DE2024972A1

DE2024972A1 - Ventilbetätigung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2024972A1
Application number: DE19702024972
Authority: DE
Inventors: Stanislav Dipl.-Ing. 3180 Wolfsburg; Bartsch Hans-Joachim 3183 Fallersleben. M Papez
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1970-05-22
Filing date: 1970-05-22
Publication date: 1971-12-02

Description

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VOLKSWAGEHWERK Aktiengesellschaft

518 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 926
9 704/Hu/La

Be s ch reibung Ventilbetätigung für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Ventilbetätigung für Brennkraftmaschinen, insbesondere solche mit obenliegender Uoekenwel-

bahn.
Ie, mit einem eine Glei"fyxläche für einen auf einer Hocken— welle sitzenden Nocken aufweisenden, um eine Schwenkachse schwenkbar gelagerten und mit einem Ventilstößel zusammenwirkenden Schwing- oder Kipphebel_o

Bekanntlich ist, wie auch das Kennlinienfeld nach Figur 1 seigt, der jeweilige Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einer solchen für ein Kraftfahrzeug, eindeutig durch die Drehzahl η und die Stellung der Drosselklappe, also den Drosselklappenwinkel d, definiert. In Figur 1 ist der effektive Mitteldruck ρ im Zylinder, der ein Maß für das von der Maschine abgegebene Drehmoment darstellt, über der in Umdrehungen je Minute gemessenen Motordrehzahl η aufgetragen. Bei einer Drehzahl n1, einem relativ kleinen Drosselklappenwinkel d und einer sehr kleinen, in Prozent gemessenen Steigung s ergibt sich bei dem hier betrachteten

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_ 2 —

Kraftfahrzeugmotor ein Betriebspunkt A im Teillastbereich₉ während zur Einstellung desselben Drehzahlwertes ni bei Vollast der Betriebspunkt B auf der Kurve ν vollständig geöffneter Drosselklappe liegt_o

Im einzelnen ist der Verlauf des Drehmoments M und der ab·= gegebenen Leistung N in Abhängigkeit yon der Motordrehzahl η noch durch weitere Einflüsse bestimmt_o Figur 2 zeigt zunächst die Abhängigkeit des Drehmoments M und der Leistung N von der Drehzahl n, wobei sowohl für das Drehmoment als auch für die Leistung zwei Kurven aufgetragen sind_o Dabei gelten die ausgezogenen Kurven für einen derart gestalteten Nocken«, daß das Schließen des Einlaßventils vorverlegt ist, dagegen beziehen sich die unterbrochengezeichneten Kurven auf einen breiten lfocken_o Aus dem Diagramm nach Figur 2 wird ersichtlich, daß man bei Gebrauchsmotoren dieser Art, insbesondere Eraftfahrzeugmotoren, an sich widersprüchliche Forderungen erhebt, wenn man bei kleinen Drehzahlen ein großes Drehmoment verlangt, andererseits bei höheren Drehzahlen (Henndrehzahl)aber eine bestimmte Leistung abgegeben werden soll₀ Das Verhalten der Maschine bei den verschiedenen Drehzahlwerten verlangt dann nämlich unterschiedlich gestaltete Nokken»

Darüber hinaus ist bei der Ausgestaltung des Nockens noch ein weiterer, im folgenden anhand des Diagramms nach Figur erläuterter Zusammenhang zu berücksichtigen,. In Figur 3 ist die Arbeitsweise des Anlaßventils AV"und des Einlaßventils EV in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel a aufgetragen? mit OT und UT sind der obere bzw«, untere Totpunkt bezeichnete Man könnte daran denken, die in Figur 2 unterbrochen gezeichnete Kurve dadurch zu realisieren, daß man infolge entsprechender Wahl der Nockengestaltung das Einlaßventil entsprechend der in Figur 3 strichpunktiert dargestellten Kurve betätigt» Es han-

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delt sich dann also um eine Betätigung des Einlaßventils mit vorgeschobenem "Einlaßschluß". Diese in einer Verringerung des Spreizwinkels b bestehende Betätigung des Einlaßventils führt jedoch zu einer großen Überschneidung der Arbeitskurven AVund EV des Auslaß- und des Einlaßventils im Bereich des oberen Totpunktes OT mit allen Nachteilen bezüglich der Ruhe des Leerlaufs und der Abgasemission. Aus ■ diesem Grunde ist es für kleine Drehzahlen zweckmäßiger, einen engen Hocken.zu verwenden, der einen kleineren Öffnungswinkel des Einlaßventils gemäß der ausgezogenen Kurve in Figur 3 bewirkt.

Demgegenüber ist bei höhreren Drehzahlen ein breiter Kokken erwünscht, damit der Nachladeeffekt ausgenutzt werden kann. Am unteren Totpunkt ÜT haben nämlich die einströmenden Gase noch kinetische Energie, so daß trotz des beginnenden Kompressionsdruckes noch Gas in den Zylinder einströmen kann, sofern nur der Nocken genügend breit ist.

Die Breite des Nockens bestimmt den Öffnungswinkel des Einlaßventils und hat letztlich Einfluß auf die jeweilige Füllung im Zylinder. Der in Figur 3 dargestellte Ventilzeitquerschnitt ist bei Maschinen der der Erfindung zugrunde liegenden Art durch den Nockenhub und das Ventilübersetzungsverhältnis bestimmt.

Die bisherige Betrachtung ging im wesentlichen von den Verhältnissen bei unterschiedlichen Drehzahlen aus.

Immer größere Bedeutung erhält in letzter Zeit die Frage der Abgasemission, die von der Belastung der Maschine abhängt. Bei Voll- und Teillast ist im allgemeinen die Maschinentemperatur unterschiedlich. Die Temperatur im Verbrennungs-

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raum der Brennkraftmaschine und die zur Verfugung stehende Verbrennungszeit haben großen Einfluß auf die Abgasemission. Bei Teillast und niedriger Drehzahl wird die Emission unerwünschter Kohlenwasserstoffe begünstigt,, während unter Zugrundelegung derselben Drehzahl, aber bei Tollast, das Problem der Stickoxyd-Emission im Vordergrund steht. Bereits bei der Erläuterung der Figur 3 wurde darauf hingewiesen,, daß die Überlappung der Arbeitskurve von Einlaß- und Außlaßventil Einfluß auf die Abgasemission hat.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilbetätigung für Brennkraftmaschinen der obengenannten Art zu schaffen, die einerseits den unterschiedlichen Anforderungen an Drehmoment und Leistung bei niedrigen und höheren Drehzahlen genügt, andererseits aber auch die Möglichkeit gibt, die Abgasemission zu verbessern. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung ist dadurch gekennzeichent, daß die schwenkbare Lagerung des Schwing- oder Kipphebels als derart last- und/6&er drehzahlabhängig verstellbares Exzenterlager ausgebildet istj, daß bei lastabhängiger Verstellbarkeit bei Drehzahlen oberhalb des Leerlaufdrehzahlbereichs · mit zunehmender Last erfolgende Verstellungen desselben sowie bei drehzahlabhängiger Verstellbarkeitmit zunehmender

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Drehzahl erfolgende Verstellung/desselben die Schwenkachse des Hebels im Sinne von Vergrößerungen des Ventiljibersetzungsverhältnisses verlagern_o Zweckmäßigerweise besitzt die Gleitbahnflache ein Profil,, das eine Vergößerung des Ventllübersetzungsverhältnisses auch bei zunehmendem Uockenhub sicherstellt.

Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, daß man allen oben dargelegten Gesichtspunkten durch entspreitende Beeinflussung des Übersetzungsverhältnisses des Schwing- oder Kipphebels Rechnung tragen kann₀

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Betrachtet man zunächst den Fall der drehzahlabhängigen Verstellbarkeit des Exzenterlagers, so erfolgt bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung also eine doppelte Änderung des Übersetzungsverhältnisses: die eine Änderung erfolgt in Abhängigkeit vom BOckenhub, indem durch entsprechende Profilierung der Gleitbahnfläche, beispielsweise nach Art einer logarithmischen Spirale, der Siokkenhub voinfem jeweiligen Kurbelwinkel abhängige, unterschiedliche Bewegungen des Hebels und damit des Ventilstößels hervorruft. Zu diesem Zweck kann die Gleitbahnflache ein. solches Profil aufweisen, daß sich beispielsweise der in Figur 4 wiedergegebene Zusammenhang zwischen dem Ventilübersetzungsverhältnis i und dem Uoekenhub H ergibt. Die in die« ser Ausführungsform zweite Beeinflussung des Übersetzungsverhältnisses erfolgt drehzahlabhängig, indem die Hebelarme des Schwing- oder Kipphebels drehzahlabhängig geändert werden, wodurch sich eine Abhängigkeit des Ventilübersetzungsverhältnisses i von der Motordrehzahl η beispielsweise gemäß Figur 5 ergibt. Auch hier lassen sich je nach dem jeweiligen Anwendungsfall verschiedene Kurven einstellen. Beispielsweise können Kurven i1 und i2 unterschiedlicher Krümmung gefahren werden; es lassen ach aber auch Kurven vom Typ i3 einstellen, die einen Wendepunkt in dem interessierenden Drehzahlbereich besitzen.

Die erfindungsgemäß im Rahmen der Lagerung des Kipp- oder Schwenkhebels einerseits und der Ausbildung der Gleitbahnfläche andererseits getroffenen Maßnahmen hängen aber insofern miteinander zusammen, als jede Verstellung des Exzenterlager β sich auf die Lage des Berührungspunktes zwischen Nocken und Gleitbahnfläche auswirkt. Diese Tatsache ist also bei der Ausbildung der Gleitbahnfläche mit zu berüeksichti~ gen.

Zum Stand der Technik gehören Steuerungen, die mit einem

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¥älzhebel ausgerüstet sind, dessen eines Ende mit einer "Ventilspindel und dessen anderes Ende mit einem Exzenterantrieb verbunden ist; dieser Wälzhebel legt sich mit seinem zwischen den Enden befindlichen Bereich gegen eine entsprechend dem gewünschten Bewegungsgesetz profilierte Wälzbank_a Bei diesen bekannten Steuerungen dient die Exzenteranordnung aber zum Antrieb, während bei der Erfindung das Exzenterlager lediglich zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses bei der Drehzahländerung vorgesehen ist_o Auch fehlt den bekannten Steuerungen das erfindungsgemäße Zusammenwirken einer kurbelwinkelabhängigen und einer drehzahlabhängigen Änderung des VentilübersetzungsverhältnisseSo

Betrachtet man nun den Fall der lastabhängigen Verstellbarkeit_¥ so wird auch hier eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses vorgenommen, aber jetzt in Abhängigkeit von dem jeweiligen Saugrohrdruck₉ der als Maß für den jeweiligen üastzustand angesehen werden kann_o

Ein Torteil der Erfindung ist daran zu sehen, daß man mit an. sich bekannten konstruktiven Bauelementen auskommt«, So kann das Exzenterlager _f wie an sich bekannt, eine exzentrisch gelagerte Welle enthalten,· die ein Lagerauge in dem Hebel durchsetzt,, Grundsätzlich ist es möglich, das Exzenterlager von Hand verstellbar zu machen₀ Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine durch eine Kurbel betätigte Spindel Torgesehen sein, die mit einer Schrägverzahnung an der Exzenterwelle zusammenwirkte Besonders zweckmäßig ist jedoch eine automatische Verstellung des Exzenterlagers. Insbesondere im Falle der lastabhängigen Verstellbarkeit unter Benutzung des Saugrohrdrucks als Stellgröße kann man dies auf hydraulischem oder pneumatischem Mege erzielen_o Auch eine elektrische Verstellung des Exzenterlagers, insbesondere unter Verwendung elektronischer Fühler_s ist möglich. Beispiels-

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weise kann man hier direkt die Drosselklappenstellung in eine eiktrische Stellgröße umwandeln.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß bei drehzahlabhängiger Verstellbarkeit die Welle mit einem von der Nockenwelle angetriebenen Zentrifugalregulator über eine nur Drehzahländerungen vorzeichenricht.ig übertragende Kurbelanordnunj in Verbindung steht.

Besonders zweckmäßig ist natürlich eine Erfindungsvariante, die es gestattet, gleichzeitig eine drehzahlabhängige und eine lastabhängige Verstellung des Exzenterlagers vorzunehmen. Konstruktiv läßt sich dies zweckmäßigerweise dadurch erzielen, daß bei last- und drehzahlabhängiger Verstellbarkeit lastabhängig bewegte und drehzahlabhängig bewegte Verstellhebel über einen zweiarmigen Hebel mit dem Exzenterlager verbunden sind.

Die Gleitbahnfläche wird man unsymmetrisch gestalten, um die gewünschte Abhängigkeit des Ventilübersetzungsverhältnisses von dem Mockenhub zu erzielen. Insbesondere wird man der Gleitbahnfläche die Form einer logarithmischen Spirale geben.

Die Figuren 6 bis 11 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei bezüglich der Figuren 6 bis 10 eine drehzahlabhängige Verstellbarkeit des Ventilübersetzungsverhältnisses angenommen ist, während Figur 11 eine Lösung angibt, die eine sowohl drehzahl- als auch lastabhängige Verstellbarkeit gewährleistet. Verständlicherweise können einzelne Konstruktionsmerkmale "der Lösung nach den Figuren 6 bis TO auch im Rahmen einer lastabhängigen Verstellbarkeit Anwendung finden.

Betrachtet man zunächst Figur 6, so ist der Schwinghebel 1 bei 2 schwenkbar gelagert und steht mit sehem in der Figur linken

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Ende mit dem Ventilstößel 5 in Verbindung. Er überträgt dabei entsprechend dem Verhältnis der Hebelarme den .jeweiligen Hub des Nockens 4 auf der Nockenwelle/auf die Stellung des Ventilstößels 3·

Erfindungsgemäß ist die Gleitbahnfläche 6, längs der der Nocken 4 "bsi seiner Bewegung den Schwinghebel 1 berührt, so ausgebildet, daß sich das Ventilübersetzungverhältnis i beispielsweise entsprechend dem Zusammenhang nach Figur 4 in Abhängigkeit von dem jeweiligen BOckenhub H ändert. Mögliche Profilierungen der Gleitbahnfläche 6 zeigt Figur 7· Bei Profil a erfolgt diese Übertragung der Eockenbewegung auf den Ventilstößel zunächst mit relativ langsam wachsendem, dann steil abfallendem Übersetzungsverhältnis, während das Profil b die entgegengesetzte Wirkung hat. Profil c hat ein

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etwa symmetrisch zum größten Nockenhub liegendes/und Abfallen des Ventilübersetzungsverhältnisses zur Folge.

Erfindungsgemäß ist die schwenkbare Lagerung 2 für den Schwinghebel 1 als Exzenterlager ausgebildet, indem die exzentrisch gelagerte Welle 7 aas Lagerauge 8 des Schwinghebels 1 durchsetzt. Die Welle 7 besitzt den mit 9 bezeichneten Zahnkranz, der in Eingriff mit der Schnecke 10 steht; diese ist über die Kurbel 11 in diesem Ausführungsbeispiel von Hand betätigbar. Demgemäß kann man bei verschiedenen Drehzahlen durch Verdrehen der Exzenterwelle 7 und. damit Verlagerung der ideellen Schwenkachse 12 des Schwinghebels das Ventilübersetzungsverhältnis beispielsweise nach einem der in Figur 5 wiedergegebenen Zusammenhänge drehzahlabhängig ändern.

In den Figuren 8, 9 und 10 ist dagegen eine Möglichkeit zur automatischen Veränderung des Ventilübersetzungsverhält-

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nisses in Abhängigkeit von der Drehzahl angegeben, die mit dem allgemein mit 20 bezeichneten, an der Nockenwelle 21 befestigten und ihre Umdrehungen mitmachenden Fliehkraftregler ausgerüstet ist. Der Schwinghebel ist mit 22 bezeichnet; er ist wiederum auf einer Exzenterwelle 25 um die Schwenkachse 24 schwenkbar gehalten. Die Welle 23 ist ihrerseits über exzentrische Wellenzapfen 25 und 26 drehbar gelagert. Im Bereich seines in Figur 8, die eine Aufsicht wiedergibt, linken Endes 27 liegt der Schwinghebel 22 wieder auf einem Ventilstößel auf. Mit. 28 ist die Gleitbahnflache bezeichnet, die beispielsweise gemäß Figur 7 profiliert sein kann.

Ton besonderem Interesse an diesem Ausführungsbeispiel ist die Mechanik zur automatischen drehzahlabhängigen Verlagerung der Schwenkachse 24. Zu diesem Zweck sind die Gewichte 29 und 30 cLes Zentrifugalreglers 20, die mit zunehmender Drehzahl entgegen der Wirkung der Feder¹ 31 radial nach außen bewegt werden, mit der kulissenähnlichen Führung 32 verbunden, die zur Aufnahme eines vorzugsweise gabelförmigen Hebels 33 dient. Dieser Hebel 33 ist über die Kurbel 34 an der Welle 35 so angeordnet, daß er bei nennenswerten änderungen der Drehzahl, die Bewegungen der Führung 32 in Richtung der Pfeile bewirken, eine Verdrehung der Welle 35 'vornimmt. Über die miteinander verbundenen weiteren Kurbeln 36 und 37 wird dann die Schnecke 38 verdreht, die wie die Schnecke 10 in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 mit einem Gewinde segment an dem Wellenzapfen 26 in Verbindung stehtο ·

Figur 10 zeigt nochmals vergrößert Einzelheiten der kulissenartigen Führung und des Hebels 33· Dieser ist mit zumindest

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einer Justierschraube/versehen, durch die das Spiel zwischen der Führung 32 und dem Hebel 33 justiert werden kann. Hierdurch kann derjenige Drehzahlunterschied vorgegeben werden,

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der erforderlich ist, -um nach einer vorangegangenen Vergrößerung des Ventilübersetzungsverhältnisses eine Verkleinerung desselben zu erzeugen, oder umgekehrt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 11 ist angenommen, daß die Nockenwelle 40 mit einem elektrischen Drehzahlmesser 41 versehen ist, der in diesem Ausführungsbeispiel über einen Verstärker 42 der Drehzahl entsprechende Signale an die Magnetspule 43 abgibt. Das Magnetfeld dieser Spule zieht den Anker 44 entgegen der Wirkung der Rückstellfelder 45 drehzahlabhängig mehr oder weniger weit in ihren Innenraum hinein, so daß über das Gestänge 46 die Schnecke 47 drehzahlabhängig verstellt wird. Diese Schnecke entspricht der in Figur 6 mit 10 bezeichneten« Ihr ist der hydraulische Schwingungsdämpfer 48 zugeordnet.

Im Falle der Ausführungsform.nach Figur 12 ist eine dahingehende Erweiterung der in den Figuren 8 bis 10 dargestellten Konstruktion vorgenommen, daß die Verstellung des Ventilübersetzungsverhältnisses gleichzeitig sowohl entsprechend der jeweiligen Drehzahl als auch entsprechend der jeweiligen Last erfolgt, wobei zur lastabhängigen Verstellung mittels der Einrichtung 50 der unterdruck im Saugrohr hinter der Drosselklappe erfaßt wird. In Abhängigkeit von diesem Unterdruck wird der Schwenkhebel 51 betätigt und die jeweilige Stellung seines freien Endes über das Gestänge 52 auf den zweiarmigen Hebel 53 übertragen. Der zweiarmige Hebel steht ferner über die 'Kurbel 54 ^mi"t <ler in Figur 8 mit 32 und 33 bezeichneten Einrichtung in Verbindung, d.h. er wird über die Kurbel 54 drehzahlabhängig verstellt. Die Gesamtverstellung des zweiarmigen Hebels 53 wird auf die Schneckenwelle 55 über das Gestänge 56 übertragen, das im Bereich seines anderen Endes an dem zweiarmigen Hebel 53 angreift. Die Schnek kenwelle 55 ist analog der Schnecke 10 in Figur 6 angeordnet.

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ORlGiWAL INSPECTED

Claims

2024S72 M VOLKSWAGENWERK Aktiengesellschaft WoI fs burg Unsere Zeichen: K 926 704/Hu/La Ansprüche

1.J Ventilbetätigung für Brennkraftmaschinen, insbesondere mit obenliegender Nockenwelle, mit einem eine Gleitbahnfläche für einen auf einer Nockenwelle sitzenden Nocken aufweisenden, um eine Schwenkachse schwenkbar gelagerten und mit einem Ventilstößel zusammenwirkenden Schwingoder Kipphebel, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbare Lagerung als derart last- und/oder drehzahlabhängig verstellbares Exzenterlager (Fig.6:2) ausgebildet ist, daß bei lastabhängiger Verstellbarkeit bei Drehzahlen oberhalb des Leerlaufdrehzahlbereichs mit zunehmender Last erfolgende Verstellungen desselben sowie bei drehzahlabhängiger Verstellbarkeit mit zunehmender Drehzahl erfolgende Verstellungen desselben die Schwenkachse (12) des Hebels (1) im Sinne von Vergrößerungen des Ventilübersetzungsverhältnisses verlagern»

2. Ventilbeiäbigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbahnfläche (6) ein Profil besitzt, das eine Vergrößerung des Ventilübersetzungsverhältnisses auch bei

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zunehmendem Nockenhub (4) sicherstellt.

3. Ventilbetätigung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Exzenterlager, wie an sich bekannt, eine exzentrisch gelagerte Welle (7) enthält, die ein Lagerauge (θ) in dem Hebel (1) durchsetzt.

4. Ventilbetätigung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Exzenterlager (2) von Hand verstellbar ist (11).

5. Ventilbetätigung nah einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Exzenterlager (2) hydraulisch oder pneumatisch verstellbar ist.

6. Ventilbetätigung nach einem der Ansprüche 1 bis 3s dadurch gekennzeichnet, daß das Exzenterlager (2) elektrisch, insbesondere unter Verwendung elektronischer Fühler, verstellbar ist.

7. Ventilbetätigung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß bei drehzahlabhängiger Verstellbarkeit die Welle (Pig.' 8:23) mit einem von der Nockenwelle (21) angetriebenen Zentrifugalregulator (20) über eine nur Drehzahländerungen vorzeichenrichtig übertragende Kurbelanordnung (32, 34-37) in Verbindung steht.

8„ Ventilbe&tigung nach Anspruch 5_S dadurch gekennzeichnet;, daß bei lastabhängiger Verstellbarkeit der Saugrohrdruck hinter der Drosselklappe zur Gewinnung einer Verstellkraft dient.

9. Ventilbetätigung nach einem der Ansprüche 3 ^is 8, dadurch

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gekennzeichnet, daß bei last- und drehzahlabhängiger Verstellbarkeit lastabhängig bewegte (l?ig. 12:52) und drehzahlabhängig bewegte (54) Verstellhebel über einen zweiarmigen Hebel (53) ^mit dem Exzenterlager verbunden (55) sind.

10.Ventilbetätigung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 s gekennzeichnet' durch eine unsymmetrische Gleitbahnfläche OFig.7). ■

11.Ventilbetätigung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Gleitbahnfläche (Fig. 6:6) einer logarithmischen Spirale folgt.

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