DE2813132A1

DE2813132A1 - Einrichtung zur veraenderung der steuerzeiten von gaswechselventilen einer hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2813132A1
Application number: DE19782813132
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Keylwert
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1978-03-25
Filing date: 1978-03-25
Publication date: 1979-09-27

Description

Kiöckner-Humboldt-DeutzAG ΔL „\«\ ...J ^5C0° ^K°^{ln 30}> ⁰^n 14. März 1978

Unser Zeichen: D 78/16 AG-XPB N/Lo

Einrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Steuerbewegung in Abhängigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle mittels Betätigungsteilen erfolgt.

Bei dem Bestreben, den Hubraum von Hubkolbenbrennkraftmaschinen durch Leistungssteigerung höher auszunutzen, hat insbesondere die Steigerung des mittleren Arbeitsdruckes durch Aufladung große Portschritte gemacht. Die Verwirklichung noch höherer mittlerer Arbeitsdrücke, ohne daß dabei eine Verschlechterung der Betriebssicherheit der Hauptbauteile des Motors eintritt, setzt voraus, daß man den Arbeitsprozeß so führt, daß sowohl Druck als auch Temperatur des Arbeitsgases in Grenzen bleiben. Aus dieser Sicht gewinnen Arbeitsprozesse, durch die Druck und Temperatur des Arbeitsgases niedrig gehalten werden können, ohne daß sich der Prozeßwirkungsgrad verschlechtert, immer größere Bedeutung. Als Miller-Verfahren ist z.B. seit langem eine Methode bekannt, bei der man durch früheren Schluß des Einlaßventils das Druck- und Temperaturniveau des Arbeitsprozesses bei Steigerung des mittleren Arbeitsdruckes erhalten kann. Dabei wird bei unverändertem Expansionsverhältnis das effektive Verdichtungsverhältnis durch die veränderte Ventilsteuerzeit verringert.

Es ist bekannt (Nordberg-Miller-Gasmotor), die Steuerzeiten mechanisch während des Motorlaufs zu verändern. Dies erfolgt mit Hilfe von verstellbaren Exzentern in Verbindung mit Schwinghebeln für

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den Ventilantrieb. Solche Einrichtungen erfüllen nicht alle Wünsche für eine optimale Gestaltung der Ventilerhebungskurve, insbesondere hinsichtlich der Drosselverluste und der Größe des Verstellbereiches. Die Einrichtung selbst erfordert einen beträchtlichen Bauaufwand. Nachteilig bei der bekannten Nordberg-Mi11er-Verstellung ist, daß nur ein kleiner Verstellwinkel möglich ist und daß bei der Verstellung der Öffnungswinkel des Einlaßventils unverändert bleibt, weil sich zwangsläufig mit dem vorverlegten Schließzeitpunkt des Einlaßventils auch dessen Öffnungszeitpunkt verschoben wird. Die Folge davon ist, daß der Überschneidungswinkel mit dem offenen Auslaßventil immer größer wird und dadurch die überspülte Ladeluftmenge in unerwünschter Weise ansteigt. Der Verstellmechanismus läßt sich nachträglich in einen konventionellen Ventilantrieb einfachster Bauart nur unter Inkaufnahme von größen baulichen Veränderungen unterbringen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beheben und eine Einrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen zu schaffen, die nachträglich in ausgeführte Brennkraftmaschinen ohne große bauliche Änderungen eingebaut werden kann. Essoll die Möglichkeit bestehen, die Steuerzeiten in großen Bereichen zu variieren, wobei unter anderem auch bei Veränderung der Öffnungszeiten der Ventile der Hub in seiner Größe unverändert bleiben soll.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei kann das Übertragungselement entweder in die beweglichen Betätigungsteile oder an den Anfang der Betätigungsteile eingebaut sein, wobei sich die hydraulische Kammer entweder am Gehäuse oder an einem Betätigungsteil abstützt, wogegen sich der Verdrängerkolben vorzugsweise an einem Betätigungsteil abstützt. Durch den Druckmittelförderteil kann der Kammer entsprechend der gewünschten Steuerbewegung Druckmittel zugeführt oder abgeführt werden, so daß sowohl die öffnung- als auch die Schließselt des Ventils veränderbar ist_o

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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben. Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird erreicht, daß der Verdrängerkolben unabhängig von dem durch das Druckmittelförderteil gelieferten Druckmittelstrom immer einen gleichen Hubweg zurücklegt und dann das überflüssige Druckmittel durch den Öffnungsquerschnitt abströmen läßt, so daß der Hub des Ventils unabhängig von der Menge des Druckmittelstromes konstant bleibt. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß zur Erreichung des Hubweges immer eine hinreichende Druckmittelmenge der Kammer zugeführt wird.

Durch die zusätzliche Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird das Übertragungselement zu einer geschlossenen Baueinheit, die anstelle sonst üblicher Betätigungsteile in eine unveränderte Hubkolbenbrennkraftmaschine eingebaut werden kann, wobei sich der Förderkolben auf einer üblichen Nockenwelle abstützt. Die Änderung des Druckmittelstromes kann entsprechend der bei Einspritzpumpen bekannten Veränderung des Leerhubes erfolgen. Will man im wesentlichen nur das Ende, d.h. die Schließzeit des Ventils beeinflussen, so können die Flanken der Nocken gemäß Anspruch 4 ausgebildet werden.

Gemäß den Ansprüchen 5 bis 8 kann der Zu- und Abfluß des Druckmittels zur Kammer sowohl bezüglich der Zeit als auch der Menge zusätzlich oder vollständig durch Drehschieber erfolgen, die mit Nockenwellendrehzahl umlaufen und von der Kurbelwelle angetrieben sind. Der Auslaßdrehschieber kann zusätzlich zu der Steuerung des Öffnungsquerschnitts gemäß Anspruch 2 bei Verwendung eines Einlaßdrehschiebers benutzt werden, wodurch die zu fördernde Druckmittelmenge verringert wird, da der Abströmquerschnitt dann zeitweise verschlossen werden kann.

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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur veränderbaren Betätigung der Gaswechselventile an Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Schnitt durch das hydraulische Übertragungselement und den übrigen Bauteilen in skizzierter Form,

Fig. 2 eine Erhebungskurbe des Ventils, wie sie durch das hydraulische Übertragungselement erfolgen kann,

Fig. 3 ein Hübdiagramm eines Förderkolbens wie er im hydraulischen Übertragungselement gemäß Fig. 1 eingebaut ist und

Fig. 4 einen Schnitt durch ein hydraulisches Übertragungselement, dessen Zu- und Abfluß über perspektivisch dargestellte Ein- und Auslaßdrehschieber gesteuert sind.

In Fig. 1 und soweit übereinstimmend dargestellt in Fig. 4 sind mit

I ein nur skizziert dargestellter Zylinderkopf bezeichnet, der Gaswechselkanäle 2 aufweist, die von Ventilen 3 beherrscht sind. Zwischen den Zylinderkopf 1 und den Ventilschäften sind in Schließrichtung der Ventile wirkende Ventilfedern 4 vorgesehen. Die Betätigung der Ventile 3 erfolgt über am Zylinderkopf 1 schwenkbar gelagerte Kipphebel 5 und Stößelstangen 6. Die Stößelstangen stützen sich auf Verdrängerkolben 7 ab, die Bestandteil eines allgemein mit 8 bezeichneten hydraulischen Übertragungselement sind. Das hydraulische Übertragungselement 8 weist eine zylindrische Kammer 9 auf, die im wesentlichen durch eine Buchse 10 gebildet wird, die in einem Gehäuse

II befestigt ist. Das Gehäuse 11 ist, nicht dargestellt, mit der Hubkolbenbrennkraftmaschine verschraubt. Im maximalen Hubbereich des Verdrängerkolbens 7 ist in der Buchse 10 und dem Gehäuse 11 ein Öffnungsquerschnitt 12 vorgesehen, der zu einer Druckmittelabflußleitung 13 im Gehäuse 11 führt.

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Wie insbesondere weiter der Fig. 1 zu entnehmen ist, weist das Gehäuse 11 auch eine Druckmittelzufuhrleitung 14 auf, die über Einlaßschlitze 15 im Gehäuse 11 und der Buchse 10 mit der Kammer 9 verbunden ist. Die Einlaßschlitze 15 sind im Bereich des unteren Todpunkts eines in der Buchse 10 weiterhin gelagerten Förderkolbens 16 angeordnet. Der Förderkolben 16 stützt sich über einen Rollenstößel 17 auf einem Nocken 18 einer Nockenwelle 19 ab. Der Förderkolben 16 ist über einen Hebel 20 und ein Gestänge 21 drehbar gelagert. Da die Stirnfläche des Förderkolbens 16 abgeschrägt ist, wird je nach Drehstellung des Förderkolbens ein mehr oder weniger großer Leerhub, in dem das im Innern der Kammer angesammelte Druckmittel durch die Einlaßschlitze zurückfließen kann, erzeugt, so daß dadurch die Druckmittelfördermenge variiert werden kann. In Fig. 3 ist eine Erhebungskurve des Förderkolbens dargestellt, wobei die Flächen proportional zur Fördermenge sind. Das durch den Förderkolben 16 in die Kammer 9 geförderte Druckmittel bewegt den Verdrängerkolben 7 gemäß Fig. 1 nach oben und öffnet dadurch das Ventil 3. Der Verdrängerkolben 7 bewegt sich soweit, bis seine Stirnfläche in dem Bereich des Öffnungsquerschnitts 12 gelangt, so daß über den Öffnungsquerschnitt und die Druckmittelabflußleitung Druckmittel entweichen kann, ohne daß sich der Hub weiter erhöht. Der Ventilhub und entsprechend der Verdrängerkolbenhub ist in Fig. 2 dargestellt. Durch Verstellen des Förderkolbens 16 in Verbindung mit der Auflauf- und Ablaufflankenform des Nockens 18 kann Beginn und Ende der Öffnungszeit des Ventils erheblich variiert werden, wobei, wie in Fig. 2 dargestellt,der maximale Hub unverändert bleibt, so daß keine Änderung der Drosselverluste eintritt.

In Fig.· 4 weist die zylindrische Kammer 9 einen axialen Druckmittelanschluß 22 auf, an den nur skizziert dargestellt die Druckmittelzufuhrleitung 14 angeschlossen ist. In der Druckmittelzuflußleitung 14 ist ein Einlaßdrehschieber 23 angeordnet, der In einer axial verschiebbaren Hülse 24 gelagert ist. Die Druckmittelzuflußleitung 14

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führt über einen Steuerschlitz 25 in der Hülse und eine radiale Bohrung 26 im Einlaßdrehschieber in den Innenraum des Drehschiebers und von dort über einen Speicher 27 zu einer Konstantförderpumpe 28. Die Druckmittelabflußleitung 14 führt gemäß Fig. 4 zu einer weiteren Hülse 24a mit einem Steuerschlitz 25a zu einem Auslaßdrehschieber 21 mit einer radialen Bohrung 26a und von dort zurück zum Tank. Entsprechend der Form der Steuerschlitze kann durch Verschiebung der Hülsen sowohl die Zeiten für Druckmittelzufuhr als auch für den Druckmittelabfluß variiert werden, so daß sich beliebige Steuerzeiten erzeugen lassen.

Der hydraulische Ventilantrieb erhöht zusätzlich noch dadurch, daß er. zwangsläufig bei jedem Betriebszustand ohne Ventilspiel arbeitet, die Betriebssicherheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine. Die Veränderung der Steuerzeiten für den Schluß des Einlaßventils erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit vom Ladedruck.

Die Anwendung der Einrichtung ist nicht auf die Verwirklichung des Miller-Verfahrens beschränkt, vielmehr kann damit jede gewünschte Veränderung der Steuerzeiten z.B. auch zur Vorverlegung des Öffnungszeitpunktes des Auslaßventils erreicht werden, wenn man damit das Energieangebot für die Abgasturbine erhöhen will. Dies kann z.B. zur Verbesserung des Drehmomentverhältnisses bei abfallender Motordrehzahl von Nutzen sein und mit dazu beitragen, die Eignung von hoch aufgeladenen Motoren zum Antrieb von Straßenfahrzeugen zu verbessern.

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Unser Zeichen: D 78/16 AG-XPB N/Lo

P atentansprüche

Q Einrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Steuerbewegung in Abhängigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle mittels Betätigungsteilen erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsteile ein hydraulisches Übertragungselement (8) aufweisen, das aus einer, vorzugsweise zylindrischen Kammer (9), einem Verdrängerkolben (7) und einem Druckmittelförderteil (14, 15, 16, 17, 18 oder 14, 23, 24, 25, 26, 28) besteht, wobei das Druckmittelförderteil entsprechend der gewünschten Steuerbewegungen und Steuerzeiten die Kammer (9) mit Druckmittel beaufschlagt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß an der Kammer (9) eine Druckmittelabflußleitung (13) angeschlossen ist, deren Offnungsquerschnitt (12) im Hubbereich des Verdrängerkolbens (7) angeordnet ist und von diesem beherrscht wird»
3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittelförderteil einen Förderkolben (16) aufweist, der sich auf einem Nocken (13) einer mit der Kurbelwelle drehfest verbundenen Nockenwelle (19) abstützt, wobei der Förderkolben (16) einen veränderbaren Leerhub aufweisb«.

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4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der geometrische Hub des Förderkolbens (16) erheblich größer als der wirksame Hub des Verdrängerkolbens (7) ist und die Lage der Steueröffnungen (15 bzw. 12) so aufeinander abgestimmt ist, daß bei einem kleinen Leerhub h von der Öffnung (15) ein großer Überströmhub h.. an der Öffnung (12) entsteht und umgekehrt.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflaufflanke des Nockens C18) möglichst steil und die Ablaufflanke des Nockens (18) sehr flach ausgebildet sind.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckmittelabflußleitung (13) ein Auslaßdrehschieber (29) vorgesehen ist, der von der Kurbelwelle aus angetrieben wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittelforderteil einen konstanten Druck liefernde Druckmittelquelle (27, 28) aufweist, die unter Zwischenschaltung eines Einlaßdrehschiebers (23) mit der Kammer (9) verbunden ist, wobei der Einlaßschieber (23) von der Kurbelwelle aus angetrieben ist.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung- und/oder Schließzeiten des Einlaß- (23) und Auslaßdrehschiebers (29) bezüglich ihrer Öffnungszeit und ihrer zeitlichen Abhängigkeit von der Drehbewegung der Kurbelwelle veränderbar sind.

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9. Einrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieber (23, 29) in axial verschiebbaren Hülsen (24, 24a) gelagert sind, die Steuerschlitze (25, 25a) mit axialer und/oder radialer Ausdehnung unterschiedlichen Querschnitts aufweisen.

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