JP4456869B2 - 往復動ピストン型機関におけるガス交換弁を可変に作動するための装置 - Google Patents

往復動ピストン型機関におけるガス交換弁を可変に作動するための装置 Download PDF

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Description

往復動ピストン型機関における行程経過が機関の運転挙動と運転値とに決定的な影響をもっていることは公知である。特に給気質量制御された機関におけるガス交換損失を回避するためには、機関運転中に連続的に可変である弁行程経過が望ましい。この場合には給気及び排気弁の行程経過の変化も、給気弁だけにおける変化も有利である。このような可変な弁制御の技術的な転換に対しては特に四節の弁伝動装置(例えばDE2629554A1、DE3833540C2、DE4322449A1、DE4223172C1、BMW−valvetronic)が公知である。これらの弁伝動装置は機関運転中の弁行程経過の連続的な変化を可能にする。
請求項1に記載した発明は、可変な弁制御に関して機関に対し課された要求が公知技術に較べて良好に充たされ得るようにすることを課題としている。これらの要求は、個々の弁行程経過及び発生する弁行程経過の群の形態、弁を駆動する場合の摩擦による機械的な損失の大きさ、弁伝動装置及びそれに所属する調節機構の単純性である。
個々の弁行程経過と発生する弁行程経過の群は開放角、閉鎖角、弁行程、弁加速経過及びクランク角に対する移相位置とに関しできるだけ自由に構成可能でなければならない。特に弁行程が小さい場合には、個々のシリンダの弁の行程経過の高い一様性に対する要求はきわめて高い。弁伝動装置と調節装置との構成的な形態はできるだけ単純なものにしたい。この場合には特に、弁行程経過を調節する場合に伝動部材の間に遊びが発生しないように配慮される必要がある。さらに製作技術的な理由のため及び構成部分の熱的な膨脹のために、出力部材が遊び補償エレメントを用いてシリンダヘッドに支承される可能性が与えられなければならない。摩擦による機械的な損失はできるだけ小さいものでなければならない。この要求はできるだけ付加的な構成費用なしで、特に付加的な構成高さなしで充たされなければならない。
前記課題は往復動ピストン型モータにおけるガス交換弁を可変に作動するための伝動装置の、請求項1に記載した特徴によって解決された。
当該伝動装置はケーシング(G)、カム(N)、中間部材(Z)と出力部材(A)から構成されている。カム(N)はケーシング(G)内で、例えばシリンダヘッド内で第1のターニングジョイント(ng)にて回転可能に案内され、カムジョイント(zn)を介して中間部材(Z)を作動する。中間部材(Z)はケーシング(G)内の第3のターニングジョイント(zg)にて一義的に案内されている。さらに中間部材(Z)は出力部材(A)にカムジョイント(za)を介して作用結合されている。このカムジョイント(za)は中間部材(Z)にノッチを形成する区分(Kzar)と制御区分(Kzas)とを有している。ノッチを形成する区分(Kzar)は円中心点が、中間部材(Z)とケーシング(G)との間の第3のターニングジョイント(zg)の回転中心と合致する円弧によって形成されている。出力部材(A)はケーシング(G)内で第2のターニングジョイント(ag)で一義的に案内されておりかつ運動を少なくとも1つの弁(V)に伝達する。弁行程経過を変化させるためには、本発明によれば、前記カムジョイント(za)の位置を第3のターニングジョイント(zg)の位置の移動によって又は第2のターニングジョイント(ag)の位置の移動によって変化させることが提案されている。前記カムジョイント(za)の位置の変化は、中間部材(Z)のノッチを形成する領域にて、中間部材(Z)の輪郭のノッチを形成する区分(Kzar)に沿ったカムジョイント(za)の移動(Vza)によって表現される。したがって第3のターニングジョイント(zg)又は第2のターニングジョイント(ag)の移動(Vzg,Vag)の方向は、弁停止中の前記カムジョイント(za)における接触接線(vt)の方向である。この場合には前記カムジョイント(za)におけるノッチ接触点の変化する接線方向(vt)が考慮される必要がある(図1を参照)。
本発明で達成された利点はすべての可動な伝動部材−カム(N)、中間部材(Z)、出力部材(A)が1つのケーシング(G)内で1つのターニングジョイント(ng,zg,ag)にて一義的に案内され、弁行程経過の調節が中間部材(Z)とケーシング(G)との間の第3のターニングジョイント(zg)の位置の変化によって又は出力部材(A)とケーシング(G)との間の第2のターニングジョイント(ag)の位置の変化によって行われることにより生じる。したがっていずれの場合にも、ケーシング(G)における前記ターニングジョイント(zg,ag)の位置は、往復運動を実施する伝動部材(Z,A)によって変化させられる。これは構成的に特に簡単に実現することができる。ケーシング(G)内でカム(N)の第1のターニングジョイント(ng)の位置を変化させる方が著しく費用がかかる。何故ならばカム(N)の第1のターニングジョイント(ng)は駆動する伝動部材として直接的又は間接的にクランク軸と結合され、このような位置の変化によって別の構成部分が関与させられかつ影響を受けるからである。本発明による中間部材(Z)の第3のターニングジョイント(zg)の位置又は出力部材(A)の第2のターニングジョイント(ag)の位置の変化によって別の構成部分が関与させられることはない。
出力部材(A)が公知の3部材型のカムレバー伝動装置(けん引レバー及び傾動レバー伝動装置)のように構成されることにより、同様に公知でありかつ実験で最良であると確認された補償部材を伝動部材の間で製作誤差及び/又は伝動部材の種々異なる熱的な変形に基づく遊びを補償するために用いることができる。本発明による伝動装置の構成により、カム(N)から弁(V)への直接的な力の導入が可能になった。往復運動によって慣性力と慣性モーメントを惹き起こす伝動部材(Z,A)は、本発明によれば小さく、軽くかつ形状安定性をもって構成されることができる。これらの伝動部材(Z,A)をケーシング(G)内でターニングジョイント(zg,ag)に支承することは少ない遊びで、もしくは遊びなくかつ剛性的に実施することができる。これによって弁行程が小さい場合及び機関回転数が高い運転の場合にもすべてのシリンダの個々の弁の行程経過の高い一様性が保証される。伝動装置の本発明の構成はすべての滑り接触にて回転する転がり軸受又は滑り軸受の使用を可能にする。これにより弁を駆動するための摩擦出力は減少させられる。
請求項2には中間部材(Z)と出力部材(A)との間のカムジョイント(za)の有利な構成形態が記載されている。この構成形態ではカムを決定する輪郭(Kzar1,Kzas1)はもっぱら中間部材(Z)に形成されている。出力部材(A)においてはカムジョイント(za)は回転可能な回転体(RA)によって形成されている(図2と3を参照)。これにより前記カムジョイント(za)においては接触対偶の転動が達成され、接線方向運動は回転可能な回転体(RA)の支承装置にシフトされる。滑り軸受で公知である材料と潤滑状態によりかつ小さな摩擦半径を使用することによりこのカムジョイント(za)における摩擦が減じられる。この本発明の構成はこの接触点において転がり軸受を使用する可能性をもたらす。このような形式で接線方向運動は完全に転動運動で実施される。この場合にはカムジョイント(za)においては滑りは最早発生せず、摩擦はさらに減少させられる。
この実施例において有利な、弁行程経過を変化させるための伝動装置の構成は請求項3と4とに記載されている。
請求項3においては中間部材(Z)とケーシング(G)との間の第3のターニングジョイント(zg)の支承装置であって、弁行程経過を変化させるために、前記ターニングジョイント(zg)がケーシング(G)における偏心体において可変に位置決めされている支承装置が示されている。偏心体中心点は弁ストップ状態の間の出力部材(A)に取付けられた回転可能な回転体(RA)の中心点と合致している。偏心体の回動は円弧(KbVZ)に沿った第のターニングジョイント(g)の位置の移動(Vzg1)をもたらす(図2と3を参照)。
請求項4には出力部材(A)とケーシング(G)との間の第2のターニングジョイント(ag)の支承装置が記載されている。この支承装置においては弁行程経過を変化させるために第2のターニングジョイント(ag)の位置がケーシング(G)内の偏心体にて可変に位置決めさせられることができる。偏心体の中心点は中間部材(Z)とケーシング(G)との間の第3のターニングジョイント(zg)の中心点と合致する。偏心体の回動は第2のターニングジョイント(ag)の位置の円弧(KbVA1)に沿った移動(Vag1)をもたらす(図2と3を参照)。
請求項3と4とに記載したように伝動装置を構成した場合には、伝動部材の間に遊びを発生させることなく弁行程経過の変化が達成される。これは特に高い機関回転数と騒音の少ない運転とにとって特に必要である。
請求項5には傾動レバーとしての中間部材(Z)の有利な構成が記載されている。この実施例は伝動装置の構成高さ、ひいてはシリンダヘッドの構成高さを小さく構成できるという利点をもたらす。
請求項6には往復動ピストン機関におけるガス交換弁を可変に作動する伝動装置の別の有利な構成が示されている。この伝動装置もケーシング(G)、カム(N)、中間部材(Z)及び出力部材(A)から成っている。カム(N)はケーシング(G)、例えばシリンダヘッド内にて第1のターニングジョイント(ng)に回転可能に案内され、カムジョイント(zn)を介して中間部材(Z)を作動する。この中間部材(Z)は第3のターニングジョイント(zg)にてケーシング(G)内で一義的に案内されている。さらに中間部材(Z)は出力部材(A)にカムジョイント(za)を介して作用的に結合されている。このカムジョイント(za)は出力部材(A)にて、ノッチを形成する区分(Kazr1)と制御区分(Kazs1)とを有している。ノッチを形成する区分(Kazr1)は円中心点が、中間部材(Z)とケーシング(G)との間の第3のターニングジョイント(zg)の回転中心と合致する円弧によって形成されている。出力部材(A)はケーシング(G)内で第2のターニングジョイント(ag)にて一義的に案内され、運動を少なくとも1つの弁(V)に伝達する。弁行程経過を変化させるためには本発明によればカムジョイント(za)の位置を第2のターニングジョイント(ag)の位置の移動(Vag2)によって変化させることが提案されている。カムジョイント(za)の位置の変化は、弁ノッチの領域にて、出力部材(A)の輪郭の、ノッチを形成する区分(Kazr1)に沿ったカムジョイント(za)の移動(Vaz)で実現される。したがって第2のターニングジョイント(ag)の移動(Vag2)の方向は弁停止中のカムジョイント(za)における接触接線の方向である。したがって第2のターニングジョイント(ag)の移動(Vag2)はターニングジョイント(zg)を中心とした円弧に沿って行なわれる(図4参照)。このような形式で弁行程経過の変化は伝動部材の間の遊びなく達成される。これは高いモータ回転数を達成するため及び騒音の少ない運転のために必要である。
請求項7には中間部材(Z)と出力部材(A)との間のカムジョイントの有利な構成であって、カムを決定する輪郭(Kazr1,Kazs1)がもっぱら出力部材(A)に設けられている構成が示されている。中間部材(Z)においてはカムジョイント(za)は回転可能な回転体(RZ)により形成されている(図4参照)。これにより、このカムジョイントにおいては接触対偶の転動が達成され、接線方向運動が回転可能なローラ(RZ)の支承装置にシフトされる。滑り軸受において公知である材料と潤滑状態によりかつ小さな摩擦半径を使用することによりこのカムジョイントにおける摩擦が減じられる。この本発明による構成も同様に、この接触点にて転がり軸受の使用を可能にする。このような形式で接線方向運動は完全に転動運動で実施させる。この場合にはこのカムジョイント(za)における滑りはもはや発生せず、摩擦はさらに減じられる。
出力部材(A)とケーシング(G)との間の第2のターニングジョイント(ag)の位置が、請求項7にて提案されているように変化させられる場合には、出力部材(A)と弁(V)との間のカムジョイント(av)においては出力部材(A)から弁(V)へ運動が伝達される。これは弁の開放をもたらす惧れがあるか又は許容されない弁遊びをもたらす惧れがあるので、このような運動の伝達は弁遊びの大きさでかつ弁遊びの範囲における速度経過で考慮し、弁始動速度及び弁閉鎖速度が許容範囲に保たれるようにするか又はこの運動伝達は弁遊び補償部材により補償されなければならない。両方の場合のいずれにおいてもこの運動の伝達ができるだけ小さいことが有利である。請求項8では出力部材(A)の有利な構成が提案されている。出力部材(A)と弁(V)との間のカムジョイント(av)出力部材側にてほぼ円弧(KbV)として構成され、この円弧(KbV)の円中心点が、中間部材(Z)とケーシング(G)との間の第3のターニングジョイント(zg)の回転中心が同時に位置する直線(gV)の上に位置している。この直線(gV)は弁運動方向に対しほぼ平行に延びている(図4参照)。
請求項9には伝動部材の有利な配置が示されている。この場合には1つのシリンダの給気弁(VE1)と排気弁(VA1)は唯一のカム軸(WEA1)によって駆動される。シリンダの給気弁(VE1)はカム(NE1)、中間部材(ZE1)及び出力部材(AE1)を介して作動され、当該シリンダの排気弁(VA1)はカム(NA1)、中間部材(ZA1)及び出力部材(AA1)を介して作動される。両方のカム(NE1,NA1)は1つのカム軸(WEA1)に固定されている(図5)。請求項11には上記伝動装置の別の有利な構成が記載されている。中間部材(ZE2,ZA2)がカムに対するカムジョイント(zne,zna)で目的に合わせて配置されることにより、1つのシリンダのすべての弁(VE2,VA2)の駆動を1つのカム軸(WEA2)の上に固定された1つのカム(NEA)で行なうことが達成された。この場合には排気弁(VA2)の行程カムと給気弁(VE2)の行程カムの間の位相角は、弁停止状態での、カム(NEA)と両方の中間部材(ZE2,ZA2)との間のカムジョイント(zne,zna)における垂線の間の角度と等しい(図6を参照)。伝動装置を請求項9と10とに記載されているように構成することにより、機関あたりの伝動部材の数が減少され、この結果総費用が低減される。別の利点は必要な構成空間に関して達成される。
請求項11には伝動装置の有利な1実施例が記載されている。この実施例では中間部材(Z)と出力部材(A)との間のカムジョイント(za)は、カム軸(W)が垂直に位置しかつ中間部材(Z)とカム(N)との間のカムジョイント(zn)が位置する平面と同じ平面に位置している(図1−3)。このような伝動装置の構成は既存の構成空間の好適な活用を可能にする。伝動装置がこのように構成されている場合には伝動装置のできるだけ大きい剛性は直接的な力の導入によって達成される。
請求項12には伝動装置の別の有利な1実施例が示されている。この実施例では、中間部材(Z1)と出力部材(A1)との間のカムジョイント(za)は、カム軸(W1)が垂直に位置しかつ中間部材(Z1)とカム(N1)との間のカムジョイント(zn)が位置する平面と同じ平面には位置していない(図7参照)。このような伝動装置の構成は存在する構成空間の好適な活用を可能にする。
請求項13には伝動装置の別の有利な実施例が示されている。この実施例においては、1つのカム(N2)により厳密に1つの中間部材(Z2)を介し、単数又は複数の出力部材(Ai)を介して1つのシリンダの2つ又は複数の弁(Vi)が作動される(図8参照)。このような形式で機関あたりの伝動部材の数を減らし、総費用を低減させることができる。さらに調節装置のための構成費用も減じられかつ必要な構成空間も縮小される。
伝動装置の本発明による前記構成では弁が停止している間、すなわち弁が閉じられかつ運動を行なわないとき、中間部材(Z)の位置が運動学的に一義的に規定されない。中間部材(Z)に作用しかつ例えばケーシング(G)に支持されるばねを使用することにより、カムジョイント(zn)にてカム(N)に対する中間部材(Z)の接触を保証するモーメント(MF)を発生させることができる(図1−3参照)。請求項15は伝動装置の有利な1実施例であって、中間部材(Z)がばねでカム軸(W)のカム(N)に押付けられている形式の実施例が示されている。中間部材(Z)にばねが前述のごとく配置されていると、該ばねが中間部材(Z)の運動する回転質量をほぼコントロールするように該ばねを設計することができる。この場合には弁ばねは弁(V)と出力部材(A)との運動質量だけをコントロールすればよい。何故ならば両方のばねはその作用に関し反対に向けられているからである。このような形式で伝動装置におけるジョイントにおける力は小さくてもよくなり、ジョイントにおける負荷も可能な限り小さくなる。さらにこのような形式で、摩擦が効果的に低減させられる。
請求項15には本発明の伝動装置の有利な実施例が示されている。この実施例ではカム軸(W3)のカム(N3)から中間部材(Z3)に運動を伝達するために少なくとも1つの別の伝動部材(GG)が中間接続されている(図9を参照)。この実施例では伝動装置は低位置にあるカム軸の場合にも、高位置にあるカム軸の場合にも使用することができる。カム軸のこのような配置は所要構成スペースの小さい特に簡単な機関構造を利点としてもたらす。
本発明による伝動装置の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。 本発明による伝動装置の別の1実施例を示した図。

Claims (15)

  1. 往復動ピストン型機関におけるガス交換弁を可変に作動するための装置であって、ケーシング(G)と、該ケーシング(G)内にて第1のターニングジョイント(ng)に支承され、クランク軸(W)から回転運動が取出されるカム(N)と、前記ケーシング(G)内にて第2のターニングジョイント(ag)にて一義的に案内されかつ前記回転運動をガス交換弁(V)に伝達する出力部材(A)と、前記ケーシング(G)内にて第3のターニングジョイント(zg)で一義的に案内され、前記カム(N)と前記出力部材(A)とにそれぞれ1つのカムジョイント(zn,za)を介して結合されている中間部材(Z)とを有し、前記中間部材(Z)と前記出力部材(A)との間の第1の前記カムジョイント(za)が、前記中間部材(Z)にて、ノッチを形成する区分(Kzar)と制御区分(Kzas)とを有し、該第1のカムジョイント(za)の前記ノッチを形成する前記区分(Kzar)が、前記中間部材(Z)と前記ケーシング(G)との間の前記第3のターニングジョイント(zg)の回転中心と合致する円中心点を有する円弧によって形成されている形式のものにおいて、前記第1のカムジョイント(za)の位置が、前記第2のターニングジョイント(ag)に対する前記第3のターニングジョイント(zg)の位置の相対的な移動(Vzg,Vag)によって可変であり、前記第1のカムジョイント(za)の位置の変化が、弁ストップ状態で、前記中間部材(Z)の前記ノッチを形成する領域にて、該中間部材(Z)の輪郭の、前記ノッチを形成する前記区分(Kzar)に沿って前記第1のカムジョイント(za)が移動(Vza)させられることによって行なわれることを特徴とする、ガス交換弁を可変に作動する装置。
  2. 前記中間部材(Z)と前記出力部材(A)との間の前記第1のカムジョイント(za)が前記出力部材(A)に取付けられた回転可能な回転体(RA)と前記中間部材(Z)におけるカム区分(Kzar1,Kzas1)とによって形成されている、請求項1記載の装置。
  3. 弁行程経過を変化させるために、前記中間部材(Z)と前記ケーシング(G)との間の前記第3のターニングジョイント(zg)の位置が、前記出力部材(A)に取付けられた回転可能な前記回転体(RA)の回転中心に弁ストップ状態の間円中心が合致する円弧(KbVZ)に沿って変化可能である、請求項2記載の装置。
  4. 弁行程経過を変化させるために前記出力部材(A)とケーシング(G)との間の第2のターニングジョイント(ag)の位置が、前記中間部材(Z)と前記ケーシング(G)との間の第3のターニングジョイント(zg)の回転中心に円中心点が合致する円弧(KbVA1)に沿って変化可能である、請求項2記載の装置。
  5. 前記中間部材(Z)が傾動レバー(シーソーレバー)として構成されている、請求項1から4までのいずれか1項記載の装置。
  6. 往復動ピストン型機関におけるガス交換弁を可変に作動するための装置であって、ケーシング(G)と、該ケーシング(G)内にて第1のターニングジョイント(ng)に支承され、クランク軸(W)から回転運動が取出されるカム(N)と、前記ケーシング(G)内にて第2のターニングジョイント(ag)で一義的に案内されかつ前記回転運動をガス交換弁(V)に伝達する出力部材(A)と、前記ケーシング(G)内にて第3のターニングジョイント(zg)で一義的に案内され、前記カム(N)と前記出力部材(A)とにそれぞれ第1と第2のカムジョイント(zn,za)を介して結合されている中間部材(Z)とを有し、前記中間部材(Z)と前記出力部材(A)との間の前記第1のカムジョイント(za)がノッチを形成する区分と制御区分とを有している形式のものにおいて、前記第1のカムジョイント(za)のノッチを形成する前記区分が、前記出力部材(A)におけるカム区分(Kazr1)により形成され、該カム区分(Kazr1)が前記第3のターニングジョイント(zg)の回転中心に円中心点が合致する円弧であり、前記第1のカムジョイント(za)の位置が前記第2のターニングジョイント(ag)の位置の移動(Vag2)によって可変であり、前記第1のカムジョイント(za)の前記位置変化が弁ストップ状態で前記出力部材(A)の輪郭の前記ノッチを形成する前記カム区分(Kazr1)に沿って前記第1のカムジョイント(za)が移動(Vza)することによって与えられることを特徴とする、往復動ピストン型機関におけるガス交換弁を可変に作動するための装置。
  7. 前記中間部材(Z)と前記出力部材(A)との間の前記第1のカムジョイント(za)が、前記中間部材(Z)にて、回転可能な回転体(RZ)によって形成されている、請求項6記載の装置。
  8. 前記出力部材(A)と前記弁(V)との間のカムジョイント(av)が、出力部材側にて、前記中間部材(Z)と前記ケーシング(G)との間の前記第3のターニングジョイント(zg)の回転中心が位置しかつ弁運動方向に対しほぼ平行に延びる直線(gv)上に円中心点が位置する円弧(KbV)によって形成されている、請求項6又は7記載の装置。
  9. 1つのシリンダの給気弁(VE)がカム(NE)、中間部材(ZE)及び出力部材(AE)を介しかつ当該シリンダの排気弁(VA)が別のカム(NA)、別の中間部材(ZA)及び別の出力部材(AA)を介し作動されかつ前記2つのカム(NE,NA)が1つのカム軸(WEA1)の上に固定されている、請求項6から8までのいずれか1項記載の装置。
  10. 1つのシリンダの給気及び排気弁(VE,VA)を作動するための前記中間部材(ZE,ZA)が1つのカム軸(WEA2)の1つのカム(NEA)により作動される、請求項9記載の装置。
  11. 前記中間部材(Z)と前記出力部材(A)との間の前記第1のカムジョイント(za)が、前記カム軸(W)が垂直に位置しかつ前記中間部材(Z)と前記カム(N)との間の前記第2のカムジョイント(zn)が位置する平面と同じ平面に位置している請求項6から10までのいずれか1項記載の装置。
  12. 前記中間部材(Z1)と前記出力部材(A1)との間の前記第1のカムジョイント(za)が、前記カム軸(W1)が垂直に位置しかつ前記中間部材(Z1)と前記カム(N1)との間の前記第2のカムジョイント(zn)が位置している前記平面には位置していない、請求項6から10までのいずれか1項記載の装置。
  13. 1つのカム(N2)が単数又は複数の出力部材(Ai)を介し1つのシリンダの2つの又は複数の弁(Vi)を作動する1つの中間部材(Z2)を作動する、請求項6から12までのいずれか1項記載の装置。
  14. 前記中間部材(Z)がばねで前記カム軸(W)のカム(N)に押付けられている、請求項6から13までのいずれか1項記載の装置。
  15. 前記カム軸(W3)のカム(N3)から前記中間部材(Z3)に運動を伝達するために少なくとも1つの別の伝動部材(GG)が中間接続されている、請求項6から14までのいずれか1項記載の装置。
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