DE69101199T2 - Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen, das heißt auf Einlaßventile und Auslaßventile mit dem damit verbundenen Antriebsmechanismus, und es handelt sich dabei um solche Ventiltriebe, welche einen variablen Zeiteinstellmechanismus aufweisen.
• Es ist bekannt, daß es von Vorteil ist, die Zeiteinstellung der Auslaßventile und vor allem der Einlaßventile einer Brennkraftmaschine zu variieren. Bei hohen Motorendrehzahlen, wenn oie Gase mit hohen Geschwindigkeiten in und aus dem Zylinder strömen, ist es vorteilhaft, das Einlaßventil im Maschinenarbeitstakt früher zu öffnen und im Maschinenarbeitstakt verzögert zu schließen. Dies stellt die Einströmgasfüllung, d.h.. Kraftstoff und Luft, die während der Einlaßperiode in den Zylinder eintreten, auf einen Maximalwert ein und nützt die Trägheit der Füllung vorteilhaft aus, wobei für die Einströmfüllung relativ geringe Tendenz besteht von der Einlaßöffnung direkt zu der Auslaßöffnung zu strömen.
• Bei geringen Motorendrehzahlen ist ein späteres Öffnen des Einlaßventils erwünscht, um die Menge der Einlaßfüllung, die von der Einlaßöffnung direkt in die Auslaßöffnung strömt, zu minimieren. Diesee vorbeigeführte Strömung reduziert die Maschinenleistung und -effizienz, da die im Zylinder zur Verbrennung verbleibende Füllmenge reduziert ist, und sie erhöht die Menge an Kohlenwasserstoffverbindungen in dem ausströmenden Gas, da die Einlaßfüllung unverbrannten Kraftstoff enthält. Früheres Schließen des Einlaßventils aei niedrigen Motorendrehzahlen ist erwünscht, um die Menge der Einlaßfüllung, die während des Verdichtungshubs in die Einlaßöffnung zurückströmt, auf ein Minimum einzustellen.
• Viele Mechanismen, die eine variable Ventileinstellung (VVT = variable valve timing) vorsehen, wurden vorgeschlagen, aber sie besitzen alle große Mängel.
• Ein bekannter Mechanismus mit zeitvariabler Ventileinstellung (VVT), wie er im GB- A-1 70877 offenbart ist, ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Dieser weist erste und zweite Nocken 1 und 5 an jeweils parallelen Nockenwellen 2 und 6 auf Ein Träger 9, der auch als ein Nockenfolger beschrieben werden kann, erstreckt sich über die beiden Nocken. Der Folger enthält jeweils eine Nockenkontaktfläche 4 und 8 an jedem Ende, welche mit den Nocken an den Stellen 3' und 7' an den jeweiligen Nockenkontaktoberflächen 3 und 7 in Berührung tritt.
• Der Folger 9 ist in der Mitte über einen Bolzen 1 50 schwenkbar gelagert, der diesen mit einer über einen feststehenden Punkt 151 gelenkig aufgehängten seitlich führenden Stange 152 verbindet. Die Stange 152 weist eine Ventilkontaktfläche 153 10 auf, die mit dem Ende 10 des Ventilteiles 13 des Maschineneinlaßventils in Berührung steht. Das Ventilteil ist in Schließrichtung über eine Feder 12 vorgespannt, die auf das Teil über eine Federhalterung 11 einwirkt. Deshalb erzeugt jede Nettoabwärtsbewegung des Folgers eine Aowärtsbewegung des Ventilteils, welches durch die Feder zurückgehalten wird.
• Die Achse 14 des Ventilteils 13 befindet sich in der Mitte zwischen den Achsen der Nockenwellen 2 und 6. Deshalb ist die Auslenkung oder der Hub bei dem Ventil zu jeder Zeit gleich dem halben Hub des Nockens 1 plus dem halben Hub des Nockens 5 zu dieser gleichen Zeit. Dies ist in Figur 2 graphisch dargestellt, welche den Hub gegen die Zeit aufgetragen zeigt, und in welcher die beiden Nocken in Phase sind. In Figur 2a repräsentiert L1 den halben Hub des Nockens 1. In Figur 2b repräsentiert L2 den halben Hub des Nockens 5. In Figur 2c repräsentieren L1 + L2 den Ventilhub, der über eine Zeit Pa andauert und zu einem Maximum La ansteigt.
• Figur 3 ist ähnlich der Figur 2 und zeigt den Effekt bei einer Phasenverschiebung S des Nockens 5, so daß er relativ zum Nocken 1 verzögert ist. Die Wirkung auf den Ventilhub ist in Figur 3c dijrch L1 + L2 gezeigt. Es ist zu bemerken, daß der Maximal-Hub Lb des Ventils geringer ist als der Maximal-Hub La in Figur 2c, wenn die Nocken in Phase sind, und die Ventilperiode Pb ist größer als die ursprüngliche Periode Pa.
• Somit werden die Ventilöffnungsperiode und der Hub durch Vorschieben oder Verzögern der Phase einer Nockenwelle in Bezug zu der anderen Nockenwelle variiert.
• Ein für eine Brennkraftmaschine typischer Nocken hat die in Figur 4 gezeigten Kurven. Figur 4a zeigt die Kurve des Ventilhubs oder Ventilbewegung L auf der y- Achse gegen die Zeit auf der x-Achse. In der Nockenperiode de ist die Kurve des Hubs konkav. In der Nockenperiode efg ist die Kurve des Hubs konvex. In der Nockenperiode gh ist die Hub-Kurve konkav Der Hub hat ein Maximum am Punkt j, der dem Punkt f auf der Zeit-Achse entspricht.
• Die entsprechende Kurve für die Geschwindigkeit V ist in Figur 4b gezeigt. Während der Öffnungsperiode def erreicht das Ventil bei I seine maximale Öffnungsgeschwindigkeit. Während der Schließperiode fgh erreicht das Ventil seine maximale Schließgewindigkeit bei m.
• Die entsprechende Beschleunigung A ist in Figur 4c gezeigt. Während der Periode de erfährt das Ventil eine positive Beschleunigung, die ihr Maximum bei n erreicht Während der Periode efg erfährt das Ventil eine negative Beschleunigung, die ihr Maximum bei o erreicht. Während der Periode gh erfährt das Ventil eine positive Beschleunigung, die ihr Maximum bei p erreicht.
• Wenn zwei Nocken des in Figur 1 dargestellten Ventiltriebs verwendet werden, erhält man die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ergebnisse.
• Wenn die Nocken außer Phase sind, gibt es, obgleich die Kurve des Hubs augenscheinlich abgefiacht ist, ein dynamisches Problem, welches offensichtlich wird, wenn man die Beschleunigungskurve, Figur 4c, betrachtet. Da die erzeugten Trägheitskräfte direkt proportional der Größe der Beschleunigung sind, sind die Kurven für die Beschleunigung ein guter Indikator dafür, ob der Mechanismus mit zeitvariabler Ventileinstellung (VVT) in der Lage ist bei hoher Geschwindigkeit zu arbeiten. Bei hoher Geschwindigkeit verursachen übermäßige Trägheitskräfte übermäßige Vibration und übermäßige mechanische Beanspruchung.
• Figur 5 zeigt den Fall, in welchem die beiden Nocken um 12,5% der Nockenperiode außer Phase sind. Figur 5a zeigt die Beschleunigungskurven der beiden Nocken unten diesen Bedingungen. Figur 5b zeigt die Ventilbeschleunigung. Die neue Periode ist dte"f"g"wh", welche um 1 2,5% länger ist als die, in welcher die Nocken in Phase sind. Die Beschleunigung wird durch die Kurve dstue "o" g"vwxh" definiert. Die Punkte suvx kennzeichnen vier Beschleunigungsmaxima, die wahrscheinlich ernsthafte Vibrationsprobleme verursachen.
• Es ist klar, daß die Verwendung konventioneller Nocken bei einem Mechanismus mit zeitvariabler Ventileinstellung (VVT) diesen Typs bei hohen Geschwindigkeiten nicht möglich ist.
• Figur 6 zeigt die Kurven der Nocken des Ventiltriebs der Figur 1, bei welchem versucht wird, diese Probleme zu lösen. Figur 6a zeigt die Hub-Kurven des ersten Nockens. Figur 6b zeigt die Hub-Kurve des zweiten Nockens. Figur 6c zeigt die Ventilhub-Kurve, die entsteht, wenn die zwei Nocken außer Phase sind, wie gezeigt. Der erste Nocken hat eine Werweilperiode bd, in welcher der Nockenhub konstant bleibt, wie durch die Linie jq gezeigt. Der zweite Nocken hat eine Verweilperiode fh, während welcher der Nockenhub konstant bleibt, wie durch die Linie rp gezeigt.
• Ab dieser Stelle sollte bemerkt werden, daß ein Totgang oder Spiel ein kleiner Zwischenraum zwischen den sich bewegenden Teilen ist, wenn das Ventilteil nicht betätigt wird, d.h., wenn das Ventil geschlossen ist. Ein Spiel ist erforderlich, um den einzelnen Teilen thermische Ausdehnung zu ermöglichen, wenn die Maschine heiß ist, ohne das Ventil während seiner Schließperiode unbeabsichtigt zu öffnen. Eine freie Bewegung ist eine relativ umfangreiche Bewegung der Teile in dem Mechanismus mit zeitvariabler Ventileinstellung (VVT) des beschrieben Typs, bei welcher die Teile in einem Ausmaß, welches viel größer ist als das Spiel, während eines Zeitraums des Ventilbetriebstaktes voneinander getrennt werden. Die freie Bewegung ist groß genug, um die Verwendung konventioneller Mittel der Spielregelung auszuschließen.
• Der in Figur 1 gezeigte Ventilbetrieb weist eine große freie Bewegung, mit X in Figur 6c gekennzeichnet, zwischen dem Folger und der Ventilstange oder zwischen dem Folger und den Nocken auf. Der durch den ersten Nocken erzeugte Hub L1 reicht nur aus, um diese freie Bewegung abzufangen. Dies ist durch die Linie aj in Figur 6c dargestellt. Zur Zeit c in der Ventilperiode beginnt der zweite Nocken den Folger zu bewegen und nach Abfangen eines eventuellen Totgangs oder Spiels des Systems addiert er seinen Hub L2 zu dem von dem ersten Nocken erzeugten Hub. Daraus resultiert ein Ventilhub, der durch die schräg schraffierte Fläche in der Figur 6c gekennzeichnet ist. Durch Änderung des Phasenwinkels zwischen den beiden Nocken kann die Größe und Periode dieses Hubs variiert werden.
• Wie bereits erwähnt, ist freie Bewegung eine nicht erwünschte Eigenschaft bei einem Hochgeschwindigkeitsmechanismus und viele Versuche zur Beseitigung des Problems wurden unternommen. Ein bemerkenswertes Beispiel ist in einer SAE-Veröffentlichung 890 676 offenbart, die einen verbesserten Mechanismus mit variabler Ventileinstellung (VVT) des in Figur 1 dargestellten Grundtyps beschreibt. Wie alle seine Vorgänger ist der Mechanismus verglichen mit einem konventionellen Ventilmechanismus mit direkter Festzeitsteuerung aufwendig und für den Betrieb bei hoher Geschwindigkeit nicht geeignet. Diese Probleme beruhen hauptsächlich auf der Tatsache, daß der Mechanismus eine Kompensationsvorrichtung für freie Bewegung enthält, um die dem System zu eigene freie Bewegung abzufangen.
• Ein Ventiltrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in GB-A-2 180 597 offenbart. Die Form der Nocken in diesem Ventiltrieb ist derart, daß freie Bewegung stattfindet, und diese wird von einem aufwendigen Kompensator für freie Bewegung abgefangen.
• Die Erfindung hat sich somit zur Aufgabe gestellt, einen Ventiltrieb mit einem Mechanismus mit zeitvariabler Ventileinstellung (VVT) zu schaffen, der durch mehr als einen Nocken pro Ventil betrieben wird, in welchem die freie Bewegung oder der Zwischenraum zwischen der Komponenten im wesentlichen gleich Null ist. wodurch ermöglicht wird, wenn gewünscht, eine Spielausgleichseinrichtung (oder Totgangseinstelleinrichtung) oder einen Kompensator zu verwenden und auch zu ermöglichen, daß der Ventiltrieb und somit auch der Motor bei hohen Drehzahlen ohne Erzeugung von wesentlichen Erschütterungsbelastungen und Lärm betrieben werden kann.
• Gemäß der Erfindung ist ein Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine vorgesehen mit einem ersten um eine erste Achse drehbaren Nocken, mit einem zweiten um eine zweite Achse drehbaren Nocken, welche zweite Achse im wesentlichen parallel zur ersten Achse ist oder mit der ersten Achse zusammenfällt, mit einem Phasenwechselmechanismus, der geeignet ist selektiv die Phasenlage eines der beiden Nocken in Bezug auf den anderen zu ändem, mit einem entlang einer Ventilachse beweglichen Ventilteil, mit Vorspannmitteln, die das Ventilteil in einer ersten Richtung längs der Ventilachse belasten, und mil einem Nockenfolger, der erste und zweite mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Nocken in Eingriff stehende Kontaktflächen aufweist und der die Bewegung von den Nocken auf das Ventilteil überträgt, jedoch beweglich in Bezug auf das Ventilteil ist, wobei das Profil des ersten Nockens einen ansteigenden Abschnitt zur Bewegung des Ventilteils in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung und eine abfallende Flanke zur Steuerung der Bewegung des Nockenfolgers in Bezug auf das Ventilteil aufweist, wobei ferner das Profil des zweiten Nockens einen abfallenden Abschnitt zur Steuerung der Bewegung des Ventilteils in der ersten Richtung und eine ansteigende Flanke zur Steuerung der Bewegung des Nockenfolgers in Bezug auf das Ventilteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient der ansteigenden Flanke und der Gradient der abfallenden Flanke im wesentlichen gleich ist, zumindest über einen Teil ihrer Länge, und daß die Phase der beiden Nocken so ist, daß die Zeiten, in denen die ansteigenden und abfallenden Flanken den Nockenfolger berühren, sich überlappen, während das Ventilteil stationär in der Schließposition ist, wobei der Nockenfolger sich in Bezug auf das Ventilteil bewegt.
• In der in Figur 1 dargestellten Bauweise bewegt sich, wenn das Ventilteil in der Schließposition ist und sich wegen seines Anliegens an dem Ventilsitz nicht weiter in die Schließrichtung bewegen kann, einer oder beide Nocken von dem Nockenfolger weg und und die freie Bewegung tritt auf und muß in einer späteren Stufe des Zyklus aufgefangen werden, bevor das Ventilteil durch die Nocken bewegt werden kann. Wenn das Ventil geschlossen ist. steht bei der Erfindung jedoch der Nockenfolger im Eingriff mit den ansteigenden und abfallenden Flanken, deren Gradient gleich ist und deren maximale Höhe vorzugsweise auch gleich ist, was bedeutet. daß ihre summierte Höhe, das heißt der summierte Hub, den sie auf den Nockenfolger ausüben, konstant bleibt und wie die abfallende Flanke dazu neigt, sich vom Nockenfolgerwegzubewegen, bewegt sich der Nockenfolger zwangsweise mit der ansteigenden Flanke.
• Das bedeutet, daß die freie Bewegung überhaupt nicht in Erscheinung tritt und daß die Nocken jederzeit in konstantem ständigen Kontakt mit dem Nockenfolger verbleiben oder von ihm räumlich durch eine Abstand getrennt sind, der nur dem üblichen Spielabstand entspricht, der durch eine Spielausgleichseinrichtung kompensiert werden kann.
• Mit anderen Worten, die Wirkung der ansteigenden und abfallenden Flanken hebt sich während der Überlappungsperiode auf, und die axiale Stellung des Nockenfolgers längs der Achse des Ventilteils bleibt im wesentlichen konstant, und die Nocken bleiben im wesentlichen im Kontakt mit dem Nockenfolger, der deshalb durch den Eingriff der Nocken bewegt wird. Die freie Bewegung ist deshalb während dieser Periode im wesentlichen Null.
• Die axiale Stellung des Nockenfolgers während der Überlappungsperiode ist jedoch von der relativen Phasenlage der beiden Nockenwellen abhängig. Das Spiel in dem System variiert deshalb mit der wechselnden Phasenlage der Nockenwellen. Aus diesem Grund wird der Einbau einer Spielausgleichsvorrichtung vorgeschlagen, vorzugsweise einer hydraulischen, die beispielsweise auf einen Stößel wirkt wodurch jedes nur mögliche Spiel in dem System ohne Berücksichtigung der Phase der Nockenwelle auf Null reduziert werden kann.
• In einem vollkommen mechanischen System, in welchem keine Spielausgleichsvorrichtung oder kein Kompensator vorhanden ist, kann die Ventilbeweung optimiert werden, wenn das Profil jeden Nockens einen Abschnitt mit Null-Gradient angrenzend an den Abschnitt mit maximaler und minimaler Auslenkung aufweist.
• Die beiden Nocken können von zu einander parallelen Nockenwellen oder durch eine einzige mit dem Phasenwechselmechanismus verbundene Nockenwelle getragen werden. In diesem Fall fallen die Achsen der beiden Nocken zusammen, und der Nockenfolger kann die übliche V-Form oder Trog-Form mit nach außen abgeschrägten die Berührungsflächen bildenden Seiten aufweisen.
• Der Nockenfolger kann von der in Figur 1 dargestellten Art sein, d.h., mit zwei im allgemeinen koplanaren Berührungsflächen, und in diesem Fall wird die Bewegung des Nockenfolgers in Bezug auf das Ventilteil bei geschlossenem Ventil eine Schwenkbewegung sein. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß der Ventilhub gleich dem Hub jedes einzelnen Nockens ist, gesetzt, daß der Hub bei jedem Nocken gleich ist. Das von der Nockenwelle beanspruchte Volumen ist jedoch doppelt so groß wie bei einer einzigen Nockenwelle mit direkter Steuerung. Ein weiterer Nachteil ist, daß das Gelenk 150 sehr hoch belastet ist, und die Stange 152 zur seitlichen Führung der Nockenfolgerstange erforderlich ist. Diese Stange beansprucht Platz und vergrößert das Gewicht, die Kosten und den Raum des Ventiltriebs.
• In einer bevorzugten Ausführungsform jedoch, bei welcher die Nocken kleiner sein können als in der Bauweise der Figur 1 und der seitliche Führungsstab ganz weggelassen werden kann, wodurch der VentiItrieb billiger, leichter und einfacher ist, sind die ersten und zweiten Kontaktflächen gegen die Ventilachse um einen spitzen Winkel von 15º bis 70º geneigt der Nockenfolger ist quer zur Ventilachse durch Eingriff der Nocken beweglich und so zwangsgeführt, daß er nur im wesentlichen parallel zu der Ventilebene beweglich ist, in der die Ventilachse liegt und die sich senkrecht zu den beiden Nockenwellen erstreckt.
• Der Nockenfolger kann direkt auf das Ventilteil einwirken, aber vorzugsweise wirkt er indirekt über einen Stößei. Der Nockenfolger kann durch zahlreiche Mittel geführt sein, um sich parallel zu der Ventilebene zu bewegen und vorzugsweise im wesentlichen in der Ventilebene, beispielsweise durch Einpassen in eine Nut oder Ausparung in dem Zylinderkopf oder einer zusätzlichen Platte oder durch Ausrüsten des Folgers oder des Stößels mit einem oder mehreren Flanschen, die in die Nuten oder über die Enden des Stößels oder Folgers eingreifen. Es ist außerdem möglich, daß der Stößel einen aufrecht stehenden Vorsprung mit mindestens teilweise kreisförmigem Querschnitt aufweist, der in einer Nut an der Unterseite des Nockenfolgers aufgenommen wird, wodurch ein Grad an Drehbewegung des Nockenfolgers oder Stößels möglich ist.
• Die einfachste Form des Nockenfolgers ist die Form eines dreiecksförmigen Prismas mit zwei planaren Oberflächen, die Nockenkontaktoberflächen darstellen. Diese beiden Oberflächen können entweder konkav oder konvex sein. Alternativ kann der Nockenfolger von komplexerer Form sein, aber weist dann vorzugsweise noch zwei Nockenkontaktflächen auf, die zu einander und zu der Ventilachse geneigt sind. Bei einer weiteren Möglichkeit bestehen die Nockenkontaktflächen aus von dem Nockenfolger getragenen Rollen oder ähnlichem, und in diesem Fall ist die eigentliche Form des Nockenfolgers unwichtig. Wenn die Nockenkontaktflächen rund oder gekrümmt sind, ist wichtig, daß die Tangenten an den Nockenkontaktpunkten und Kontaktflächen, in Längsrichtung der Nockenwellen gesehen, zur Ventilachse um 15º bis 70º geneigt sind.
• Alternativ kann der Nockenfolger generell die Form des Buchstabens V aufweisen mit zwei divergierenden Ansätzen, bei welchen sich gegenüberliegende Oberflächen die Kontaktflächen bilden. In diesem Fall werden die Nocken nicht durch getrennte Nockenwellen, sondern von einer einzigen Nockenwelle getragen. Die sich gegenüberliegenden Flächen werden in der Praxis nicht direkt gegenüberliegend sein, sondern in der Längsrichtung der Nockenwelle leicht versetzt sein, so daß die jeweiligen Nocken eingreifen können. Dies kann dazu führen, daß der Nockenfolger um die Ventilachse dreht. Deshalb ist eine weitere Möglichkeit einen oder zwei Nocken in zwei Hälften zu teilen, welche die gleiche Form und Winkelposition aufweisen, und die gegenseitig beabstandet und durch den anderen Nocken getrennt sind. In diesem Fall soll die Bauweise des Nockenfolger in ähnlicher Weise modifiziert sein und einer der geneigten Ansätze ist ebenfalls in zwei Hälften geteilt, die in Richtung der Nockenwelle gegenseitig beabstandet sind, wobei der andere Ansatz der Lücke zwischen den beiden Hälften gegenüberliegt. Mit dieser Anordnung geht man sicher, daß die Tendenz des Nockenfolgers zu drehen vermieden wird.
• Die Erfindung schließt auch eine Maschine mit einem oder mehreren Zylindern ein, deren Einlaß- und/oder Auslaßöffnung(en) mit Hilfe eines derartigen Ventiltriebs gesteuert werden.
• Weitere Merkmale und Details der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung der bestimmten spezifischen Ausführungsformen zu ersehen, die an Hand von Beispielen gegeben werden unter Bezugnahme nur auf Figuren 7 bis 18 der beiliegenden Zeichnungen. in welchen folgendes dargestellt ist.
• Figur 7 ist ein Seitenaufriß des erfindungsgemäßen Ventiltriebs.
• Figuren 8 und 9 stellen jeweils die Hub- und Beschleunigungskurven des erfindungsgemäßen Ventiltriebs dar.
• Figur 10 zeigt die Beschleunigungskurven einer modifizierten Bauweise des erfindungsgemäßen Ventiltriebs.
• Figur 11 zeigt einen schematischen Seitenaufriß des modifizierten erfindungsgemäßen Ventiltriebs in verschiedenen Stadien des Arbeitstaktes.
• Figur 12 ist eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht des Nockenfolgers und Stößels des erfindungsgemäßen Ventiltriebs.
• Figur 13 stellt schematisch die Bewegung des Nockenfolgers in Bezug auf den Zylinderkopf dar.
• Figur 14 zeigt die Resultante des Hubs der beiden Nocken zu unterschiedlichen Ventilperioden.
• Figur 15 stellt die Kurven des Hubs eines vollkommen mechanischen Ventiltriebs ohne automatische Mittel zur Einstellung des Ventilspiels dar
• Figuren 16 und 17 sind jeweils eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht eines Teils eines modifiziertes Ventiltriebs, in welchem zwei Nocken durch eine einzige Nockenwelle getragen werden.
• Figur 118 ist eine perspektivische Ansicht, in welcher das Ventil durch drei auf einer einzigen Nockenwelle getragenen Nocken betrieben wird.
• Bezugnehmend auf Figur 7 wird hier ein erster planarer Nocken 15 von einer ersten Nockenwelle 16 zur Drehung in Richtung des Pfeiles 17 getragen. Ein zweiter planarer Nocken 21 wird von einer zweiten Nockenwelle 22 zur Drehung in Richtung des Pfeiles 23 getragen. Die ersten und zweiten Nocken berühren einen prismatischen dreiecksförmigen Nockenfolger 25 an jeweiligen Kontaktpunkten auf jeweiligen Nockenkontaktflächen 18 und 24. Der Nockenfolger 25 ist in horizontalem Gleitkontakt mit der Oberfläche eines Stößels 26. Der Stößel wird vertikal in einer Aussparung 19 in dem Zylinderkopf 20 einer Maschine gleitbar aufgenommen.
• Eine vertikale Bewegung des Stößels 26 verursacht eine vertikale Bewegung eines Einlaßventilteils 29 längs der Achse 30 seines Schaftes. Das Einlaßventil ist zur Schließposition durch eine Feder 28 vorgespannt, die auf das Ventilteil 29 über eine Federhalterung 27 wirkt.
• Der dreiecksförmige Nockenfolger 25 ist zwangsgeführt, um sich nur in der Ebene der Abbildung zu bewegen. Diese Ebene kann auch als Ventilebene bezeichnet werden, da sie den ersten Nocken und den zweiten Nocken senkrecht zu den beiden Nockenwellen durchläuft und die Ventilachse einschließt.
• Die vorhergehende Beschreibung bezieht sich auf einen Ventiltrieb, bei welchem das Ventil in Schließposition vorgespannt ist, und die Nocken dazu dienen, das Ventil in Öffnungsposition zu stoßen. Das Gegenteil ist jedoch möglich, d.h., daß das Ventil in der Öffnungsposition vorgespannt ist, und die Nocken dazu dienen, das Ventil in die Schließposition zu stoßen.
• Der zweite Nocken 21 weist ein Profil mit einem abfallenden Abschnitt 200 auf, welcher sich vom Punkt P im Uhrzeigersinn zum Punkt Q erstreckt, und der restliche Teil seines Profils besteht aus einer ansteigenden Flanke 201 mit im wesentlichen konstanten Gradienten. Der erste Nocken 15 weist ein Profil auf, das spielgeIbildlich zum zweiten Nocken ist, und somit einen ansteigenden Abschnitt 202 vom Punkt S im Uhrzeigersinn zum Punkt T hat, und sein restlicher Profilabschnitt besteht aus einer abfallenden Flanke 203 mit im wesentlichen konstanten Gradienten.
• Figuren 8 und 9 zeigen Kurven der Nocken des erfindungsgemäßen Ventiltriebes, wobei die Nocken in Phase gebracht sind, um eine lange Ventilperiode produzieren. Figur 8a zeigt die Hub-Kurve L1 für den ersten Nocken. Figur 8b zeigt die Hub-Kurve L2 für den zweiten Nocken. Figur 8c zeigt den Ventilhub (schraffierte Fläche), wenn die beiden Nocken, wie gezeigt, in Phase gebracht sind.
• Die Nockenperiode a bis g erstreckt sich über eine 360º-Drehung, so daß die Abbildungen als fortlaufende Kurven gesehen werden sollten. Deshalb sind die von dem ersten Nocken erzeugte Geschwindigkeitsflanken w und x Abschnitte einer einzigen Flanke, und die von dem zweiten Nocken erzeugte Geschwindigkeitsflanken y und z sind Abschnitte einer einzigen Flanke. Tatsächlich weist das äußere Profil jeden Nockens zwei Abschnitte auf: eine Flanke konstanter Geschwindigkeit und einen aktiven Abschnitt. Für den ersten Nocken ist der aktive Abschnitt für den Ventilhub vorgesehen, und beim zweiten Nocken steuert der aktive Abschnitt die Abnahme des Ventilhubs. Der aktive Abschnitt auf dem ersten Nocken erzeugt den Hub von den Punkten i bis k. Der aktive Abschnitt des zweiten Nockens steuert die Abnahme des Hubs von den Punkten n bis p. Am Punkt i des ersten Nockens beginnt das aktive Profil. Wegen der abnehmenden Geschwindigkeit der Geschwindigkeitsflanke an diesem Punkt wird jedoch das Minimum des Nockenhubs erst am Punkt b erreicht. Der Nockenhub nimmt dann zu, bis er ein Maximum am Punkt j erreicht. Beim Punkt k beginnt der Hub abzunehmen, und der Nocken erzeugt eine abnehmende Geschwindigkeit, die sich mit der der Flanke deckt. Für den zweiten Nocken (Figur 11b) weist die Flanke eine konstante Geschwindigkeit in umgekehrter Richtung auf.
• Wenn die Nockenhübe L1 und L2 addiert werden, resultiert daraus ein in Figur 8c gezeigter Ventilhub. Der Gradient der Flanke wx ist gleich und entgegengesetzt zum Gradienten der Flanke yz. Deshalb heben sie sich auf und erzeugen keine Ventilbewegung während der Periode uvrs.
• Es ist entscheidend für die Zielsetzung der Erfindung, um die Erfindung zu verstehen, die Unterschiede zwischen der die bekannten Nockenhubprofile eines Mechanismus mit zeitvariabler Ventileinstellung (VVT) zeigenden Figur 6 und der Figur 8 zu beobachten. In Figur 8 wird ein Ventilhub längs der Linie stu erzeugt, um einen maximalen Hub L zu erzeugen. Die Größe X ist eine konstante Versetzung (im Gegensatz zu einer variablen Versetzung wie in Figur 6) von der Basislinie der Nocken und kann durch geeignete Dimensionierung der Komponenten auf Null reduziert werden, wobei nur das erforderliche Minimum an Spiel belassen und die freie Bewegung der Komponenten beseitigt wird.
• Figur 9 zeigt die Beschleunigungskurven der beiden Nocken. Bei dem ersten Nocken (Figur 9a) beginnt die Beschleunigung bei i und erreicht einen maximalen positiven Wert bei a', bevor sie bei b' auf Null abfällt. Die Beschleunigung setzt sich in einer negativen Phase mit einem Maximalwert bei c' fort, bevor sie bei k zu Null zurückkehrt. Das hervorstechenste Merkmal ist, daß es nur eine einzige Positiv- Beschleunigungsperiode gibt. Konventionelle Nocken haben zwei Positiv- Beschleunigungsperioden. wie in Figur 4c gezeigt.
• Die Folge von nur einer einzigen Positiv-Beschleunigungsperiode ist, daß der Hub am Punkt k nicht der gleiche ist wie der Hub am Punkt i. In Wirklichkeit ist der erste Nocken ein Öffnungsnocken; er kann das Ventil öffnen, aber er kann das Ventil nicht schließen. In ähnlicher Weise ist der zweite Nocken in Wirklichkeit ein Schließnocken. Seine Beschleunigungskurven sind spiegelbildlich zu denen des ersten Nockens, wie in Figur 9b gezeigt. Sie beginnt bei n mit einer Periode negativer Beschleunigung, die ihr Maximum bei e' hat, bevor sie bei f' zu Null zurückkehrt. Die Beschleunigung geht dann in eine positive Phase über mit einem Maximum bei g und kehrt bei p zu Null zurück.
• Wenn diese beiden Beschleunigungen kombiniert werden, entsteht die in Figur 9c gezeigte resultierende Beschleunigungskurve. Bei sorgfältiger Gestaltung der Beschleunigungskurven jedes einzelnen Nockens ist es möglich, eine Ventilbeschleunigungskurve zu erzeugen, die derjenigen sich annähert, die bei einem einzigen Nocken mit direkter Steuerung erhalten wird.
• Unter Umständen kann es vorteilhaft sein die in Figur 9a gezeigte Beschleunigungskurve zu der in Figur 10 gezeigten zu modifizieren. Die modifizierte Kurve ia'b'c'r's'k hat eine kleine sekundäre Positiv-Beschleunigungperiode r's'k. Diese Kurve kann hilfreich sein, wenn die Beschleunigungskurve des Ventils über den gesamten Bereich der Ventilperiode glatter gemacht werden soll.
• Figur 11 stellt die Wirkung der Nockenprofile dar, wenn der Nockenfolger dreiecksförmig ist. In Figur 11 a wird der Hub bei dem Nockenfolger 25 in seiner äußerst linksgelegenen Stellung gerade gestartet. In Figur 11b ist die Hubbewegung im Fortschreiten. Figur 11 c zeigt das Ventil bei vollem Hub. In Figur 11d ist die Hubbewegung am Abnehmen. In Figur 11e ist das Ventil in seinen Sitz zurückgekehrt und hat Null-Hub. Der Nockenfolger ist in seiner äußerst rechtsgelegenen Stellung. In Figur 11f liegen die Nocken beide an ihren Flanken, so daß die Bewegung des Nockenfolgers von rechts nach links in einer rein horizontalen Richtung ohne vertikale Komponente verläuft.
• In Figur 11 ist der erste Nocken 15 mit seiner Nockenwelle 16 niedriger angeordnet als die Nockenwelle 22 des zweiten Nockens 21. Dies verringert das Kippmoment auf den Nockenfolger.
• Figur 12 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines dreiecksförmigen Nockenfolgers 25 in Kontakt mit dem Stößel 26. Ein kleiner Zapfen 11 am Scheitel des Stößels 26 ist in gleitendem Eingriff mit einem Kanal 109 an der Unterseite des Nockenfolgers 25. Der Zapfen 11 kann wahlweise ein Ölzuführungsloch 110 haben, um Öl den gleitenden Kontaktflächen zuzuführen. Der Zapfen kann auch in Verbindung mit alternativen Nockenfolgerformen verwendet werden.
• Wie vorhergehend erwähnt bleibt die freie Bewegung in dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb über jeden Zyklus im wesentlichen konstant, während das Ventil geschlossen ist, und durch passende Dimensionierung der verschiedenen Komponenten ist es möglich, es so einzurichten, daß sie Null ist. Die Größe des Spiels variiert jedoch mit dem Phasenunterschied. Der Mechanismus dieses Effekts wird im folgenden detaillierter beschrieben. Figur 12 zeigt deshalb eine hydraulische Spielausgleichsvorrichtung 112, die zur Justierung der vertikalen Stellung des Stößels vorgesehen ist, um das Spiel aufzufangen.
• Wie oben festgestellt, ist der Nockenfolger zwangsgeführt, um nur in der Ventilebene zu gleiten, d.h., der Nockenfolger hat zwei Freiheitsgrade. Auch der Stöße hat zwei Freiheitsgrade. Er kann sich axial längs der Ventilachse bewegen, und er kann um die Ventilachse innerhalb des Kanals 1 09 in der Unterseite des Nockenfolgers 25 drehen. Die Bewegung des Nockenfolgers 25, relativ zu dem Zylinderkopf 20, ist in Figur 13 dargestellt. Eine Umlaufbahn 120 dient für lange Ventilperioden, wenn die Nocken einen maximalen Phasenunterschied haben. Eine Umlaufbahn 121 dient für kurze Ventilperioden, wenn die Nocken einen minimalen Phasenunterschied haben.
• Figur 14 zeigt die Änderung in dem resultierenden Hub (LI + L2) der beiden Nocken bei unterschiedlichen Ventilphasen. Eine Linie 1 30 zeigt die Resultante bei maximaler Ventilperiode. Eine Linie 131 zeigt die Resultante bei minimaler Ventilperiode. Zwei Merkmale sollten zur Kenntnis genommen werden: erstens, der resultierende Hub nimmt mit kleiner werdender Periode ab. Zweitens, die Höhe der Basislinie (horizontaler Anteil) steigt. wenn die Periode reduziert ist, was eine Zunahme im Spiel anzeigt. Bei einer Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug kann die Abmessung 132 etwa 0,75 mm sein. Für hochtourige Anwendungen ist deshalb die Verwendung einer hydraulischen Spielausgleichsvorrichtung in hohem Maße erwünscht, um Unterschiede in der Position der Basislinie, d.h. Unterschiede in der Größe des Spiels, die durch Änderungen in den Phasen der Nocken entstehen, auszugleichen.
• Obgleich die Verwendung einer hydraulischen Spielausgleichsvorrichtung bevorzugt ist, kann auch ein vollkommen mechanisches System durch Einführen horizontaler Abschnitte in das Nockenhubprofil 140, 141, 142, 143 realisiert werden, wie in Figur 15 gezeigt. Wenn eine mechanische Spielausgleichsvorrichtung mit den so weit beschriebenen Nockenformen verwendet wird, ist die Ventilbewegung an der Sitzfläche und beim Öffnen nicht optimal, da die konkaven Abschnitte des Profils unwirksam sind, wenn längere Perioden gebraucht werden. Das kommt daher, daß bei längeren Ventilperioden die konkaven Profilabschnitte mehr in die freie Bewegung (oder teilweise in die freie Bewegung) des Nockenfolgers fallen, als daß das Ventil aktiviert wird. In der Praxis bedeutet das, daß das Ventil eine sehr rasche Beschleunigung beim Verlassen seines Sitzes und eine sehr rasche Geschwindigkeitsabnahme beim Zurückkehren in den Sitz erfährt. Die Wirkung der horizontalen Abschnitte des Nockenprofils liegt darin, sicherzustellen, daß die konkaven Abschnitte des Nockenprofils bei allen Ventilperioden (Figur 15c) aus der freien Bewegung herausfallen. Die Strecke (X) der horizontalen Abschnitte (Figur 15a) ist gleich der Länge der Periode der Ventileinstellvariation (Figur 15c). Unter diesen Bedingungen entsteht ein Spiel bei allen Ventilperioden außer bei der kürzesten Periode, und ist maximal (145) in der maximalen Ventilöffnungsperiode.
• In den vorgehend beschriebenen Ausführungsformen werden die beiden Nocken von getrennten parallelen Nockenwellen getragen. Die Mittel zur Veränderung der relativen Phase von zwei derartigen Nockenwellen sind Fachleuten bekannt, und eines der Beispiele ist im US-A-3109417 offenbart. Ein derartiger Phasenwechselmechanismus ist ziemlich aufwendig und komplex. In einer alternativen Ausführungsform, die zum Teil in den Figuren 16 und 17 dargestellt ist, werden die beiden Nocken auf einer einzigen Nockenwelle getragen. die einen Phasenwechselmechanismus enthält, um einen Nocken entsprechend zum anderen zu drehen. Dies ist an sich bekannt, und ein Beispiel wird als Clemson-Nockenwelle bezeichnet. Die beiden Nocken wirken jedoch üblicherweise jeweils auf die Einlaß- und Auslaßventile und nicht auf ein Einlaßventil, wie in diesem Fall. Wie man den Figuren 1 6 und 1 7 entnehmen kann, gibt es hier eine einzige Nockenwelle 250, die zwei Nocken 251 und 252 trägt, und die mit einem Phasenwechselmechanismus (nicht gezeigt) verbunden ist, der geeignet ist, die beiden Nocken relativ zueinander um die Achse der Nockenwelle zu verschieben, um ihre Phase zu ändern. Die Nocken greifen in jeweilige Kontaktflächen auf einem gemeinsamen Nockenfolger 253. welcher durch jeweils sich abwärts erstreckende Ansätze 254 und 255 gebildet wird, welche sich auch in einem Winkel von 15º bis 70º zur Ventilachse nach auswärts erstrecken. Der Nockenfolger hat so im allgemeinen eine V-Form oder divergierende Trog-Form in der Frontansicht. Die Grundfläche 256 des Nockenfolgers 253 greift an einem Stößel an. In anderen Gesichtspunkten ist der Ventiltrieb der Figuren 16 und 17 ähnlich dem vorher beschriebenen.
• Ein Problem, welches der in Figur 17 gezeigten Anordnung zugrunde liegt besteht darin, daß der Nockenfolger dazu neigt sich um die Ventilachse zu drehen. Eine Reihe von Verfahren können angewandt werden, um diese Drehung zu verhindern und Figur 18 zeigt ein Beispiel.
• Einer der Nocken ist in zwei Teile 258 und 260 geteilt, deren Form und Winkelposition identisch sind, und welche sich zusammen aber unabhängig von dem anderen Nocken 259 bewegen können, um die relative Phase der beiden Nocken zu verändern. Der Nockenfolger 257 ist in ähnlicher Weise modifiziert, in dem die abgeschrägten Ansätze in zwei Abschnitte 261 und 263 getrennt sind, auf deren innere Kontakt flächen eine der jeweiligen Nockenhälften 258 und 260 einwirken, und die durch eine Lücke beabstandet sind. Dieser Lücke gegenüber Iiegt der andere abgeschrägte Absatz 262, an dessen Kontaktfläche der Nocken 259 eingreift. Diese Anordnung ist in sich stabiler als die in Figur 17 gezeigte und zeigt nicht die Tendenz, eine Drehung um die Ventilachse zu verursachen. In anderen Gesichtspunkten ist die Bauweise der Figur 18 ähnlich zu den früheren Ausführungsformen.

Claims (10)

1.) Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einem ersten um eine erste Achse drehbaren Nacken (15), mit einem zweiten um eine zweite Achse drehbaren Nocken (21), welche zweite Achse im wesentlichen parallel zur ersten Achse ist oder mit der ersten Achse zusammenfällt, mit einem Phasenwechselmechanismus der geeignet is1, selektiv die Phasenlage eines der beiden Nacken in Bezug auf den anderen zu ändern, mit einem entlang einer Veniilacnse (30) beweglichen Ventilteil (29), mit VorspannungsmiUeln (28), die das Ventilteil in einer ersten Richtung längs der Ventilachse belasten, und mit einem Nockenfolger (25), der erste und zweite mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Nacken in Eingriff stehende Kontaktflächen (28, 24) aufweist und der die Bewegung von den Nacken auf das Ven1ilteil überträgt jedoch beweglich in Bezug auf das Ventilteil ist, wobei das Profil des ersten Nockens (15) einen ansteigenden Abschnitt (202) zur Bewegung des Ventilteils (29) in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung und eine abfallende Flanke (203) zur Steuerung der Bewegung des Nockenfolgers (25) in Bezug auf das Ventilteil (29) aufweist, wobei ferner das Profil des zweiten Nockens (21) einen abfallenden Abschnitt (200) zur Steuerung der Bewegung des Ventilteils in der ersten Richtung und eine ansteigende Flanke (201) zur Steuerung der Bewegung des Nockenfolgers (25) in Bezug auf das Ventilteil (29) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient der ansteigenden Flanke (201) und der Gradient der abfallenden Flanke (203) im wesentlichen gleich sind, zumindest über einen Teil ihrer Länge, und daß die Phase der beiden Nacken so ist, daß die 3 5 Zeiten, in denen die ansteigenden und abfallenden Flanken (201, 203) den Nockenfolger (25) berühren, sich überlappen, während das Ventilteil (29) stationär in der Schließposition ist, wobei der Nockenfolger (25) sich in Bezug auf das Ventilteil (29) bewegt.

2.) Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradienten der ansteigenden und abfallenden Flanken (201, 203) im wesentlichen konstant sind.

3.) Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Stößel (26), an dem der Nockenfolger (25) angreift und der seinerseits an dem Ventilteil (29) angreift, und durch eine vorzugsweise hydraulische Totgangeinstelleinrichtung (112), die auf den Stößel (26) wirkt, sodaß kein toter Gang zwischen den Nocken (15, 21) und dem Ventilteil (29) besteht.

4.) Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil eines jeden Nockens (15, 21) einen Abschnitt (140, 141, 142, 143) mit Gradient Null angrenzend an den Teil mit maximaler und mit minimaler Auslenkung aufweist.

5.) Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Nocken (15, 21) von zueinander parallelen Nockenwellen (16, 22) getragen werden.

6.) Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Nocken (251, 252) von einer einzigen Nockenwelle (250) getragen werden.

7.) Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kontaktflächen (18, 24) gegen die Ventilachse (30) um einen spitzen Winkel von 15º bis 70º geneigt sind, daß der Nockenfolger (25) quer zur Ventilachse (30) durch Eingriff der Nocken (15, 21) beweglich und so zwangsgeführt ist, da(3 er nur im wesentlichen parallel zu der VentiIebene beweglich ist, in der die Ventilachse liegt und die sich senkrecht zu den Achsen der beiden Nocken erstreckt.

8.) Ventiltrieb nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Stößel (26), an dem der Nockenfolger angreift und der seinerseits an dem Ventilteil (29) angreift, und dadurch daß der Nockenfolger (25) durch einen aufrecht auf dem Stöße (26) stehenden Vorsprung (111), der in einer länglichen Nut (109) an der Unterseite des Nockenfolgers (25) aufgenommen ist, so zwangsgeführt ist, daß er parallel zu der Ventilebene bewegbar ist.

9.) Ventiltrieb nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenfolger (253) eine Basis (256) und zwei von der Basis ausgehende divergierende Ansätze (254, 255) aufweist, deren sich gegenüberliegende Flächen die Kontaktflächen darstellen.

10.) Ventiltrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Nocken in zwei Abschnitte (258, 260) geteilt ist, deren Form und Winkelposition gleich sind und die gegenseitig beabstandet und durch den anderen Nocken (259) getrennt sind, und daß einer der Ansätze des Nockenfolgers (257) ebenfalls in zwei beabstandete Abschnitte (261, 263) geteilt ist, an deren Kontakt flächen jeweils einer der Nockenabschnitte (258, 260) angreift.