DE3543537A1

DE3543537A1 - Ventilsteuereinrichtung fuer hubkolbenmotore mit variablen steuerzeiten

Info

Publication number: DE3543537A1
Application number: DE19853543537
Authority: DE
Inventors: Rolf 4170 Geldern Bauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-10
Filing date: 1985-12-10
Publication date: 1986-04-30

Description

Beschreibung

Ventilsteuereinrichtung für Hubkolbenmotoren mit variablen

Steuerzeiten

Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung, die in gegebenen Grenzen eine Veränderung der Phasenlage und der Phasenlänge (Fig.4) des Ventilerhebungswinkels ohne Ventilhubverlust ermöglicht, indem zwischen zwei Steuernocken (1/2), die auf ein Ventil arbeiten, mit den extremen Phasenlängen (längste, kürzeste Phasenlänge) und unterschiedlichen Phasenlagen, als gegebene Grenzventilerhebungsprofile (Fig.4), mit Hilfe zweier, diese Nocken abtastenden Stößel (la/2a), die untereinander durch hydraulische Polster (3/4) veränderbarer Stärke kinematisch gekoppelt werden, oder mit Hilfe zweier Schlepphebel (lb/2b), die jeweils in ihren Gegenlagern hydr. so gelagert und geführt werden, daß ihre Kinematik den Erfordernissen anpassbar wird (lb.l/2b.l), weich (übergangslos) hin- und hergeschaltet werden kann, so daß auch Zwischenphasenlagen und -längen erreichbar sind.

Für einen hohen Wirkungsgrad der Kolbenmotore sind u.a. der Füllungsgrad, d.h. der Verbrennungsenddruck, sowie im Fahrbetrieb das Drehmomentverhalten im gesamten (insbes. auch unteren) Drehzahlbereich (Drehzahlniveau) von merklicher, optimierender Bedeutung.

Der Füllungsgrad und das Drehmomentverhalten wird kennzeichnend durch die Anpassung der Ein/Auslassventilsteuerzeiten an die Erfordernisse der instationären Strömungsvorgänge beim Ladungswechsel beeinflußt.

Es ist bekannt, daß dazu tendenziell mit steigender Drehzahl eine Verlängerung der Ventilöffnungsphasenlänge bzgl. des Drehwinkels (Fig.4) notwendig wird, ebenso eine Frühverschiebung der Phasenlage der Ventilbewegung. Zur Minimierung der an den Ventilen unvermeidlichen Drosselverluste, ist es günstig, einen möglichst großen Ventilhub zu realisieren.

Um bei der heute in der Großserie üblichen starren Ventilsteuerung dennoch eine relativ gute Füllung in großen Drehzahlbereichen zu realisieren, werden Resonanzeffekte im Ansaug- und Auspufftrakt überlappend und verstärkend in ihren Resonanzdrehzahlen zu den optimalen Ventilsteuerzeitdrehzahlen eingesetzt. Gaswechseldrosselverluste begegnet man mit großen Ventilöffnungsquerschnitten (z.B. Vierventiler, V-förmige Ventilanordnung) und Querstromzylinderköpfen. Diese Maßnahmen Können nur als Kompromiss, als kleiner Schritt in die richtige Richtung betrachtet werden.

Eine der bekannten Lösungen für Ventilsteuerungen mit variablen Steuerzeiten ist in OS 25 14 727 dargelegt, die in der DE-OS 30 04 396 dazu in-

is direkt bezogene Stellungsnahme auf eine diesbezgl. explizite Ausführung, berücksichtigt in ihrer Kritik nicht das Problem, daß die axiale Verschiebung bei angestrebter kompakter Motorbauweise mit einer Nockenwelle aus geometrischen Gründen (die Nocken überschneiden sich axial!) kaum realisierbar ist.

zo Die in der OS 30 41 864 und OS 27 47 884 vorgelegten Lösungen, sowie eine Reihe ähnlicher OS verändern legiglich die Ventilsteuerphasenlagen, womit ihre Effiziensverbessernde Wirkung prenzipbedingt eingeschränkt bleibt. Sowohl in DE-OS 21 01 542, als auch in DE-OS 30 04 396 wird die Änderung der Ventilsteuerphasenlänge durch entsprechenden, prenzipbedingten Hub-

" verlust erkauft, zudem kann die Ventilsteuerphasenlage, ebenfalls prenzipbedingt, kaum verändert werden.

Der OS 01 12 644 zufolge entstehen, wie in Fig.2 dieser OS anschaulich dargestellt, erhebliche oszillierende Momentenschwankungen, die speziell im oberen Drehzahlbereich zu zerstörenden Torosionsschwingungen im Antriebsstrang führen können.

Die durch DE-OS 34 06 100 vorgeschlagene Lösung beinhaltet im Anspruch a) ein in seiner Wirkung ähnliches Prenzip wie z.B. OS 27 47 884, so daß die in Anspruch b) angeführte Schlepphebelmodifikation auch zu allen mit der letztgenannten OS artverwandten Lösungen anwendbar ist.

Ein ungelöstes Problem der Erfindug nach Anspruch b) ist, daß zumindest in der Ventilschließbewegung, je nach Schlepphebelverstellung ein vom sogen. "Ruckfreien Nocken" verschiedenes Bewegungsgesetz vorliegt, so daß mit erhöhtem Verschleiß gegenüber heute üblichen Steuereinrichtungen zu rechnen ist, wobei akustische Nachteile unberücksichtigt sind. Prinzipiell mit ähnlichen Problemen ist die OS 01 25 096 behaftet, zusätzlich treten hier unnötig hohe oszillierende Massen auf.

In der DE-OS 28 22 147 (VW AG) wird ein in beliebige Lage aufspreitzbarer Doppelnocken als Steuerelement für variable Steuerzeiten ( und -lagen) eingesetzt, was abesehen vom enormen Bauaufwand (Wirtschaftlichkeit) auch noch den Nachteil eines unveränderlichen Ventilöffnungs/Schließdifferenzwinkels; denn die auf- und ablaufende Nockenflanke bleibt ja durch die Aufspreitzung zweier Nockenhälften in ihrer Form unverändert, und damit auch die dieser Form folgende Ventilöffnungs/Schließkinematik, so daß entweder schleppende Ventilsteuerung bei niedrigen Drehzahlen, oder zu harte (schlagende) Ventilsteuerung bei hohen Drehzahlen zu erwarten ist. Versuche, eine vollelektronische Ventilsteuerung mit elektrischem (DE-OS 30 24 042), oder hydr. Antrieben zu realisieren, scheitert i.d.R. an den für PKW-Motoren erforderlichen hohen Beschleunigungen bei den entsprechenden Frequenzen, denn die für elektronische Steuerung erforderliche Antriebsenergiebevorratung ist im Zusammenhang mit den erziehlbaren Antriebsaggregatwirkungsgraden so stark verlustbehaftet, daß der erhoffte Effiziensverbesserungseffekt sehr stark beschränkt, wenn nicht sogar ins Gegenteil verkehrt wird (Versuche Mitte der 70er Jahre in den USA). Auch aus diesem Grunde wird allgemein auf dem mit relativ gutem Wirkungsgrad versehenen Nocken-Stößel Prenzip zur Ventilsteuerung aufgebaut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrer Phaselage und -länge veränderliche Ventilsteuerung zu entwickeln, die eine optimale Anpassung an die Erfordernisse der Strömungsverhältnisse beim Gaswechsel, zwecks Erzielung eines optimierten Füllungsgrades, ermöglicht, ohne dabei wirtschaftliche Aspekte zu vernachlässigen, d.h. in vorhandenen Motoren ohne zu grossen Bauaufwand realisieren zu können.

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Oiese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen zwei Steuernocken mit den extremen Steuerzeiten und unterschiedlichen Phasenlagen (1/2) durch geeignete Abtastsysteme nach den Patentansprüche?! 1. bis 16. stufenlos und weich hin- und hergeschaltet wird , so daß auch Zwischenphasenlagen und -längen der Steuerzeiten(winkel) erreichbar sind.

Um ein weiches Überwechseln von einer Steuernocke zur anderen zu gewährro leisten, sind die beiden entsprechenden Stößel/Schlepphebel untereinander durch hydraulische Polster veränderlicher Stärke kinematisch gekoppelt, so daß der bei jedem Ventilhubzyklus auftretende Oifferenzhub zwischen den zwei Stößeln/Schlepphebeln bestrebt ist, diese Polster (3a/3b) zu verkleinern, was bei niedrigen Drehzahlen trotz der Drossel im Ölkanal is auch gelingen soll, denn in dieser Betriebsphase sollte die Nocke mit der kürzeren Phasenlänge die Steuerzeit bestimmen.

Mit steigender Drehzahl jedoch, wird die Zeit, die während der Ventilandrückphase mit Differenzhub zur Verringerung der Polsterstärke zur ver-0 fügung steht, immer kürzer, so daß mit Hilfe einer verstärkten Drosselwirkung das Polster zwischen den Stößeln (3a), bzw. das Polster des Schlepphebels (3b) ständig (drehzahl- und lastabhängig) anwächst, bis der Nocken mit der längsten Steuerphase (und verschobenen -) völlig die Steuerzeiten bestimmt. Die Lage der Ölversorgungsnut (5a/5b) bestimmt ab 5 welchem Hub keine nennenswerte Veränderung der hydr. Polster (3a/3b) möglich wird (Fig.1/Fig.2).

Dies ist neben der Drossel und den Ölkanaldrosselwirkungen ein mitbestimmender Parameter für das dynamische Übernahmeverhalten im Betrieb. Als Schutz für die Ölversorgung vor den hohen Druckspitzen der Ölpolster 0 (3) ist das Rückschlagventil (6) zu betrachten, außerdem definiert es den Rückfluß der Polster (3) durch die Drossel (7). Der hinter der Drossel angeordnete, federbelastete Druckspeicher nimmt die Volumenschwankungen des Ölpolsters (3) auf.

Im mittleren Drehzahlbereich hebt somit der Nocken mit den langen Steuerzeiten das Ventil an, bis dann die andere Nocke auf ihrer Flanke übernimmt und den vollen Hub sicherstellt. Diese Übernahme stellt jedoch ein Sprung in der Ventilgeschwindig dar, d.h. es entsteht ein Ruck, der erfindungsgemäß durch die hydr. Polster (3/4) der Stößel (2a.l/2a.2) bzw. der Schlepphebel (lb/2b) soweit abgedämpft wird, daß ein aktzeptables Übernahmeverhalten erreicht wird. Dazu ist es notwendig, daß die Stößel

ίο (2a.1/la)/Schlepphebel (lb/2b) ständig an der Nockenflanke anliegen, damit die Dämpfung über genügend Dämpfungsweg verfügt.

Die erzielbaren Vorteile durch die Erfindung liegen in der Anpassungsfähigkeit der Steuerzeiten an die gegebenen Bedürfnisse des Betriebszu-Standes des jeweiligen Motors, so daß praktisch ein deutlich flacherer Drehmomentverlauf auf hohem Niveau in sehr weiten Drehzahlgrenzen gegenüber heutigem Standart möglich wird, mit den entsprechenden Folgen für den Kraftstoffkonsum unter gleichen Leistungsbedingungen. Die Drehzahlgrenzen für den flachen Drehmomentverlauf werden durch die 0 beiden Steuernockenkonturen betimmt.

Ausführungsbeispiel ist die Stößelversion mit konzentrischer Stößelanordung, da diese Version auf einfache Weise für einige Motortypen direkt anwendbar ist. In der Zeichnung Fig.l sind die entsprechenden 5 Teile dargestellt. Die hierbei notwendige Verdrehführung (18) des Stößels (2a.1) resultiert aus der zylinderförmigen Abrundung desselben Stößels, die wegen des geringen Durchmessers dieses Stößels nötig ist, um Kantenpressung der Nocke auszuschließen. Dies kann selbstverständlich enfallen, wenn durch einen ensprechenden Durchmesser, oder eine andere Kontur 0 dieses Stößels, Kantenpressung auch bei flacher Berührungsebene zur Nocke ausgeschlossen wird.

Die am Stößel (la) angebrachten Ölkanäle sichern die Versorgung der hydr. Polster sowohl für den Stößel im Zentum als Dämfung, als auch zwischen den Stößeln (la) und (2a).

Aus dynamischen Gründen ist es zweckmäßig, die Ölzufuhr zur Ölversorgungsnut (5), durch eine andere Bohrung vorzunehmen, als die Bohrung, welche zur Drossel führt.

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

/ 1.)Ventilsteuereinrichtung für Hubkolbenmotoren, die eine in vorgegebenen Grenzen veränderlicher Phasenlage und Phasenlänge des Ventilerhebungswinkels ohne Hubverlust des Ventils ermöglicht, wobei diese Veränderung in Abhängigkeit von Zustandsparametern des Motors vorzunehmen ist, dadurch gekennzeichnet,daß zwischen zwei Ventilsteuernocken (1/2) mit

ίο den extremen Phasenlängen und -lagen (Fig.4), die auf ein Ventil (12) arbeiten, durch hydraulische Zwischenglieder (3a/3b/4a/4b) weich hin- und hergeschaltet wird, so daß auch beliebige Zwischenphasenlagen und -längen erreichbar sind.

is 2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß ein Stößel (2a) oder ein Schlepphebel (2b), der auf den Nocken mit der kürzesten Phasenlänge (2) arbeitet, ein Mindestventilerhebungsprofil (Fig.4), und damit den vollen Hub, durch eine Zwangssteuerung sicherstellt.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Nockens mit der längsten Phasenlänge (1) über einen Stößel (la), der durch ein hydraulisches Polster (3a) auf dem unter Anspruch

2. aufgeführten Stößel (2a) abgestützt ist, oder über einen Schlepphebel (Ib),der auf ein hydr. Polster (3b) abgestützt ist, erfolgt.

4. Ventilsteuerung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 3. angeführte hydraulische Abstützung (3a/3b) mittels eines evtl. verstellbaren Rückschlagventils (6) an die Schmierölversorgung 0 des Motors, oder eine eigene Ölversorgung, angeschlossen ist.

5. Ventilsteuerung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Polster (3a) während der Andrückphase durch den in Anspruch

3. aufgeführten Nocken (1) mittels eines Drosselelementes (7) auf eine definierte Stärke zurückgedrängt wird.

6. Ventilsteuerung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Polster (3b) in der Andrückphase durch den Nocken (1), durch Veränderung der Höhenlage der Ölversorgungsöffnung dieses Polsters, dessen Stärke (Dicke) bestimmt, und somit den Übernahmegrad der Steuerung.

7. Ventilsteuerung nach Anspruch 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung zur Ölversorgung (8) bzw. zur Drossel (7) des hydraul.

Polsters (3a), die als Nut oder Bohrung (5a) so anzubringen ist, daß diese Verbindung nach einem bestimmten Ventilhub durch Verdecken der Ölversorgungsnut (5a) in der Stößelführung (15) mit dem Stößel (la) unterbrochen und verschlossen wird, so daß keine weitere Änderung der is Polsterstärke (3a) möglich ist.

8. Ventilsteuerung nach Anspruch 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stößel (la/2a) relativ zur Ventilachse konzentrisch angeordnet sind (Fig.l).

9. Ventilsteuerung nach Anspruch 1. bis 7., dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stößel oder Schlepphebel relativ zur Ventilachse symmetrisch, exzentrisch angeordnet sind (Fig.2/3).

5 10.Ventilsteuerung nach Anspruch 8. und 9., dadurch gekennzeichnet, daß die Stößel (la/2a) mit kreisrundem, rechteckigem, ovalem, oder aus diesen Formen zusammengesetzte Führungsflächenquerschnitte ausgeführt sind (z.B.: Fig.2).

so 11.Ventilsteuerung nach Anspruch 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Drosselelement (7) nach Anspruch 5., das als Blendendrossel (wie im Stoßdämpfer der Radaufhängungen eines PKWs) relativ viskositätsunabhängig arbeitet, oder eine gewöhnliche Drossel ist.

12.Ventilsteuerung nach Anspruch 1. bis 11., dadurch gekennzeichnet, daß eine unterdruck-, und oder fliekraft-,und oder temperatur-, und oder lastgeregelte oder -gesteuerte Drosselwirkung nach Anspruch 11., bzw. Änderung der Höhenlage der Ölanschlussöffnung (5b) vorliegt, und oder eine Ölversorgungsdruckänderung vornimmt (14).

13.Ventilsteuerung nach Anspruch l.bis 12., dadurch gekennzeichnet, daß ίο die Stößel (la/2a.l) oder die Schlepphebel (lb/2b) durch ein eigenes, mit einer rückschlagventilgeschützten Druckvorlage (federbelastet oder pneumatisch) versehenes hydr. Polster (3a/3b/4a/4b) ständig mit den Nocken (1/2) in Kontakt gehalten werden, und in der Aufsetzsbewegung hydr. gedämpft werden, so daß die beim Wechsel von einem Nocken zum is Anderen unvermeidlichen Geschwindigkeitssprünge der Ventilbewegung (Fig.4) abgedämpft werden.

14.Ventilsteuerung nach Anspruch 1. bis 13., dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzufuhr über das Rückschlagventil (6) und die Drossel (7) jeweils eine eigene Verbindung zur Stößelölversorgungsnut (5a) oder Schlepphebelpolsterölversorgungsnut (5b) bzw. den Polstern (3a/3b/4b) aufweisen .

15.Ventilsteuerung nach Anspruch 1. und 13., dadurch gekennzeichnet, daß 5 die Schlepphebelgegenlager als hydr. Hohlstößel (lb.l/2b.l) ausgebildet sind, mit einer pneumat. Druckbevorratung und einem Rückschlagventil (6b.l/6b.2) im Hohlschaft versehen, so daß der Schlepphebel ständig der Nockenkontur (1/2) folgt (Fig.3).

16.Ventilsteuerung nach Anspruch 1. bis 15., dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung oder Regelung (14) nach Anspruch 12. analog (mechanisch, fluid, oder elektrisch) oder digital erfolgt, wobei letztere auch kennfeidgesteuert (wie z.B. Zündkennfeld gesteuerte Zündzeitpunkte ) sein kann.