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Umsteuerbare Kolbenbrennkraftmaschine mit verschiebbarer Nockenwelle
Die Erfindung betrifft eine umsteuerbare Kolbenbrennkraftmaschine mit verschiebbarer
Nockenwelle, bei welcher eine Vorrichtung vorhanden ist, welche ein Verschieben
der Nockenwelle in einem durch eine im Verhältnis zur Vollast niedrige Grenzdrehzahl
vorbestimmten Drehzahlbereich der Maschine verhindert.
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Bisher war man bestrebt, derartige Verschiebebewegungen entweder im
Stillstand der Maschine oder bei geringer, vermeintlich ungefährlicher Drehzahl
durchzuführen. Es sind sogar Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die ein Verschieben
der Nockenwelle über einer gewählten Grenzdrehzahl zulassen sollten. Erfindungsgemäß
wurde jedoch nachgewiesen, daß das Verschieben eine größere Gefahr für den Nockenmechanismus
bedeutet und zu einer Beschädigung des Nockenmechanismus führen kann, und zwar insbesondere
bei neueren, schnellaufenden Maschinen, bei welchen die vom Ventilmechanismus auf
die Nocken ausgeübten Drücke hoch sind. Der Grund der Gefährdung besteht darin,
daß bei stillstehendem Nockenmechanismus die Rolle immer mit der gleichen Stelle
über den oder die Nocken verschoben wird. Es kann auf diese Weise bereits bei einem
einzigen Verschiebevorgang eine örtliche Erhitzung des Materials der Rolle und des
Nockens entstehen, die zu einer raschen Zerstörung beider Teile führt. Zudem hat
es sich gezeigt, daß die Hertzschen Pressungen, die für die Beanspruchung der Nocken
und der Rollen ausschlaggebend sind, im Stillstand und bei kleiner Drehzahl größer
sind und ihre höchsten Werte sich mit größer werdender Drehzahl vermindern.
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Andererseits sind auch Motoren mit verschiebbarer Nockenwelle bekanntgeworden,
bei denen der Verschiebevorgang durch Öldruck von einer vom Motor angetriebenen
Ölpumpe durchgeführt wurde. Bei diesen Maschinen war zwar eine Umsteuerung bei einem
längeren Stillstand nicht möglich, da der öldruck fehlte. Bei einer Umsteuerung
der Maschine aus einer Drehrichtung in eine andere war jedoch keine positive Gewähr
vorhanden, daß der Verschiebevorgang zufällig nicht gerade beim Stillstand der Maschine
erfolgt.
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Es ist auch in diesem Zusammenhang erkannt worden, daß die bisher
bekannten Blockiervorrichtungen, die ein Verschieben der Nockenwelle nur bei Stillstand
oder bei kleiner Drehzahl zuließen, eine Gefahr darstellen können, wenn in Notfällen
eine rasche Reversierung des Motors notwendig ist. Man hat auf Grund dieser Erkenntnis
Motoren gebaut, bei denen bewußt auf jede Blockiervorrichtung verzichtet wurde.
In diesem Fall entstand jedoch, wie bei den anderen bisher bekannten Maschinen,
die Gefahr einer Beschädigung des Nockenmechanismus beim Umschalten im Stillstand.
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Schließlich sind auch Einrichtungen bekanntgeworden, welche ein Verschieben
der Nockenwelle im Stillstand dadurch erleichtern sollten, daß die Nocken während
des Verschiebevorganges angehoben wurden. Durch diese Maßnahme wurde jedoch ein
Reversierungsvorgang, der in Notfällen rasch erfolgen muß, verzögert, abgesehen
von der notwendigen mechanischen Komplikation des Motors.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die bei einer umsteuerbaren Kolbenbrennkraftmaschine
eingangs geschilderter Art darin besteht, daß der vorbestimmte Drehzahlbereich unterhalb
der Grenzdrehzahl liegt, wird im Gegensatz zur bisher herrschenden Ansicht ein Verschieben
der Nockenwelle bei Stillstand oder bei niedriger Drehzahl unmöglich gemacht. Die
Verschiebebewegung der Nockenwelle erfolgt somit nur oberhalb der gewählten Grenzdrehzahl.
Dabei wird durch das gleichzeitige Abrollen der Rollen des Ventilmechanismus auf
den Nocken die seitliche Verschiebebewegung bedeutend erleichtert und die Gefahr
einer Beschädigung der Nocken oder der Rollen beseitigt.
Die Erfindung
wird an Hand in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen erfindungsgemäßen umsteuerbaren Zweitaktmotor, F i g. 2
eine andere Ausführungsform der Erfindung.
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In F i g. 1 ist der Zweitaktdieselmotor 1, von welchem nur die für
die Erfindung wichtigen Teile und jeweils nur einmal dargestellt sind, mit einer
Kurbelwelle 2, einer Nockenwelle 3 und einem pneumatischen Anlaßventil4 ausgestattet.
Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle 2 durch Zahnräder 5, 6, 7 angetrieben.
Das Zahnrad 7 ist breiter als die Zahnräder 5 und 6, um bei allen Stellungen der
Nockenwelle einen Eingriff der Verzahnung zu gewährleisten. Von den auf der Nockenwelle
3 vorhandenen Nocken ist ein Nocken 8 gezeichnet, mit einer- Laufbahn 9 für Vorwärtsgang
und einer Laufbahn 10 für den Rückwärtsgang. Der weiter nicht dargestellte Ventilmechanismus
ist mit einer Rolle 11 versehen, welche auf der einen oder der anderen Bahn des
Nockens 8 abrollt und über Hebel und Stangen ein oder mehrere Auslaßventile betätigt.
Der Lufteinlaß erfolgt in ebenfalls bekannter Weise durch nicht dargestellte Einlaßschlitze
in der Zylinderwand. Die Nockenwelle 3 ist durch eine Muffe 12 in axialer Richtung
verstellbar. Die Muffe 12 wird durch den Kolben 13 eines hydraulischen Zylinders
14 betätigt. Zwischen der Muffe 12 und dem Zylinder 14 befindet sich ein Fixiermechanismus
15, welcher die Nockenwelle in der einen oder der anderen Stellung fixiert. Der
hydraulische Zylinder 14 ist durch Rohrleitungen 16, 17 mit dem Ölraum von Öl-Luft-Gefäßen
18,19 verbunden, deren Luftraum über Rohrleitungen 20, 21 und einen Sperrschieber
22 an Anlaßsteuerventile 23, 24 angeschlossen ist. Die Anlaßsteuerventile 23,24
sind über eine Rohrleitung 25 an eine nicht dargestellte Druckluftquelle angeschlossen.
Der Sperrschieber 22 enthält einen federbelasteten Kolben 26, auf dessen Stirnfläche
der Druck in einer hydraulischen Leitung 27 einwirkt und der in der durch die Feder
gegebenen Stellung den Durchfluß durch die Rohrleitungen 20 und 21 sperrt. Die Rohrleitung
27 wird durch Drucköl aus einer vom Motor angetriebenen drehrichtungsunabhängigen
volumetrischen Pumpe 28 gespeist, die z. B. Öl aus einem mit dem Schmierölbehälter
des Motors verbundenen Behälter 29 fördert. Hinter dem Sperrschieber 22 ist in der
Rohrleitung 27 eine einstellbare Drosselstelle 32 angeordnet, durch welche das von
der Pumpe 28 geförderte Öl austritt und z. B. in den Behälter 29 zurückgelangt.
Von den Rohrleitungen 20, 21 führen Rohrleitungen 33, 34 zu den beiden Seiten eines
Zylinders 35, in welchem ein Kolben 36 beweglich ist. Der Kolben 36 verschiebt über
einen qzweiarmigen Hebel 37 eine Gewindemuffe 38, welche durch ihren Gewindeinnenteil
eine Schraube 39 umfaßt. Die Schraube 39 ist durch eine Welle 40 mit dem Rotor 41
eines Anlaßsteuerschiebers 42 verbunden. Der Anlaßsteuerschieber 42 erhält Druckluft
durch eine Rohrleitung 43, die so wie die Rohrleitung 26 an die nicht dargestellte
Luftdruckquelle angeschlossen ist, und führt diese Druckluft in den erforderlichen
Zeiträumen durch eine Rohrleitung 44 dem Anlaßventil 4 zu. Die Gewindemuffe 38 ist
auf einer Welle 45 verschiebbar angeordnet, z. B. mit Hilfe einer Nut und einer
in diese eingreifenden Feder. Die Welle 45 trägt ein Zahnrad 46, welches in ein
am Ende der Nockenwelle 3 befestigtes Zahnrad 47 eingreift. Die Teile 4 und 42 sind
an sich bekannt und sind daher in stark vereinfachter Form dargestellt worden.
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In der Rohrleitung 43 ist ein federbelastetes Ventil 48 angeordnet,
welches durch einen in einem Zylinder 50 beweglichen -Kolben 51 betätigt wird. Dem
Zylinder 50 wird Druckluft durch eine Rohrleitung 52 zugeführt, die an zwei im Zylinder
35 befindliche, durch den Kolben 36 verschließbare Öffnungen 53 und 54 angeschlossen
ist.
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Die Anlaßsteuerventile 23, 24 werden durch einen zweiarmigen Hebel
60 betätigt, der mit einem Betätigungshebel 61 verbunden ist. Die mit V bezeichnete
Stellung des Hebels 61 entspricht z. B. dem Vorwärtslauf, die mit R bezeichnete
Stellung dem Rückwärtslauf.
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Soll der Motor aus dem Stillstand in der einen oder der anderen Richtung
in Bewegung gesetzt werden, so wird durch entsprechende Bewegung des Hebels 61 das
Ventil 23 oder 24 betätigt. Dadurch gelangt Druckluft in den Zylinder 35, und der
Kolben 36 bewirkt durch den Hebel 37 eine der gewünschten Drehrichtung entsprechende
Stellung der Gewindemuffe 38 auf der Welle 39 und damit die für diese Drehrichtung
erforderliche Winkeleinstellung des Rotors 41 relativ zur Nockenwelle 3. In seiner
Endstellung gibt der Kolben 36 eine der Öffnungen 53, 54 frei, und durch die Rohrleitung
52 gelangt Druckluft in den Zylinder 50. Durch Niederdrücken des Kolbens 51 gegen
die Kraft der auf diesen einwirkenden Feder wird das Ventil 48 geöffnet, und es
strömt durch die Rohrleitung 43 Druckluft dem Anlaßsteuerschieber 42 zu. In den
Zylinder des Motors 1 wird durch das Anlaßventil 4 Druckluft im erforderlichen Rhythmus
eingeführt, und der Motor setzt sich in Bewegung. Durch die Drehung der Kurbelwelle
2 wird die von dieser angetriebene Pumpe 28 in Bewegung gesetzt, und diese beginnt
zu fördern. Solange die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors und damit die von der
Pumpe 28 geförderte Menge des Öls gering ist, kann sich in der Rohrleitung 27 vor
der Drosselstelle 32 kein nennenswerter Druck, welcher eine Verstellung des Kolbens
26 des Sperrschiebers 22 bewirken würde, aufbauen. Erst bei einer bestimmten, durch
Zusammenspiel der Einstellung der Drosselstelle 32, der Fördermenge der Pumpe 28
und der Federkraft der Feder des Sperrschiebers 22 gegebenen Drehzahl überwindet
der Druck in der Rohrleitung 27 die Federkraft der Feder des Sperrschiebers 22 und
verschiebt dessen Kolben im Bilde nach links. Dadurch wird die Verbindung in den
Rohrleitungen 20 und 21 hergestellt, die Druckluft gelangt in das zugehörige Öl-Luft-Gefäß
18 oder 19, verdrängt aus diesem Öl in den zugehörigen Kolbenraum des Zylinders
14, und das unter dem Luftdruck stehende Öl bewirkt eine Verstellung des Kolbens
13 in die gewünschte Lage, falls sich dieser zusammen mit der Nockenwelle in der
Stellung für die entgegengesetzte Drehrichtung befand. In diesem Falle entweicht
das auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens befindliche Öl in das zugehörige
öl-Luft-Gefäß zurück, und die aus diesem verdrängte Luft entweicht durch die Rohrleitung,
den Sperrschieber 22 und das zugehörige der Ventile 23, 24 ins Freie. Falls sich
die Nockenwelle in der für die gewünschte Drehrichtung zugehörigen Stellung bereits
befand, findet kein Verschieben statt.
Zur Auslösung eines Umsteuervorganges
bei laufendem Motor wird der Hebel 61 in die Stellung für die entgegengesetzte Richtung
gebracht. Dadurch wird das für die entgegengesetzte Drehrichtung zugehörige der
Anlaßsteuerventile 23, 24 betätigt, durch den Kolben 36 des Zylinders 35
die Gewindemuffe 38 verstellt und der Rotor 40 des Steuerschiebers 41 in die der
neuen Drehrichtung zugehörige Stellung gebracht. Gleichzeitig wird durch einen nicht
dargestellten Sperrmechanismus die Zufuhr von Brennstoff in die Zylinder unterbrochen.
Die durch den Steuerschieber 42 und das Einlaßventil 4 zugeführte
Startluft bewirkt ein Abbremsen des Motors und dessen Anlauf in der Gegenrichtung.
Das Verschieben der Nockenwelle 3 in die der neuen Drehrichtung entsprechende Stellung
erfolgt entweder solange der Motor noch in der vorherigen Drehrichtung mit einer
über dem gegebenen Grenzwert befindlichen Drehzahl läuft oder nachdem dieser in
der anderen Drehrichtung bereits angelaufen ist und diese Drehzahl überschritten
hat. Der Schieber 22 verhindert eine Verstellung der Nockenwelle bei einer Drehzahl,
die unter dem Grenzwert liegt und derart gering ist, daß der Druck in der Rohrleitung
27 nicht die auf den Sperrschieber 22 einwirkende Federkraft zu überwinden vermag.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine Verschiebung der Nockenwelle
nur in den Drehzahlbereichen zugelassen, in welchen ein ausreichendes Abrollen der
Rolle 11 auf dem Nocken 8 stattfindet und dadurch eine Beschädigung des Nockens
und der Rolle verhindert.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere für Zweitaktdieselmotoren
mit Zuführung der Verbrennungsluft durch Schlitze, mit nockengesteuerten Auslaßventilen,
oder umgekehrt, geeignet. Es ist aber auch eine entsprechende Anwendung der Erfindung
bei anderen Motorenarten denkbar.
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Es versteht sich, daß die beschriebene Anordnung nur ein Ausführungsbeispiel
darstellt und der Erfindungsgedanken mit Hilfe verschiedener anderer Einrichtungen
realisiert werden kann. So braucht die beim Beispiel verwendete pneumatische Pumpe
nicht Schmieröl zu fördern, sondern z. B. Dieselbrennstoff, welcher unter Umständen
sogar den Vorteil haben kann, daß dessen temperaturabhängige Viskositätsänderungen
geringer sind als die des Schmieröles. Die Drehzahlmessung braucht jedoch im Prinzip
überhaupt nicht mit Hilfe einer volumetrischen Pumpe durchgeführt zu werden, sondern
es kann dazu auch eine mechanische Vorrichtung nach Art der Regler oder eine elektrische
nach der Art der bekannten Tachometer verwendet werden.
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Auch das Sperrorgan, das im beschriebenen Beispiel durch einen hydraulisch
betätigten Schieber gebildet wird, kann z. B. pneumatisch betätigt werden. Es ist
aber auch ohne weiteres eine mechanische Betätigung direkt von drehzahlmessenden
Organen denkbar. Auch eine elektrische Betätigung, z. B. in Form eines durch einen
Elektromagneten betätigten hydraulischen Schiebers, oder eines Riegels, der in den
Weg eines die Verschiebebewegung der Nockenwelle durchführenden oder veranlassenden
Teiles geschoben wird, ist denkbar.
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In F i g. 2 ist zur Illustrierung dieser Umwandlungsmöglichkeiten
eine rein mechanische Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wie sie z. B. bei
einer Ausführung nach F i g. 1 Anwendung finden könnte. Auf einer vom Motor 1 direkt
angetriebenen Welle 60 ist ein mechanischer Regler angeordnet, dessen Gewichte 61
mit Hilfe von Hebelarmen 62 eine Muffe 63 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle
60 auf dieser Welle verschieben. Die Muffe 63 betätigt einen Hebel 64, welcher seinerseits
auf einen in einer Führung 65 verschiebbaren Riegel 66 einwirkt. Der
Riegel 66 greift in einen der Einschnitte 67, 68 eines auf der Nockenwelle 3 befestigten
Sperrteiles 70 ein.
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Bei in einen der Einschnitte 67, 68 eingeschobenem Riegel 66
wird ein Verschieben der Nockenwelle 3 verhindert. Sobald jedoch die Drehzahl des
Motors derart ansteigt, daß die Reglergewichte 61 durch eine entsprechende Bewegung
der Muffe 63 mit Hilfe des Hebels 64 den Riegel 66 aus dem betreffenden Einschnitt
herausziehen, wird die Nockenwelle 3 für eine eventuell vorgesehene Verschiebebewegung
freigegeben.