DE3204841A1

DE3204841A1 - Hubkolben-brennkraftmaschine mit einer vorrichtung zur winkelverstellung der nockenwellen relativ zueinander

Info

Publication number: DE3204841A1
Application number: DE19823204841
Authority: DE
Inventors: Panagiotis Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Adamis
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1982-02-11
Filing date: 1982-02-11
Publication date: 1983-08-18

Description

VOLKSWAGENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT 3180 Wolfsburg 1

Unsere Zeichen: K 3195
1702pt-we-sch

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwellen relativ zueinander

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Winkelverstellung des Nockenwellen relativ zueinander gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE-OS 27 47 884 bekannt. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine wird zum Zwecke der Verschiebung der Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten eine Winkelverstellung der Nockenwellen der Ein- und Auslaßventile vorgenommen. Dabei wird davon ausgegangen, daß bei feststehenden Auslaßventilbetätigungszeiten die Einlaßventilbetätigungszeiten in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine verändert werden, und zwar in der Weise, daß mit fallender Last die Ventilöffnungs- und Schließzeiten in Richtung auf später verschoben werden. Insbesondere die Einlaßventilschlfe ßzeit wird dabei über den unteren Kolbentotpunkt hinaus verschoben, so daß mit fallender Last zunehmend das Ventil noch während der Kompressionsphase geöffnet ist und so ein Teil der während der Ansaugphase angesaugten Gemischmenge wieder in die Ansauganlage zurückgeschoben wird. Wenn diese Verschiebung der Einlaßventilschließzeit lastabhängig gesteuert wird, kann auf ein sonst zur Leistungsregelung notwendiges Drosselventil in der Ansaugleitung verzichtet werden.

-.:.. ..·.:.. 320A8A1

Da gleichzeitig mit der Einlaßventilschließzeit auch die Einlaßventilöffnungszeit verschoben wird, ergibt sich jedoch kaum eine Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber der bei Teillasten bekanntermaßen recht ungünstigen Quantifäts- bzw. Füllungsregelung durch Drosselung. . Der Arbeitskolben dieser bekannten Brennkraftmaschine muß nämlich während des ersten Teil des Ansaugtaktes

werden

bei geschlossenem Einlaßventil zurückgezogen/^ras zu einem leistungs mäßig ungünstigen Aufbau eines Unterdruckes führt, der anschließend durch Verwirbelung der einströmenden Gemischmenge wieder weitgehend durch Reibung vernichtet wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, eine Hubkolben-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff angegebenen Bauart zu schaffen, mit deren Hilfe unter Verzicht auf die wirkungsgradungünstige Drosselregelung eine Füllungsregelung durch Verstellung der Einlaßventilöffnungszeiten durchgeführt wird. Die Erfindung strebt dabei jedoch an, die Einlaßöffnungszeiten im wesentlichen beizubehalten und lediglich eine lastabhängig Veränderung der Einlaßschließzeiten durchzuführen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Einlaßventil-Nockenwelle gege üiber der Auslaßventil-Nockenwelle periodisch verschwenkt wird, und zwar gerade so, daß jeweils die Einlaßventil-Schließzeit durch diese periodische Verschwenkung verschoben wird. Diese Verschiebung soll dabei in der Weise erfolgen, daß mit fallender Last die Einlaßventil-Schließzeit in Richtung auf spätere Kurbelwinkelwerte gedrückt wird.

Zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den Merkmalen der Unteransprüche wiedergegeben.

In der Zeichnung wird die Erfindung anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Me Zeichnung zeigt in

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Verstell- «· getriebe zur Winkelverstellung der

Nockenwellen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine Ansicht des Verstellgetriebes von seiner Stirnseite her,

Figur 3 und 4 Diagramme des Bewegungsablaufs der einzelnen Glieder des· Verstellgetriebes bzw. der Ventilerhebungskurven über dem Kurbelwinkel für verschiedene Betriebszustände.

In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung ist mit 1 jeweils das Verstellgetriebe insgesamt bezeichnet, das zum Antrieb zweier konzentrisch zueinander geführter Nockenwellen 2 und 3 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Dabei ist mit 2 die den Einlaßventilen zugeordnete Nockenwelle bezeichnet, die Einlaßventilnocken 23 aufweist, während 3 die Auslaßventil-Nockenwelle darstellt, die Nocken 24 zur Betätigung der Auslaßventile aufweist, die durch schlitzartige Ausnehmungen 25 in der Einlaßventilnockenwelle 2 hindurchgreifen.

Das Verstellgetriebe 1 besteht im wesentlichen aus einem Zentralrad 5* das beispielsweise mittels eines Zahnriemens 4 "von der hier nicht weiter gezeigten Kurbelwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine angetrieben wird. Mit dem Zentralrad 5 kämmen jeweils zwei in den Abmessungen gleich große Planetenradsätze, deren Räder in der Zeichnung mit 6 bzw. 7 angegeben sind. Diese Räder der beiden Planetenradsätze sind dabei, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, in zwei axial hintereinanderliegenden Ebenen angeordnet und jeweils gleichmäßig über den Umfang des Zentralrades 5 verteilt. Mit 8 und sind zwei Ringräder bezeichnet, deren Innenverzahnungen mit jeweils einem Planetensatz 6 bzw; 7 i^m Eingriff stehen und die jeweils ge-

trennt mit einer der beiden Nockenwellen 2, 3 antriebsmäßig verbunden sind. So ist die Einlaßventil-Kurbelwelle 2 mit dem ersten Ringrad 8 und die Auslaßventil-Kurbelwelle 3 mit dem zweiten Ringrad 9 verbunden. _t

Während die Planetenräder J des zweiten Plantenradsatzes ortsfest, d. h. beispielsweise gegenüber einem'feststehenden Gehäuse 10 gelagert gehalten sind, sind die Planetenräder 6 des ersten Planetenradsatzes auf einem Planetenradträger 11 gelagert, der um die Zentralradachse 12 schwenkbar gehalten ist. In der Zeichnung sind jedem Planetensatz jeweils nur zwei diagonal gegenüberliegende Planetenräder 6 bzw. 7 vorgesehen. Jedoch ist es klar, daß auch eine größere Zahl von Planetenrädern über den Umfang des Zentralrades 5 verteilt angeordnet sein kann.

Der Planetenträger 11 weist ein.e als Hebel wirkende Verlängerung 11a

m
auf mit einem Längsschlitz 18,/den ein Exzenterbolzen I7 eingreift. Dieser Exzenterbolzen I7 ist an einem von der Kurbelwelle über den Zahnriemen 4 ^it Kurbelwellendrehzahl angetriebenen Rad 13 exzentrisch verstellbar gehalten, wozu in dem Rad 13 ein mit einem Leistungsstellglied der Brennkraftmaschine, beispielsweise mit dem Gaspedal 16, verbundener hydraulischer Stellmotor zur Verstellung· des Exzenterbolzens I7 vorgesehen ist. Dieser Stellmotor besteht aus einem in einem Zylinder I4 verstellbaren ersten Kolben 15» der über ein Gestänge 26, 27 mit dem Gaspedal 16 verbunden ist und einem in einem zweiten, im wesentlichen radial in der Scheibe des Rades I3 angeordneten zweiten Zylinder 20 verstellbaren zweiten Kolben 19» an dessen Kolbenstange 21 der Exzenterbolzen I7 befestigt ist. Die beiden Druckarbeitsräume der Zylinder I4 und 20 sind über eine Verbindungsleitung 28 miteinander verbunden und mit einem hydraulischen Arbeitsmittel 22 gefüllt, so daß mit einer Verstellung des mit einer Rückstellfeder 29 versehenen Gaspedals 16 zur Veränderung der Leistung der Brennkraftmaschine zwangsläufig eine Verstellung des Exzenterbolzens 17 einhergeht.

Die Anordnung ist nun so getroffen, daß bei Vollast, d. h. bei voll durchgetretenem Gaspedal 16 der Exzenterbolzen 17 etwa in der Mitte des Rades 13 steht, während:.*mit fallender Last, entsprechend zunehmend zurückgenommenem Gaspedal 16 der Exzenterbolzen 17 an dem Rad 13 radial nach außen wandert. Diese Verstellung des Exzenterbolzens I7 bewirkt während des Betriebes der Brennkraftmaschine eine periodische Verschwenkung des Planetenträgers 11, wodurch eine periodische Veränderung der Drehzahl der Einlaßventil-Kurbelwelle bewirkt wird. Eine Verschwenkung des Planetenträgers 11 um die Zentralradachse 12 aus der in der Figur 2 gezeigten Stellung heraus im Uhrzeigersinn bewirkt dabei eine Verringerung der Drehzahl der Einlaßventil-Nockenwelle 2, während eine Verschwenkung nach der anderen Seite hin eine Erhöhung der Drehzahl der Einlaßventil-Nockenwelle verursacht.

Infolge der von der Erfindung getroffenen Ausbildung wird nun der Planetenradträger 11 während jeder Umdrehung der Kurbelwelle periodisch um die in der Zeichnung gezeigte Nullstellung herum nach beiden Seiten hin um den Betrag verschwenkt, der von der Stellung des Exzenterbolzens I7 bezüglich der Achse des Rades 13 vorgegeben ist. Dabei ergibt sich im Leerlauf die größte Auslenkung, während bei Vollast keine Auslenkung auftritt.

In den Figuren 3 und 4 sind nun über dem Kurbelwinkel für zwei unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine die zyklischen Bewegungsabläufe verschiedener Komponenten des Verstellgetriebes bzw. der Ventile angedeutet. Während dabei die Figur 3 die Verhältnisse bei Vollast zeigen, gibt die Figur 4 die Bewegungsabläufe bei Teillast an. Mit 3.1 ist dabei der Bewegungsablauf des Zentralrades gezeigt, das mit der gleichen Drehzahl wie die Kurbelwelle umläuft. Der Kurvenzug 32 zeigt demgegenüber den Bewegungsablauf der Planetenräder 6, die mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle umlaufen, während mit dem Kurvenzug 33 der Bewegungsablauf des Ringrades 8 angedeutet ist, dessen Drehzahl halb so groß wie die Kurbelwellendrehzahl ist. 34 stellt schließlich die Ventilerhebungskurve des Einlaßventils und 35 die des Auslaßventils dar.

Ein Vergleich der Diagramme der Figuren 3 und 4 zeigt, daß bei Vollast die Ventilerhebungskurve des Einlaßventils 34 derjenigen herkömmlicher Einlaßventile entspricht, während die Ventilerhebungskurve 34' bei Teillast entscheidend verändert ist. Während dabei der Öffnungsbeginn des Einlaßventils in etwa gleich gehalten wurde, ist die Schließzeit des Einlaßventils weit über den unteren Totpunkt des Kolbens hinaus verzögert und die gesamte Öffnungszeit des Einlaßventils aufgespreizt worden. Dies wurde erreicht durch eine wesentliche Verzögerung der Drehzahl der Einlaßventil-Nockenwelle 2 während der ersten Kurbelwellenumdrehung des jeweils zwei Kurbelwellenumdrehungen umfassenden Arbeitsspiels der im Viertaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine. Diese Verzögerung wurde durch die periodische Verschwenkung des Planetenradträgers 11 des ersten Planetenradsatzes 6 erreicht, die zunächst, wie der Kurvenzug 32' andeutet, gegenüber dem Zustand bei Vollast eine Verzögerung der Räderdrehzahl und anschließend deren Beschleunigung bewirkte.

Wie aus dem mit strichpunktierten Linien angedeuteten Kurvenzug bzw. 35' hervorgeht, ist die Ventilerhebungskurve des Auslaßventils von dieser Drehzahlveränderung nicht berührt, so daß die Auslaßventil-Nockenwelle in einem festen, unveränderlichen Drehzahlverhältnis zur Kurbelwelle steht.

Der Vorteil einer derartigen Einl.aßventilsteuerung besteht darin, daß bei Teillast durch Offenhaltung des Einlaßventils über den unteren Kolbentotpunkt hinaus ein Teil der angesaugten Geinischmenge in das Ansaugsystem zurückgeschoben wird, so daß eine Füllungsregelung ohne die bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen bekannten Drosselungsverluste erreicht wird. Damit kann der Wirkungsgrad einer derartigen Brennkraftmaschine und damit ihr Kraftstoffverbrauch entscheidend verringert werden.

Bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwar zwei konzentrisch zueinander angeordnete Nockenwellen für die Einlaß- und Auslaßventile vorgesehen. Selbstverständlich kann die Anordnung der Nockenwellen aber auch anders, beispielsweise

parallel zueinander, erfolgen, wobei dann die Auslaßventilnockenwelle direkt von dem Zahnriementrieb ohne Zwischenschaltung eines Planetentriebes angetrieben werden könnte. Lediglich der Einlaßventil-Nockenwelle müßte dann noch der' Verstelltrieb zugeordnet sein.

Claims

J.

VOLKSWAGENWERK

AKIIiNGtSEIlSCHAFI

5180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 5195
1702pt-we-sch

1 α Feb. 1982

ANSPRÜCHE

Θ' Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Kolbe:i-Zylindereinheit, deren Arbeitsraum wenigstens ein Einlaß- und wenigstens ein Auslaßventil aufweist, wobei die Ventile mittels Nocken betätigbar sind, die auf den Ventilen jeweils getrennt zugeordneten Nockenwellen vorgesehen sind, und mit einer zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und den von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwellen angeordneten, ein Planetenrädergetriebe aufweisenden Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwellen relativ zueinander, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenrädergetriebe (1) ein von der Kurbelwelle angetriebenes Zentralrad (1J) aufweist, das mit wenigstens einem Satz von Planetenrädern (6) kämmt, die ihrerseits · ein mit der den Einlaßventilen zugeordneten Nockenwelle (2) antriebsmäßig verbundenes Ringrad (θ) antreiben, und daß zur Veränderung der Einlaßventilschließzeit die Planetenräder (6) um die Zentralradachse (12) periodisch verschwenkbar angeordnet sind.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (6) auf einem um die Zentralradachse (12) periodisch verschwenkbaren Planetenradträger (11) gelagert sind.

5· Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkausschlag des Planetenradträgers (11)

in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine veränderbar ist.

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenradtrager (11) mit einem Schwenkhebel (11a) verbunden ist, der einen Längsschlitz (18) zum Eingriff eines auf einem mit Kurbelwellendrehzahl umlaufenden Rad (13) verstellbar geführten Exzenterbolzens (17) aufweist.

5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenterbolzen (17) in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine verstellbar ist.

6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung des Exzenterbolzens (I7) ein mit dem Fahrpedal (16) verbundener, hydraulischer Stellmotor (14» 15f 19» 20) vorgesehen ist.

7. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Nockenwellen für die Einlaß- und Auslaßventile konzentrisch ineinander gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwellen (2, 3) mit zwei axial nebeneinanderliegenden Ringrädern (8, 9) verbunden sind, denen jeweils ein mit dem Zentralrad (5) kämmender Satz von ersten und zweiten Planetenrädern (6, 7) zugeordnet ist, wobei die der Auslaßventilnockenwelle (3) zugeordneten zweiten Planetenräder (7) ortsfest gelagert sind.