe aus drei Zylindern, herkömmlicherweise als Zylinder Nr. 1, 2 und 3 bezeichnet, die Einlaß- oder Auslaßventile von Zylindern Nr. 1 und 2 durch die ersten und dritten VVS-Mechanismen, die an einem Ende der Reihe zusammen angeordnet sind, und das (die) Einlaß- oder Auslaßventil(e) des Zylinders Nr. 3 durch den zweiten VVS-Mechanismus am anderen Ende der Reihe betätigt. Eine Reihe aus vier Zylindern wird ebenso bedient, wobei die Einlaß- oder Auslaßventile von Zylinder Nr. 3 durch den vierten VVS-Mechanismus und die Einlaß- oder Auslaßventile von Zylinder Nr. 4 durch den benachbarten zweiten VVS-Mechanismus betätigt werden. Die Reihen aus drei oder vier Zylindern können sich in einem Reihenmotor befinden oder Teil eines V6- oder V8-Motors mit Vorgelegeantrieb, wie oben besprochen, zum zweiten oder vierten VVS-Mechanismus sein.
Jeder VVS-Mechanismus kann jeweils ein Drehantriebsglied, das so angeordnet ist, daß es von der Kurbelwelle angetrieben wird, und jeweils ein Abtriebsglied umfassen, das so angeordnet ist, daß es die jeweilige Nockenwelle antreibt, wobei jedes Antriebsglied eine Drehachse aufweist, die relativ zur Drehachse des jeweiligen Abtriebsglieds beweglich- ist, um die Ventilsteuerung zu verändern.
Des weiteren ist in GB-A-1522405 ein bekannter VVS-Mechanismus dargestellt, bei dem die angenommen konstante Drehzahl eines Antriebsglieds durch Bewegen der Drehachse des Antriebsglieds relativ zur Drehachse eines Abtriebsglieds an der Nockenwelle eine zyklische Änderung der Drehzahl der Nockenwelle erzeugt. Ein Antriebsmechanismus überträgt Antriebskraft zwischen dem Antriebsglied und dem Abtriebsglied. In GB-A-1522405 umfaßt dieser Antriebsmechanismus einen Antriebsstift am Abtriebsglied, der in einen Schlitz im Antriebsglied eingreift. In US-A-4723517 ist ein VVS-Mechanismus der gleichen allgemeinen Art dargestellt, bei dem der Antriebsmechanismus aber einen Schieber umfaßt, der über eine Nut-und-Feder- Verbindung von dem Antriebsglied angetrieben wird und eine mit einer Verzahnung an der Nockenwelle in Eingriff stehende Zahnstangenverzahnung aufweist. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein solcher komplizierter VVS- Mechanismus des Stands der Technik vorzugsweise vermieden, wenn in jedem VVS-Mechanismus das Antriebsglied in einer Exzenterhülse gelagert wird, die in einer Bohrung im Motorblock zur Änderung der Ventilsteuerung drehbar ist.
In GB-A-1311562 wird das Problem des Versehens eines Antriebsglieds, dessen Drehachse bewegt werden muß, mit einem Drehantrieb dadurch gelöst, daß ein Eingangsglied vorgesehen wird, das mit dem Abtriebsglied koaxial ist und das Antriebsglied über einen Stift antreibt, der in einen weiteren Schlitz im Antriebsglied eingreift. Die angenommen konstante Drehzahl eines Eingangsglieds erzeugt durch Bewegen der Drehachse des Antriebsglieds eine zyklische Änderung der Drehzahl der Nockenwelle. Obwohl zwei Verfahren zur Bewegung des Antriebsglieds gezeigt werden, nähert sich keines der beiden der optimalen Beherrschung der Ventilsteuerung, die erforderlich ist, um ein gutes Verhalten bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringe Abgasemissionen im Leerlauf zusammen mit einer höheren Leistung bei höheren Motordrehzahlen zu ergeben. Folglich ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Achse der Bohrung zur Drehachse des jeweiligen Abtriebsglieds versetzt. Hierbei ist der Versatz vorzugsweise gleich der Exzentrizität der Hülse, und die Drehachse des Antriebsglieds fällt vorzugsweise bei einer Betriebsposition der Exzenterhülse mit der Drehachse des Abtriebsglieds zusammen.
Wo zwei benachbarte VVS-Mechanismen vorhanden sind, wie es bei der Reihe aus drei oder vier Zylindern der Fall ist, kann die Exzenterhülse den beiden benachbarten VVS-Mechanismen gemein sein.
Die Exzenterhülse kann von einem Servomotor angetrieben werden, vorzugsweise über ein selbsthemmendes Schnecken- und Schneckenrad-Getriebe. Folglich wird von dem Servomotor nur dann ein Drehmoment erforderlich, wenn eine Einstellung der Exzenterhülsenposition nötig ist.
Jede Exzenterhülse kann eine Verzahnung zum Kämmen mit einer Steuerwelle aufweisen, die sich entlang dem Motorblock erstreckt und ein Schneckenrad zum Kämmen mit einer von dem Servomotor angetriebenen Schnecke aufweist.
Zweckmäßigerweise ist ein erstes Eingangsglied um im wesentlichen die gleiche Achse wie das erste Abtriebsglied drehbar und so angeordnet, daß es Antriebskraft auf das erste Antriebsglied überträgt, und ein zweites Eingangsglied um im wesentlichen die gleiche Achse wie das zweite Abtriebsglied drehbar und so angeordnet, daß es Antriebskraft zum zweiten Antriebsglied überträgt. Wo drei oder vier Zylinder in einer Reihe vorhanden sind, kann ein Eingangsglied einem benachbarten VVS-Mechanismuspaar gemein sein.
Jeder VVS-Mechanismus kann an dem jeweiligen Eingangsglied und an dem jeweiligen Abtriebsglied jeweils einen Stift aufweisen, wobei jedes Antriebsglied ein Paar diametral gegenüberliegender radialer Nuten jeweils zum Antriebseingriff mit einem jeweiligen der Stifte definiert.
Wo drei oder vier Zylinder in einer Reihe vorhanden sind, kann sich das Abtriebsglied des dritten VVS- Mechanismus durch das Antriebsglied des ersten VVS-Mechanismus erstrecken und, wo angemessen, kann sich das Abtriebsglied des vierten VVS-Mechanismus durch das Antriebsglied des zweiten VVS-Mechanismus erstrecken.
Zweckmäßigerweise erstreckt sich das Eingangsglied des ersten VVS-Mechanismus durch eine Öffnung im Antriebsglied des dritten VVS-Mechanismus und, wo angemessen, erstreckt sich das Eingangsglied des zweiten VVS- Mechanismus durch eine Öffnung im Antriebsglied des vierten VVS-Mechanismus.
Zweckmäßigerweise befindet sich jedes Abtriebsglied an der jeweiligen Einlaß-Nockenwelle und, wo angemessen, können die Abtriebsglieder des dritten und vierten VVS-Mechanismus die länglichen Teile der dritten bzw. vierten Nockenwelle umfassen.
Die Erfindung stellt somit einen Motor mit einem neuartigen Nockenwellenantriebsmechanismus zur Verfügung, der die mit VVS in Mehrzylindermotoren verbundenen Installationsprobleme vermeidet.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Nockenwellenantriebsmechanismus;
Fig. 2A und 2B rechte bzw. linke Teile einer Draufsicht des Zylinderkopfes des in Fig. 1 gezeigten Motors, in der Teile des Nockenwellenantriebsmechanismus detaillierter dargestellt sind;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in Fig. 2 gezeigten Nockenwellenantriebsmechanismus;
Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, in der der Nockenwellenantriebsmechanismus um 90º gedreht dargestellt ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer der in Fig. 3 und 4 gezeigten Komponenten;
Fig. 6 eine Ansicht einer anderen der in Fig. 3 und 4 gezeigten Komponenten;
Fig. 7 eine Ansicht eines Teils des in Fig. 2A gezeigten Nockenwellenantriebsmechanismus;
Fig. 8 ein Diagramm, das im vergrößerten Maßstab die Geometrie eines im in Fig. 1 bis 7 gezeigten Nockenwellenantriebsmechanismus integrierten VVS-Mechanismus zeigt;
Fig. 9 ein Diagramm, das ein Teil von Fig. 8 in noch größerem Maßstab und detaillierter zeigt; und
Fig. 10 ein Schaubild, in dem die unter Verwendung des in den Fig. 1 bis 7 enthaltenen VVS-Mechanismus erhaltene Anderung der Ventilsteuerung dargestellt ist.
In den Fig. 1 bis 4 und insbesondere in Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 11 zu sehen, der einen Motorblock 12 mit einem Kurbelgehäuse 13 enthält, das mit einem Zylinderblock mit einer Reihe aus vier in Reihe angeordneten Zylindern und einem Zylinderkopf 14 aus einem Stück ist. Im Kurbelgehäuse ist eine Kurbelwelle 15 gelagert, die eine Antriebsscheibe 16 für einen Zahnriemen 17 aufweist.
Die Kurbelwelle 15 trägt an ihrem von der Antriebsscheibe 16 entfernten Ende zur Übertragung der Motorleistung, z.B. über eine Kupplung zu einem Getriebe, ein Schwungrad (nicht gezeigt). Auf herkömmliche Weise werden die Zylinder als Nr. 1 bis 4 bezeichnet, wobei am Antriebsscheibenende begonnen wird.
Der Zylinderkopf 14 trägt Einlaß- und Auslaßventile (nicht gezeigt) für den Motor. Die Einlaßventile werden von vier Einlaß-Nockenwellen 18, 19, 21 und 22 für Zylinder Nr. 1, 2, 3 bzw. 4 betätigt. Die Einlaß-Nockenwellen 18 und 19 der Zylinder Nr. 1 und 2 sind ineinander geschachtelt, d.h. die Einlaß-Nockenwelle 19 weist ein längliches Teil 23 auf, das sich koaxial durch eine Bohrung 24 in der Einlaß-Nockenwelle 18 erstreckt. Die Einlaßwellen 18 und 19 werden beide von einer verzahnten Scheibe 25 angetrieben.
Eine Auslaß-Nockenwelle 26 erstreckt sich parallel zu den Einlaß-Nockenwellen 18, 19, 20 und 21, ist allen vier Zylindern gemein und wird von einer anderen Zahnscheibe 27 angetrieben, wobei die Scheiben 25 und 27 von dem Zahnriemen 17 angetrieben werden und zweimal soviele Zähne haben wie die Antriebsscheibe 16, so daß sie sich nur halb so schnell drehen wie die Kurbelwelle. Die Auslaß-Nockenwelle 26 wirkt als Vorgelegewelle; um Antriebskraft über einen weiteren Zahnriemen 28 und ein weiteres Paar Scheiben 29 und 31 zu den Einlaß-Nockenwellen 21 und 23 der Zylinder Nr. 3 und 4 zu übertragen, wobei die Scheibe 31 die gleiche Anzahl Zähne wie die Scheibe 29 hat.
Die Einlaß-Nockenwellen 21 und 23 der Zylinder Nr. 3 und 4 sind auch ineinander geschachtelt, und zwar auf die gleiche Weise wie die Einlaß-Nockenwellen 18 und 19.
Jede der Einlaß-Nockenwellen 18, 19 21 und 22 wird jeweils mittels eines variablen Ventilsteuerungsmechanismus (VVS-Mechanismus) angetrieben, der allgemein bei 32, 33, 34 bzw. 35 (Fig. 2A & 2B) angegeben ist. Die VVS-Mechanismen für Zylinder Nr. 1 und 2 sind zusammen außerhalb der Nockenwellen 18 und 23 an einem Ende des Motorblocks 12 liegend angeordnet, wo sie von die Antriebsscheibe 16 und den Zahnriemen 17 am gleichen Ende umfassenden ersten Antriebsmitteln angetrieben werden, und die VVS-Mechanismen für Zylinder Nr. 3 und 4 sind zusammen außerhalb der Nockenwellen am anderen Ende des Motorblocks liegend angeordnet, wo sie von Scheiben 29 und 31 und Zahnriemen 28 umfassenden zweiten Antriebsmitteln angetrieben werden.
Da die VVS-Mechanismen 32 und 33 für Zylinder Nr. 1 und 2 im wesentlichen gleich den VVS-Mechanismen für Zylinder Nr. 3 und 4 sind, ist es zweckmäßig, nur die VVS-Mechanismen 32 und 33 für Zylinder Nr. 1 und 2 ausführlich und insbesondere anhand Fig. 3 und 4 zu beschreiben. In Fig. 3 sind zur Veranschaulichung die Einzelheiten des VVS-Mechanismus 32 des Zylinders Nr. 1 gezeigt, wohingegen in Fig. 4 zur Veranschaulichung die Einzelheiten des VVS-Mechanismus 33 des Zylinders Nr. 2 gezeigt sind.
Der VVS-Mechanismus 32 enthält ein Antriebsglied 36, das ein Paar diametral gegenüberliegender, sich radial erstreckender Nuten 37 und 38 rechteckigen Querschnitts definiert.
Die Nut 37 steht in Antriebseingriff mit einem Stift 39 an einem Eingangsglied 41, und die Nut 38 steht in Antriebseingriff mit einem Stift 42 an einem Abtriebsglied in Form eines Lagerteils 43 der Einlaß-Nockenwelle 18 des Zylinders Nr. 1. Die Stifte 39 und 42 übertragen Antriebskraft über rechteckige Antriebsblöcke 44, die jeweils an ihrem jeweiligen Stift 39 oder 42 drehbar sind und einen engen Gleitsitz in ihrer jeweiligen Nut 37 oder 38 bilden.
Das Eingangsglied 41 ist um im wesentlichen die gleiche Achse wie die Nockenwellen 18 und 19 drehbar und wird von Kugellagern 45 in einem Gehäuse 46, das an dem Zylinderkopf 14 angebracht ist, getragen. Die Scheibe 25 ist über einen Zapfen an dem Eingangsglied 41 angebracht und wird von einer Kopfschraube 47 gehalten. Ein Stift 48 greift in einen Schlitz in der Scheibe 25 ein, um Antriebskraft zu übertragen und eine Winkelstellung bereitzustellen.
Das Gehäuse 46 bildet Teil des Motorblocks 12 und definiert eine Bohrung 49, deren Achse zur Drehachse der Einlaß-Nockenwellen 18, 19, 21 und 23 versetzt ist. In der Bohrung 49 befindet sich eine drehbare Exzenterhülse 51, die die Außenringe eines Paars Nadellager 52 und 53 bildet. Der Innenring des Lagers 52 ist eine Preßpassung am Außendurchmesser des Antriebsglieds 36, so daß das Antriebsglied in der Exzenterhülse 51 gelagert ist.
Der VVS-Mechanismus 33 enthält ein Antriebsglied 54, das ein Paar diametral gegenüberliegender, sich radial erstreckender Nuten 55 und 56 rechteckigen Querschnitts definiert. Die Nut 55 steht in Antriebseingriff mit einem weiteren Stift 57 am Eingangsglied 41, und die Nut 56 steht in Antriebseingriff mit einem Stift 58 an einem Abtriebsglied in Form eines sich radial erstreckenden Lappens 59, der Teil des länglichen Teils 23 der Einlaß-Nockenwelle 19 des Zylinders Nr. 2 ist. Die Stifte 57 und 58 übertragen die Antriebskraft über rechteckige Antriebsblöcke 61, und zwar auf ähnliche Weise wie die Stifte 39 und 42.
Der Innenring des Lagers 53 ist eine Preßpassung am Außendurchmesser des Antriebsglieds 54, so daß das Antriebsglied 54 in der Exzenterhülse 51 gelagert ist, die somit den benachbarten VVS-Mechanismen 32 und 33 gemein ist.
Das Antriebsglied 54 des VVS-Mechanismus 33 weist eine Öffnung 62, die von den Nuten 37 und 38 in einem Winkel beabstandet ist, auf, so daß eine Nase 63 am Eingangsglied 41 sich mit Spiel dadurch erstrecken kann, wobei die Nase 63 zur Aufnahme des Stifts 39 eine Bohrung aufweist. Um die Gesamtlänge der benachbarten VVS-Mechanismen 32 und 33 auf ein Minimum zu reduzieren und die Länge der Nase 63 auf einem Minimum zu halten, ist im Antriebsglied 36 eine Aussparung 64 vorgesehen, um teilweise den Lappen 59 mit Spiel aufzunehmen. Fig. 5 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht des Antriebsglieds 36 und eine Axialbohrung 65, die eine Öffnung bildet, durch die sich das längliche Teil 23 der Einlaß-Nockenwelle 19 mit Spiel erstreckt.
Jeder VVS-Mechanismus 32, 33, 34 und 35 erzeugt durch Bewegung der Drehachse des jeweiligen Antriebsglieds relativ zur Drehachse des Abtriebsglieds an der Nockenwelle eine zyklische Änderung der Drehzahl der jeweiligen Nockenwelle. Dies wird durch Drehen der Exzenterhülse 51 erreicht, die in Fig. 6 detaillierter und im vergrößerten Maßstab gezeigt wird. Der Außendurchmesser der sich in der Bohrung 49 drehenden Hülse 51 wird mit D1 dargestellt, und der den Außenring der Nadellager 52 und 53 bildende Innendurchmesser wird mit D2 dargestellt. Die Exzentrizität der Hülse wird mit E dargestellt, und dieses Maß wird im wesentlichen gleich dem Versatz zwischen der Drehachse der Einlaß-Nockenwellen 18, 19, 21 und 22 und der Achse der Bohrung 49 im Gehäuse 46 ausgeführt.
Die Steuerung der Drehung der Exzenterhülse 51 wird durch Drehen eines Ritzels 66 erreicht, das mit einer Verzahnung 67 am Außenumfang der Exzenterhülse kämmt. Das Ritzel 66 ist Teil einer Steuerwelle 68, die sich von einem Ende des Zylinderkopfes 14 zum anderen erstreckt und des weiteren ein Schneckenrad 69 an einer Hohlwelle 71 aufweist. Eine weitere Hohlwelle 72 weist Keilzahnendstücke 73 und 74 auf, wobei ein Endstück 73 mit der Hohlwelle 71 in Verbindung steht und das andere Endstück 74 mit einer anderen Hohlwelle 75, die das Ritzel 66 trägt und Schrägverzahnung 76 aufweist, um mit einem Schrägzahnrad an einem Rückkopplungspotentiometer (nicht gezeigt) zu kämmen.
Ein Servodrehmotor (nicht gezeigt) weist eine Schnecke auf, die mit dem Schneckenrad 69 zur Drehung der Steuerwelle 68 und folglich der Exzenterhülse 51 kämmt, wobei die Position der Exzenterhülse vom Rückkopplungspotentiometer bestimmt wird. Ein weiteres Rückkopplungsmittel der Position der Exzenterhülse wird von drei Zähnen 77, 78 und 79 an der Einlaß-Nockenwelle 18 gebildet. Dreht sich die Nockenwelle 18 in Richtung des Pfeils B (Fig. 7), stellt die Vorderkante des Zahns 77 den Beginn des Öffnens der Einlaßventile und die Vorderkante des Zahns 78 das Ende des Schließens der Einlaßventile dar. Die Vorderkante des Zahns 79 stellt den Winkel des maximalen Nockenhubs dar.
Ein induktiver Wandler (nicht gezeigt) erfaßt die Bewegung der Zähne 77, 78 und 79 und liefert Signale für ein zum Betrieb des Servomotors verwendetes Steuersystem. Die Signale von den Zähnen 77 und 78 zeigen die Einlaßventilöffnungsdauer an, und das Signal vom Zahn 79 wird als Steuerüberprüfung verwendet, um einen korrekten Betrieb während schneller Motorbeschleunigung zu gewährleisten.
Die Auswirkungen des Drehens der Exzenterhülse sind in Fig. 8 und 9 gezeigt. In Fig. 8 sind die Stifte 39 und 42 des VVS-Mechanismus des Zylinders Nr. 1 schematisch dargestellt, und die Bewegungslinie der Einlaßventile wird von einer Linie V-V angezeigt. Der Punkt O entspricht der Drehachse des Eingangsglieds 41 und der Einlaß-Nockenwelle 18, und der Punkt P entspricht der Drehachse des Antriebsglieds 36.
Das Maß O-P wird zweckmäßigerweise als Exzentrizität des Antriebsglieds 36 für eine bestimmte Einstellung der Exzenterhülse 51 bezeichnet, muß aber von der Exzentrizität E der Exzenterhülse unterschieden werden, die von dem Maß P-A dargestellt wird, wobei A die Achse der Bohrung 49 ist, in der sich die Exzenterhülse dreht. Die Punkte P und A sind des weiteren in Fig. 6 dargestellt.
Die Auswirkungen der Änderung der Winkelposition der Exzenterhülse 51 sind in Fig. 9 zu sehen. Wird die Hülse so gedreht, daß Punkt P mit Punkt O zusammenfällt, dann fallen die Drehachsen des Eingangsglieds 41, der Nockenwelle 18 und des Antriebsglieds 36 alle zusammen, und die Antriebskraft von dem Eingangsglied zur Nockenwelle erfährt keine zyklische Änderung.
Wird die Exzenterhülse 51 so bewegt, daß sich P an einem Punkt P2 befindet, dann ist die Exzentrizität O-P auf einem Maximum.
Nimmt man die Bewegegungslinie V-V der Einlaßventile als Bezugspunkt, kann der Winkel zwischen O-P und dem Bezugspunkt als Exzentrizitätswinkel G bezeichnet werden. In Figur 10 ist die Früh- und Spätstellung des Öffnungs- und Schließpunkts der Einlaßnocke bei Änderungen des Exzentrizitätswinkels G dargestellt. Das Schaubild zeigt die Änderung des Ventilöffnungswinkels VO und Kennlinien des Ventilschließwinkels VC, aufgetragen über den Exzentrizitätswinkel G für verschiedene Werte der Exzentrizität OP, die in dimensionsloser Form als Exzentrizitätsverhältnis R ausgedrückt sind. Das Exzentrizitätsverhältnis R ist das Verhältnis der Exzentrizität O-P zum radialen Abstand zwischen der Drehachse der Nockenwelle 18 (Punkt O) und der Mitte jedes der Antriebsstifte 39 und 42.
Des weiteren sind in Fig. 10 die Steuergesetzkennlinien C1, C2, C3 und C4 gezeigt, die die Kennlinien des Ventilöffnungs- und Ventilschließwinkels schneiden. Diese Steuergesetzkennlinien sind ein charakteristisches Merkmal dieser Erfindung und ergeben sich dadurch, daß die Drehachse der Exzenterhülse 51 zur Drehachse des das Lagerteil 43 an der Einlaß-Nockenwelle 18 umfassenden Abtriebsglieds versetzt ist. Die Steuergesetzkurven C1 und C2 sind nämlich genauso wie die Kurven C3 und C4 fortlaufend. Der Sprung um 180º (von 210º auf 30º) stellt den Wechsel von der Frühstellung des Öffnens des Ventils in die Spätstellung dar.
Die Punkte P1, O und P2 sind auf den Steuergesetzkennlinien gezeigt. So ist bei der Exzenterhülsenposition P1 das Öffnen des Einlaßventils frühverstellt und das Schließen des Ventils spätverstellt. Bei der Position O gibt es keine Frühverstellung oder Spätverstellung des Öffnens oder Schließens, und das Einlaßventil arbeitet gemäß der Grundkennlinien des Einlaßnockens. Am Punkt P3 ist das Öffnen des Ventils spätverstellt, wohingegen der Schließpunkt dicht an der Nockengrundkennlinie bleibt.
Die Position P1 stellt das Erfordernis hoher Leistung bei hohen Motordrehzahlen dar, und P3 stellt das Erfordernis effizienten Motorlaufs bei Leerlauf dar.
Die Position O kann so gewählt werden, daß sie einer mittleren Ausgangsleistung und Motordrehzahl entspricht, z.B. Dauergeschwindigkeit auf einer Hauptstraße, und da es in dieser Position keine Bewegung der Antriebsblöcke 44 in den Nuten 37 und 38 gibt, ist der Verschleiß des VVS-Mechanismus auf ein Minimum reduziert.
Obgleich die Erfindung insbesondere mit Bezug auf einen Vierzylinder-Reihenmotor beschrieben wurde, kann sie leicht für andere Motorkonfigurationen ausgelegt werden, wie oben besprochen. Für eine Reihe aus drei Zylindern würde der VVS-Mechanismus 34 des Zylinders Nr. 3 weggelassen werden, und Zylinder Nr. 4 wird Zylinder Nr. 3. Für eine Reihe aus zwei Zylindern könnten die VVS- Mechanismen 33 und 34 der Zylinder Nr. 2 und 3 weggelassen werden, und Zylinder Nr. 4 wird Zylinder Nr 2.

Claims

1. Verbrennungsmotor (11) mit einem Motorblock (12), der folgendes definiert: mindestens erste und zweite Zylinder, die in Reihe angeordnet sind, eine erste die Einlaßventile für jeden Zylinder umfassende Gruppe von Ventilen und eine zweite die Auslaßventile für jeden Zylinder umfassende Gruppe von Ventilen, eine Kurbelwelle (15) und einen Nockenwellenantriebsmechanismus mit ersten und zweiten Nockenwellen (18 und 22), die sich parallel zur Kurbelwelle erstrecken, um eine der Ventilgruppen für den ersten bzw. zweiten Zylinder zu betätigen, einen ersten variablen Ventilsteuerungs-(VVS)-Mechanismus (32), der mit der ersten Nockenwelle antriebsmäßig verbunden und so angeordnet ist, daß er von der Kurbelwelle angetrieben wird, und einen zweiten VVS-Mechanismus (35), der mit der zweiten Nockenwelle verbunden und so angeordnet ist, daß er von der Kurbelwelle angetrieben wird, wobei jeder VVS-Mechanismus so arbeitet, daß er eine zyklische Änderung der Drehzahl der jeweiligen Nockenwelle bei sonst konstanter Drehzahl der Motorkurbelwelle zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste VVS-Mechanismus (32) außerhalb der Nockenwellen (18 und 22) an einem Ende des Motorblocks (12) liegend und der zweite VVS-Mechanismus (35) außerhalb der Nockenwellen am anderen Ende des Motorblocks liegend befindet.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Vorgelegewelle (26) parallel zu der ersten und zweiten Nockenwelle (18 und 22) erstreckt, ein erstes Antriebsmittel (16, 17, 25, 27) an dem einen Ende des Motorblocks (12) zur Übertragung von Antriebskraft von der Kurbelwelle (15) zum ersten VVS-Mechanismus (32) und zur Vorgelegewelle vorgesehen ist und daß ein zweites Antriebsmittel (28, 29, 31) an dem anderen Ende des Motorblocks zur Übertragung von Antriebskraft von der Vorgelegewelle zum zweiten VVS-Mechanismus (35) vorgesehen ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten und zweiten Nockenwelle (18 und 22) um die Einlaß-Nockenwellen handelt und die Vorgelegewelle eine Auslaß-Nockenwelle (26) zur Betätigung der Auslaßventile umfaßt.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Nockenwelle (19) mit einem sich koaxial durch die erste Nockenwelle (18) erstreckenden länglichen Teil (29) so angeordnet ist, daß sie ein Ventil der einen Gruppe für einen zwischen dem ersten und zweiten Zylinder liegenden dritten Zylinder betätigt und daß ein dritter VVS-Mechanismus (33) neben dem ersten VVS-Mechanismus (32) durch das längliche Teil antriebsmäßig mit der dritten Nockenwelle sowie auch mit der Kurbelwelle (15) verbunden ist.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Nockenwelle (21) mit einem sich koaxial durch die zweite Nockenwelle (22) erstreckenden länglichen Teil so angeordnet ist, daß sie ein Ventil der einen Gruppe für einen zwischen dem dritten und zweiten Zylinder liegenden vierten Zylinder betätigt und daß ein vierter VVS-Mechanismus (34) neben dem zweiten VVS-Mechanismus (35) durch das längliche Teil antriebsmäßig mit der vierten Nockenwelle sowie auch mit der Kurbelwelle (15) verbunden ist.

6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder VVS-Mechanismus (32, 33, 34, 35) jeweils ein drehbares Antriebsglied (36, 54) umfaßt, das so angeordnet ist, daß es von der Kurbelwelle (15) angetrieben wird, sowie auch jeweils ein Abtriebsglied (43, 59), das so angeordnet ist, daß es die jeweilige Nockenwelle (18, 19, 21, 22) antreibt, wobei jedes Antriebsglied eine Drehachse (P) hat, die relativ zur Drehachse (O) des jeweiligen Abtriebsglieds beweglich ist, um die Ventilsteuerung zu ändern.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antriebsglied (36, 54) in einer Exzenterhülse (51) gelagert ist, die in einer Bohrung (49) im Motorblock (12) drehbar ist, um die Drehachse (P) des Antriebsglieds zu bewegen.

8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (A) jeder Bohrung (49) zur Drehachse (O) des jeweiligen Abtriebsglieds (43, 59) um einen festgelegten Wert versetzt ist.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Versatz im wesentlichen gleich der Exzentrizität (E) der Hülse (51) ist.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Betriebsposition der Exzenterhülse (51) die Drehachse (P) des Antriebsglieds (36, 54) im wesentlichen mit der Drehachse (O) des Abtriebsglieds (43, 23) zusammenfällt.

11. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, sofern diese von Anspruch 4 oder 5 abhängig sind oder von Anspruch 6, sofern dieser von Anspruch 4 oder 5 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterhülse (51) zwei benachbarten VVS-Mechanismen (32 und 33, 34 und 35) gemein ist.

12. Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Eingangsglied (41) um im wesentlichen die gleiche Achse wie das erste Abtriebsglied (43) drehbar ist und so angeordnet ist, daß es Antriebskraft zum ersten Antriebsglied (36) überträgt, und ein zweites Eingangsglied um im wesentlichen die gleiche Achse wie das zweite Abtriebsglied drehbar ist und so angeordnet ist, daß es Antriebskraft zum zweiten Antriebsglied überträgt.

13. Motor nach Anspruch 12, sofern dieser von Anspruch 4 oder 5 abhängig ist oder von Anspruch 6, sofern dieser von Anspruch 4 oder 5 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Eingangsglied (41) einem benachbarten Paar VVS-Mechanismen (32 und 33, 34 und 35) gemein ist.

14. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterhülse (51) von einem Servomotor angetrieben wird.

15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor über ein selbsthemmendes Schnecken- -und Schneckenrad (69)-Getriebe antreibt.

16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Exzenterhülse (51) eine Verzahnung (67), um mit einer sich entlang dem Motorblock erstreckenden Steuerwelle (68) zu kämmen, und ein Schneckenrad (69) aufweist, um mit einer vom Servomotor angetriebenen Schnecke zu kämmen.

17. Motor nach Anspruch 12 oder 13 oder einem der Ansprüche 14 bis 16, sofern diese davon abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder VVS-Mechanismus (32, 33, 34, 35) einen Stift (39, 57) am jeweiligen Eingangsglied (41) und einen Stift (42, 58) am jeweiligen Abtriebsglied (43, 57) umfaßt, wobei jedes Antriebsglied (36, 54) ein Paar diametral gegenüberliegender radialer Nuten (37 und 38, 55 und 56) jeweils zum Antriebseingriff mit einem jeweiligen der Stifte umfaßt.

18. Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 17, sofern diese von Anspruch 4 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Abtriebsglied (19) des dritten VVS- Mechanismus (33) durch das Antriebsglied (36) des ersten VVS-Mechanismus (32) erstreckt.

19. Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 18, sofern diese von Anspruch 5 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Abtriebsglied des vierten VVS-Mechanisnus (34) durch das Antriebsglied des zweiten VVS- Mechanismus (35) erstreckt.

20. Motor nach einem der Ansprüche 11 bis 19, sofern diese von Anspruch 4 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Eingangsglied (41) des ersten VVS- Mechanismus (32) durch eine Öffnung (62) im Antriebsglied (54) des dritten VVS-Mechanismus (33) erstreckt.

21. Motor nach einem der Ansprüche 11 bis 20, sofern diese von Anspruch 5 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Eingangsglied des zweiten VVS-Mechanismus (35) durch eine Öffnung im Antriebsglied des vierten VVS-Mechanismus (34) erstreckt.

22. Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 11 oder einem der Ansprüche 12 bis 21, sofern diese davon abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich jedes Abtriebsglied (43, 59) an der jeweiligen Nockenwelle (18, 19, 21, 22) befindet.

23. Motor nach Anspruch 15 oder einem der Ansprüche 19 bis 22, sofern diese davon abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsglied des dritten VVS- Mechanismus (33) das längliche Teil (23) der dritten Nockenwelle (19) umfaßt.

24. Motor nach Anspruch 19 oder einem der Ansprüche 20 bis 23, sofern diese davon abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsglied des vierten VVS- Mechanismus (34) das längliche Teil der vierten Nockenwelle (21) umfaßt.