DE3835333A1 - Konzept zur variablen ventilsteuerung auf basis von nockenwellenphasenverschiebung - Google Patents

Konzept zur variablen ventilsteuerung auf basis von nockenwellenphasenverschiebung

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DE3835333A1
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Description

1. Laststeuerung ohne Drosselklappe
Die Vorteile einer variablen Ventilsteuerung sind bekannt. Anspruchsvolle technische Lösungen, die beim Ottomotor auch eine Laststeuerung ohne Drosselklappe ermöglichen, sind äußerst kompliziert und erfordern vielfältige Veränderungen im Bereich des Zylinderkopfes. Als Beispiel seien Konzepte genannt, die an der Technischen Universität Wien und in der VW-Forschung entwickelt und erprobt wurden.
Wichart stellte eine mechanische variable Ventilsteuerung vor. Im Bild 1 ist die Konstruktion des Zylinderkopfes mit der dazugehörigen Steuermechanik dargestellt [1].
Geringer entwickelte eine variable Ventilsteuerung auf elektronisch hydraulischer Basis, Bild 2 [2].
Walzer untersuchte eine Drehschiebersteuerung. Die Schnittzeichnung des Zylinderkopfes zeigt das Bild 3 [3].
Die Funktionsweise der Entwicklungen wird hier nicht näher erklärt.
Im Bild 4 ist die Schnittzeichnung eines herkömmlichen Zylinderkopfes dargestellt.
Schon aus dem Vergleich der Zylinderköpfe ist erkennbar, daß der technische Aufwand insbesondere der Wiener Entwicklungen beträchtlich ist und zur Zeit in keinem Verhältnis zum wirtschaftlichen Nutzen dieser Einrichtungen steht, so daß diese Steuerungssysteme zunächst lediglich für Forschungs- und Versuchszwecke verwirklicht wurden.
2. Nockenwellenphasenverschiebung
Es ist bekannt, daß bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors durch eine Nockenwellenphasenverschiebung deutlich verbesserte Bedingungen für den Gaswechsel geschaffen werden, auch wenn dabei die Öffnungsdauer des Einlaß- und Auslaßvorganges nicht verändert wird. Daraus resultieren Vorteile vor allem hinsichtlich der Abgasemissionen, aber auch des Kraftstoffverbrauches, des Drehmomentverlaufes und der Leerlaufstabilität.
2.1. Fiat
Fiat untersuchte die Auswirkungen einer Nockenwellenphasenverschiebung an einem Zweiventil-Lancia-Motor. Die Einlaß- und Auslaßnockenwellen werden in deren Längsachse drehzahlabhängig verschoben. Dabei erfahren sie einen Phasenversatz, da das Nockenwellenzahnrad mit der Nockenwelle über eine Schrägverzahnung miteinander in Verbindung steht. Zusätzlich wird der Ventilhub durch konische Nocken verändert. Die aufwendige Konstruktion ist im Bild 5 gezeigt. Im Bild 6 sind die Auswirkungen der Nockenwellenphasenverschiebung auf den mittleren Arbeitsdruck und den spezifischen Kraftstoffverbrauch dargestellt [4].
2.2. Daimler Benz
Daimler Benz bediente sich für Versuchszwecke einer Konstruktion, die das Bild 7 zeigt. Über sehr breite, schrägverzahnte Zahnräder, die auf den Nockenwellen axial verschoben werden, wird eine Phasenverschiebung erzielt [5].
2.3. Alfa Romeo
Alfa Romeo setzt als einziger Automobilhersteller serienmäßig eine Lösung ein, die im Bild 8 gezeigt ist. Über eine auf der Nockenwelle axial verschiebbare Zwischenmuffe, die innen schräg und außen gerade verzahnt ist, wird die Einlaßnockenwelle drehzahlabhängig phasenverschoben. Obwohl die Phasenverschiebung nicht stufenlos erfolgt, werden Verbesserungen beim Gaswechsel erzielt. Aber auch hier ist die konstruktive Ausführung mit einem recht hohen technischen Aufwand verbunden, so daß auf die Phasenverschiebung der Auslaßnockenwelle verzichtet wurde [6].
3. Beeinflussung des Antriebsgliedes der Nockenwelle
In der Patentschriften- und Normenauslegestelle der Universität Dortmund wurden in einer mehrmonatigen Recherche Patente bzw. Patentanmeldungen zur stufenlosen Nockenwellenphasenverschiebung auf technischen Aufwand überprüft. Es wurde festgestellt, daß die Beeinflussung des Antriebsgliedes der Nockenwelle - Zahnriemen oder Kette - den einfachsten Lösungsweg darstellt. Die vorliegenden Vorschläge wurden auf Funktion überprüft und festgestellt, daß sie aus verschiedenen Gründen nicht funktionstüchtig sind. An einigen Beispielen wird dies näher erläutert.
3.1. Patentanmeldung DE 34 06 100.2
Im Bild 9 ist der Lösungsvorschlag gezeigt. Durch ein drehzahlabhängiges Auslenken des Nockenwellenantriebs soll ein Phasenversatz erreicht werden. Bild 10 zeigt ein Beispiel der Anmeldung. Links ist die ausgelenkte Lage A und rechts die Mittellage B dargestellt.
Die Riemenlänge beträgt in der Lage A
l A = l₁ + l₂ + l₃ + l₄ + l₅ + l₆
= 66,7 + 51,0 + 8,4 + 117,0 + 34,9 + 148,5
l A = 426,5 mm
und in der Mittellage B
l B = l₁ + l₂ + l₃ + l₄ + l₅ + l₆ + l₇ + l₈
l B = 67,4 + 51,0 + 4,6 + 105,0 + 33,8 + 105,0 + 4,6 + 51,0
l B = 422,4 mm
Es muß gelten
l A = l B aber l A ≠ l B
Die vorgeschlagene Lösung funktioniert nicht, weil sich der Antriebsriemen beim Verschieben der Steuerräder von der Lage A in die Lage B um 4,1 mm verkürzen und dann in entgegengesetzter Auslenkung wieder um denselben Betrag verlängern müßte. Wird der Antriebsriemen in der Mittellage B gespannt, dann lassen sich die Steuerräder überhaupt nicht bewegen, da sich der Antriebsriemen augenblicklich verlängern müßte [7].
3.2. Patentanmeldung DE 35 09 094.4
Bild 11 zeigt die Patentanmeldung DE 35 09 094.4. Mit Hilfe von Steuerrollen, die zwischen den Zahnrädern der Nockenwellen und der Kurbelwelle auf den Riemenrücken angreifen, sollen die Nockenwellen phasenverschoben werden. Im Bild 12 ist ein Beispiel dargestellt. Es wurden die Riemenlängenänderungen im Wirkbereich der Steuerrollen 1 und 2 berechnet. Anhand der Riemenlängenänderungskurven ist ersichtlich, daß sie im Wirkbereich der Steuerrollen 1 und 2
  • - sehr unterschiedlich verlaufen und
  • - nicht linear sind, Bild 13.
Ein Steuerungs- und Regelungssystem für die Steuerrollen dürfte sich in praktischer Ausführung als äußerst schwierig erweisen. Weiter muß berücksichtigt werden, daß beim Verschieben der Steuerrollen zunächst lediglich die Riemenspannung verändert wird. Dies widerspricht den Empfehlungen der Zahnriemenhersteller, die eine genau definierte Zahnriemenvorspannung vorschreiben. Und schließlich entspricht der Abstand der Nockenwellenzahnräder zueinander nicht den wirklichen Verhältnissen am Verbrennungsmotor [8].
3.3. Patentanmeldung JP 57-1 21 294
Bild 14 zeigt den Lösungsvorschlag, der durch die Patentanmeldung JP 58-1 40 510 um eine Steuerelektronik erweitert wurde, Bild 15. Die Einlaßnockenwelle 18 soll mittels Steuerrollen 25, die um die Einlaßnockenwelle radial verschoben werden, einen Phasenversatz erfahren. Bild 16 zeigt ein Beispiel, wobei lediglich der Wirkbereich der Steuerrollen dargestellt ist.
Die Riemenlänge beträgt in der ausgelenkten Lage A
l A = l₁ + l₂ + l₃ + l₄ + l₅ + l₆
= 110,0 + 64,5 + 41,0 + 16,8 + 71,0 + 17,0
l A = 320,3 mm
und in der Mittellage B
l B = l₁ + l₂ + l₃ + l₄ + l₅ + l₆ + l₇ + l₈ + l₉
= 12,2 + 45,1 + 10,1 + 41,0 + 65,4 + 41,0 + 8,6 + 68,0 + 8,9
l B = 300,3 mm
Es muß gelten
l A = l B aber l A ≠ l B
Auch dieser Lösungsvorschlag kann nicht funktionieren, weil sich der Antriebsriemen beim Verschieben der Steuerrollen um 20,0 mm verlängern und verkürzen müßte. Beim Einspannen des Antriebsriemens in der Mittellage B, können die Steuerrollen nicht verschoben werden. Außerdem funktioniert ein Viertaktmotor mit einem Übersetzungsverhältnis Kurbelwelle/ Nockenwelle 1 zu 1, wie die Bilder 14 und 15 zeigen grundsätzlich nicht [9] und [10].
3.4. Weitere Lösungsvorschläge
Es gibt noch weitere Lösungsvorschläge, auf die hier nicht näher eingegangen wird, Bilder 17 bis 25. Obwohl auf sie teilweise nationale und internationale Patente erteilt wurden, muß auch diesen die Funktion versagt bleiben.
Bild 17: Patentanmeldung US 82/01 468 10/1981 [11]
Bild 18: Patentanmeldung US 36 83 875 6/1970 [12]
Bild 19: Patentanmeldung GB 6 14 688 5/1929 [13]
Bild 20: Patentanmeldung DE 27 47 884.8 10/1977 [14]
Bild 21: Patentanmeldung DE 35 34 446.6 9/1985 [15]
Bild 22: Patentanmeldung DE 19 64 005 12/1969 [16]
Bild 23: Patentanmeldung DE 35 06 107.3 2/1985 [17]
Bild 24: Patentanmeldung I 6 39 467 10/1966 [18]
Bild 25: Patentanmeldung CS 67 93-69 10/1969 [19]
4. Prinzip der Nockenwellenphasensteuerung
In der Patentanmeldung P 37 05 966.1 ist das Prinzip der Nockenwellenphasensteuerung gezeigt, das im Bild 26 wiedergegeben ist. Von dem Kurbelwellenzahnrad 7 wird über einen Zahnriemen 3 das Nockenwellenzahnrad 1 angetrieben. Die Phasenlage der Nockenwelle 2 wird durch das lineare Verschieben der Steuerrollen 5 relativ zur Kurbelwelle 8 verändert. Die Steuerrollen 5 sind auf einer gemeinsamen Haltevorrichtung 6 befestigt. Die Leitrollen oder Leitzahnräder 4 gewährleisten einen parallelen Verlauf der von den Steuerrollen 5 ausgehenden Riemenstränge. Der parallele oder nahezu parallele Verlauf der Riemenstränge ist die Bedingung für die Funktionalität der Steuerung. Diese war bei keinem der vorangegangenen Lösungsvorschläge erfüllt. Unter Berücksichtigung bereits vorhandener Zahnräder der Kurbelwelle, der Nockenwellen und der Nebenaggregate, und je nach Motorbauart, reduziert sich die erforderliche Anzahl der Leitrollen erheblich, wie später noch gezeigt wird.
Für die Riemenlängenänderung Δ l im Wirkbereich der Steuerrollen gilt
Δ l Rolle links = Δ l Rolle rechts
Die Gesamtriemenlänge muß erhalten bleiben
Δ l R l - Δ l Rr = 0
wobei
Δ l = 2Δ s
und
Δ s = Verschiebebetrag der Steuerrollen
Für die Nockenwellenphasenverschiebung Δα bei einem Viertaktmotor gilt
n = Übersetzungsverhältnis Kurbelwelle/Nockenwelle 2 : 1
d = Durchmesser des Nockenwellenzahnrades
Der Durchmesser der Steuerrollen hat keinen Einfluß auf die Nockenwellenphasenverschiebung.
Bild 27 zeigt die Phasenverschiebung bei einem Nockenwellenzahnraddurchmesser von d = 114,65 mm. Beim Verschieben der Steuerrollen beispielsweise um Δ s = 30,0 mm, wird die Nockenwelle um Δα = 120° KW phasenverschoben.
Mit bisherigen Nockenwellensteuergeräten konnte ein maximaler Phasenversatz von etwa 50° KW erreicht werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, unter Beibehaltung der Prinziplösung der Patentanmeldung P 37 05 966.1 einen Weg aufzuzeigen, der
  • - auch bei unterschiedlicher Anzahl von Nockenwellen und bei verschiedenen Motorbauarten den Nockenwellenphasenversatz möglich macht;
  • - bei Verbrennungsmotoren in Vielventiltechnik auch eine Veränderung der Öffnungsdauer des Einlaß- und Auslaßvorganges erlaubt und
  • - bei einem Doppelnockenwellen-Zylinderkopf durch eine leicht modifizierte Anordnung der Nockenwellenzahnräder auch eine sehr enge Ventikwinkelanordnung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
  • 1. die Phasenlage der Nockenwelle(n) 2 durch das Verschieben der Steuerrollen 5 relativ zueinander und zur Kurbelwelle verändert wird, und zwar
    • - für Reihenmotoren nach den Ausführungsbeispielen in den Bildern 28 bis 33
    • - für Boxermotoren nach den Ausführungsbeispielen in den Bildern 34 bis 39
    • - für V-Motoren nach den Ausführungsbeispielen in den Bildern 40 bis 44
  • 2. in einem Zylinderkopf, der mindestens zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile pro Zylinder aufweist, die Einlaß- und Auslaßventilpaare diagonal, diametral oder senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet werden
  • 3. durch eine logische Verknüpfung der Vorschläge 1 und 2 die Öffnungsdauer des Einlaß- und Auslaßvorganges verändert wird
  • 4. die Nockenwellenzahnräder in der Längs- und Querachse des Zylinderkopfes versetzt angeordnet werden, Bilder 30, 33, 36, 39, 42, 43, 44.
4.1. Reihenmotor
Die Bilder 28 bis 33 zeigen eine Auswahl von möglichen Ausführungsbeispielen an einem Reihenmotor, die kurz beschrieben werden.
Bild 28:
Die Phasenlage wird einlaß- und auslaßseitig verändert. Da die Nockenwelle sowohl Einlaß- als auch Auslaßnocken trägt, kann die Überschneidung im OT nicht beeinflußt werden.
Bild 29:
Die Einlaß- und Auslaßventile werden von einer Einlaß- und einer Auslaßnockenwelle betätigt. Die Phasenlage der Auslaßnockenwelle ist konstant und die der Einlaßnockenwelle wird verändert. Die Überschneidung im OT wird einlaßseitig günstig beeinflußt. Da die Nockenwellenzahnräder in einer Ebene liegen, können die Einlaß- und Auslaßventile nur unter einem großen Winkel zueinander stehen.
Bild 30:
Die Funktion entspricht Bild 29. Die Nockenwellenzahnräder sind in der Längsachse des Zylinderkopfes versetzt. Dadurch können die Einlaß- und Auslaßventile unter einem kleinen Winkel angeordnet werden. Dies führt zu einer anderen Brennraumgeometrie, die bei hochverdichteten Motoren von Vorteil ist. Hinzu kann der Zylinderkopf eine kompaktere Bauform annehmen.
Bild 31:
Die Steuerrollen der Einlaß- und Auslaßseite sind auf einer gemeinsamen Haltevorrichtung befestigt und werden mittels eines einzigen Schrittmotors verschoben. Der Phasenversatz der Nockenwellen ist miteinander gekoppelt und erfolgt in entgegengesetzter Richtung. Die Überschneidung im OT wird einlaß- und auslaßseitig vorteilhaft beeinflußt.
Bild 32:
Die Nockenwellen werden mit Hilfe von zwei Schrittmotoren unabhängig voneinander phasenverschoben.
Bild 33:
Die Funktion entspricht Bild 32. Die Nockenwellenzahnräder sind versetzt angeordnet.
4.2. Boxermotor
Analog zu Reihenmotor sind in den Bildern 34 bis 39 Ausführungsbeispiele für Boxermotoren dargestellt. Dabei ist zu beachten, daß Nockenwellen gleicher Funktion für beide Zylinderreihen mit einem einzigen Schrittmotor phasenversetzt werden.
4.3. V-Motor
Die Bilder 40 bis 44 zeigen denkbare Ausführungsbeispiele für V-Motoren. Auch hier wird der Phasenversatz von Nockenwellen gleicher Funktion mit einem einzigen Schrittmotor erzielt.
5. Synchrones oder asynchrones Betätigen zweier Einlaß- und/ oder zweier Auslaßventile pro Zylinder
Die Ausführungsbeispiele zeigen, daß es mit einfachen technischen Mitteln möglich ist, die Phasenlage der Nockenwellen zu verändern. Der Einsatz von Vielventiltechnik im modernen Motorenbau bietet in Verbindung mit der Nockenwellenphasenverschiebung die Möglichkeit, die Öffnungsdauer des Einlaß- und Auslaßvorganges zu verändern. Das Steuerungskonzept basiert auf dem Gedanken von synchronem oder asynchronem Öffnen und Schließen zweier Einlaß- und/oder zweier Auslaßventile pro Zylinder.
5.1. Variables Schließen des Einlaßorgans
Bild 45 zeigt die herkömmliche Ventilanordnung in einem Zylinderkopf, der zwei Ein- und ein Auslaßventil pro Zylinder aufweist. Die Einlaßventile EV 1 und EV 2 liegen parallel zur Längsachse des Zylinderkopfes.
Im Bild 46 liegt das Einlaßventilpaar gemäß Steuerungskonzept diametral, diagonal oder senkrecht zur Längsachse. Mögliche Kanalanordnungen gibt das Bild 47 wieder. Die Einlaßventile EV 1 und die Auslaßventile AV werden von der Nockenwelle I und die Einlaßventile EV 2 von der Nockenwelle II betätigt. Die Grundsteuerzeiten stellen einen Kompromiß dar und werden einlaß- und auslaßseitig für gute Füllung der Zylinder bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt. Zur Anwendung kommt der Nockenwellenantrieb für Reihenmotoren nach Bild 29 oder 30, für Boxermotoren nach Bild 35 oder 36 und für V-Motoren nach Bild 41 oder 42.
Funktionsweise der Steuerung, Bild 46
Bei niedrigen Drehzahlen öffnen und schließen die Einlaßventile EV 1 und EV 2 synchron. Bei ansteigenden Drehzahlen soll das Einlaßorgan später geschlossen werden. Um das zu erreichen, werden die Steuerrollen in Richtung A verschoben, so daß die Nockenwelle II einen negativen Phasenversatz erfährt. Das bedeutet, daß die Einlaßventile EV 1 und EV 2 von nun an asynchron arbeiten. Die Einlaßventile EV 2 öffnen und - was wichtiger ist - schließen das Einlaßorgan später als die Einlaßventile EV 1. Bei niedrigeren Drehzahlen werden die Steuerrollen in Richtung B verschoben, bis schließlich die Einlaßventile EV 1 und EV 2 wieder synchron arbeiten.
5.2. Variables Schließen des Einlaß- und Auslaßorgans
Im Bild 48 ist die herkömmliche Anordnung der Ventile in einem Zylinderkopf mit zwei Einlaß- und Auslaßventilen je Zylinder wiedergegeben. Das Einlaßventilpaar EV 1, EV 2 und das Auslaßventilpaar AV 1, AV 2 liegen parallel zur Längsachse des Zylinderkopfes.
Bild 49 zeigt die Einlaß- und Auslaßventilpaare gemäß Steuerungskonzept senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet. Denkbare Kanalanordnungen sind im Bild 50 dargestellt. Die Einlaßventile EV 1 und die Auslaßventile AV 1 werden von der Nockenwelle I und die Einlaßventile EV 2 und die Auslaßventile AV 2 von der Nockenwelle II betätigt. Die Grundsteuerzeiten werden mit Schwerpunkt für möglichst optimale Zylinderfüllung bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt. Der Nockenwellenantrieb erfolgt für Reihenmotoren nach Bild 29 oder 30, für Boxermotoren nach Bild 35 oder 36 und für V-Motoren nach Bild 41 oder 42.
Funktionsweise der Steuerung, Bild 49
Bei niedrigen Drehzahlen öffnen und schließen die Einlaßventile EV 1 mit EV 2 und die Auslaßventile AV 1 mit AV 2 synchron, entsprechend der festgelegten Steuerzeiten. Bei ansteigenden Drehzahlen soll das Einlaß- und Auslaßorgan später geschlossen werden. Die Steuerrollen werden deshalb in Richtung A verschoben, wodurch die Nockenwelle II in Richtung später phasenverschoben wird. Demzufolge schließen die Einlaßventile EV 2 und die Auslaßventile AV 2 das Einlaß- und Auslaßorgan später als die Einlaßventile EV 1 und die Auslaßventile AV 1. Sollen die Einlaßventile EV 2 und die Auslaßventile AV 2 wieder früher schließen, dann werden die Steuerrollen in Richtung B verschoben, so daß die Nockenwelle II eine Phasenverschiebung in Richtung früher erfährt, bis sich wieder ein synchrones Betätigen der Einlaßventile EV 1 mit EV 2 und der Auslaßventile AV 1 mit AV 2 einstellt.
5.3. Variables Öffnen und Schließen des Einlaß- und Auslaßorgans
Die Ventil- und Kanalanordnung und die Festlegung der Steuerzeiten entspricht 5.2. Zusätzlich wird auch die Nockenwelle I phasenversetzt, und zwar mit den Nockenwellenantrieben für Reihenmotoren nach Bild 31 oder 32 oder 33, für Boxermotoren nach Bild 37 oder 38 oder 39 und für V-Motoren nach Bild 43 oder 44.
Funktionsweise der Steuerung, Bild 49
Bei niedrigen Drehzahlen werden die Einlaßventile EV 1 mit EV 2 und die Auslaßventile AV 1 mit AV 2 synchron angesteuert. Bei ansteigenden Drehzahlen soll das Einlaß- und Auslaßorgan früher geöffnet und später geschlossen werden. Die Steuerrollen beider Nockenwellen werden in Richtung A verschoben. Dabei erfährt die Nockenwelle I einen Phasenversatz in Richtung früher und die Nockenwelle II in Richtung später. Die Einlaßventile EV 1 mit EV 2 und die Auslaßventile AV 1 mit AV 2 werden folglich asynchron betätigt. Die Einlaß- und Auslaßventile EV 1 und AV 1 öffnen das Einlaß- und Auslaßorgan früher und die Einlaß- und Auslaßventile EV 2 und AV 2 schließen das Einlaß- und Auslaßorgan später. Soll das Einlaß- und Auslaßorgan wieder später geöffnet und früher geschlossen werden, dann werden die Steuerrollen beider Nockenwellen in Richtung B verschoben, so daß die Nockenwelle I einen Phasenversatz in Richtung später und die Nockenwelle II in Richtung früher erfährt, bis schließlich die Nockenwellen I und II wieder phasengleich arbeiten.
Die Steuerungsvorgänge von 5. sind in den Bildern 51 bis 53 an Beispielen verdeutlicht.
6. Möglichkeiten zur Optimierung
Das vorhandene Potential der variablen Ventilsteuerung kann durch gezielte Maßnahmen wie
  • - unterschiedliche Ventildurchmesser,
  • - Saugrohrgestaltung und
  • - Einzeldrosselklappen
noch weiter verbessert werden.
6.1. Ventildurchmesser
Damit auch bei hohen Drehzahlen ein ausreichender Einlaßquerschnitt nach UT zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, den Durchmesser des später schließenden Einlaßventils EV 2 größer zu wählen als des Einlaßventils EV 1. Weiter kann für die später schließende Einlaßseite auch ein zweites, zusätzliches Einlaßventil EV 2 vorgesehen werden, Bild 54.
6.2. Saugrohrgestaltung
Die Einlaßventile EV 1 und EV 2 können an gleich lange Saugrohre angeschlossen werden. Es ist aber sinnvoller, das Einlaßventil EV 1 an ein langes und das Einlaßventil EV 2 an ein kurzes Saugrohr anzuschließen. Dadurch wird die Saugrohrlänge des EV 1-Ventils für niedrige und die des EV 2-Ventils für hohe Drehzahlen angepaßt, Bild 55.
6.3. Einzeldrosselklappen
Für die Einlaßventile EV 2 können Einzeldrosselklappen vorgesehen werden, die die Saugrohre bei niedrigen Drehzahlen verschließen. Die Zylinder werden lediglich über die Einlaßventile EV 1 mit Frischgas versorgt. Aufgrund des verringerten Saugrohrquerschnitts wird die Gasgeschwindigkeit erhöht, was zu einem verbesserten Nachladeeffekt bei niedrigen Drehzahlen führt.
7. Vorteile des Konzepts
Auf die Vorteile des Konzepts soll in Kürze eingegangen werden. Es sind:
  • - im Vergleich zu bereits vorgeschlagenen oder verwirklichten Lösungen zur variablen Ventilsteuerung zeichnet sich das Konzept durch seine außerordentliche Einfachheit aus
  • - das Gesamtsystem Verbrennungsmotor erfährt keine nennenswerten konstruktiven Veränderungen
  • - die Seitenwandung des Verbrennungsmotors bietet sich geradezu ideal an, um an dieser Stelle das Steuerungssystem zu integrieren, ohne daß sich das Bauvolumen des Verbrennungsmotors vergrößert
  • - die wesentlichen Bauelemente wie Rollen, Zahnräder, hoch flexible Antriebsriemen, Schrittmotoren etc. werden bereits industriell hergestellt
  • - auf die Steuer- und Leitrollen sind keine hohen Qualitätsanforderungen gestellt
  • - für etwaige Reparaturen ist das Steuerungssystem leicht zugänglich und deshalb servicefreundlich
  • - Laststeuerungssysteme nach Wichart, Geringer und Walzer können vereinfacht bzw. noch weiter vervollkommnet werden.
8. Anwendungsbeispiel für Dieseleinspritzpumpen
Bei Dieselmotoren ist der Einspritzbeginn des Kraftstoffes in den Zylinderraum von dem jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors abhängig:
  • - früh bei höheren Drehzahlen und für Kaltstart
  • - spät zur Geräuschminderung bei kleiner Last
  • - früh bei Vollast zur vollständigen Verbrennung
Mit herkömmlichen Fliehkraft-Spritzverstellern wird der Einspritzbeginn sehr unzulänglich, lediglich durch die Regelgröße Drehzahl verändert, Bild 56.
Bild 57 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch geregelten Spritzbeginnversteller. Der Antrieb der Nockenwelle 2 des Verbrennungsmotors und der Pumpennockenwelle 4 erfolgt auf herkömmliche Weise mit einem Zahnriemen. Die Drehzahl und die Phasenlage der Pumpennockenwelle werden über Zahnkranzsensoren 6 erfaßt. Weiter werden die Regelgrößen Last und Temperatur an einen Mikroprozessor geleitet. Dieser errechnet aus den Regelgrößen Drehzahl, Last und Temperatur den optimalen Einspritzzeitpunkt. Über Signale an einen Schrittmotor werden die Steuerrollen 5 verschoben, bis die erforderliche Phasenlage der Pumpennockenwelle erreicht ist.
9. Anmerkung
A. Henselek, Ruhruniversität Bochum, führte im Rahmen seiner Studienarbeit unter Verwendung des Programmsystems PROMO Simulationsrechnungen durch. Er untersuchte die Auswirkungen von synchronem und asynchronem Öffnen und Schließen zweier Einlaß- und zweier Auslaßventile je Zylinder. Die Ergebnisse bestätigen den positiven Einfluß auf die Gaswechselvorgänge [20].
Ein konstruktiver Entwurf ist zur Zeit in Arbeit.
10. Literaturverzeichnis
[1] Wichart, Klaus: Grundsätzliche Möglichkeiten der Vermeidung von Drosselverlusten bei Ottomotoren durch variable Ventilsteuerung, Vortrag beim 7. Internationalen Wiener Motorensymposium 24. und 25. 4. 1986, Wien.
[2] Geringer, Bernhard: Berechnung und Entwicklung einer elektronisch-hydraulisch gesteuerten variablen Ventilsteuerung für Ottomotoren, Vortrag beim 7. Internationalen Wiener Motorensymposium 24. und 25. 4. 1986, Wien.
[3] Walzer, Peter; Adamis, Panagiotis; Heinrich, Hartmut und Schuhmacher, Volker: Variable Steuerzeiten und variable Verdichtung beim Ottomotor, Motortechnische Zeitschrift 47 (1986), Nr. 1, S. 15/20.
[4] Titolo, A.: The Fiat Variable Valve Timing. Internationaler Kongreß Aachen: "Der Fahrzeug-Ottomotor unter neuen europäischen Randbedingungen", 23.-25. Okt. 1985.
[5] N. N.: Variable Steuerungen. Auto, Motor und Sport, Heft 22, 25. Oktober 1986, S. 36/39.
[6] N. N.: Phasenwandler hilft Benzin sparen. Mot; Auto-Journal Nr. 25, 5. Dezember 1984, S. 120/121.
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[8] Schreiber, Klaus-Hagen: Einrichtung zum stufenlosen Verstellen der Steuerzeiten von Gaswechselventilen. Deutsches Patentamt DE-OS 35 09 094 (1985).
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[13] The Renold & Coventry Chain Co. Ltd.: Nachspannbarer Kettentrieb für den Nockenwellenantrieb von Brennkraftmaschinen. Reichspatentamt Patentschrift Nr. 6 14 688 (1935).
[14] Piech, Ferdinand: Verfahren zum Steuern des Betriebs einer Brennkraftmaschine sowie nach dem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine. Deutsches Patentamt DE-OS 27 47 884 (1979).
[15] Wagner, Wolf-Dietrich; Wiemann, Günter: Brennkraftmaschine mit zwei nebeneinander angeordneten Nockenwellen. Deutsches Patentamt DE-OS 35 34 446 (1987).
[16] Kölker, Wilfried: Stufenloses Regeln der Öffnungszeiten und Öffnungswinkel von Gaswechselventilen. Deutsches Patentamt DE-OS 19 64 005 (1971).
[17] Piech, Ferdinand: Verfahren zur verbesserten Abgasentgiftung einer ventilgesteuerten Brennkraftmaschine. Deutsches Patentamt DE-OS 35 06 107 (1986).
[18] Rafanelli, Renzo: Device For The Automatic Regulation Of The Timing Of The Inlet And Exhaus Valves Of A Four-Cycle Internal Combustion Engine. United States Patent Office US 34 41 009.
[19] Apctaur, Milan; Neniczka, Antonin; Vytroubal, Ladislav: Ventilsteuerung für Kolbenbrennkraftmaschinen mit veränderlicher Ventilsteuerzeit. Deutsches Patentamt DE-OS 20 49 737.
[20] Henselek, Artur: Untersuchung zur Wirksamkeit einer neuartigen variablen Ventilsteuerung. Studienarbeit an der Ruhruniversität Bochum (1988).
Inhaltsverzeichnis
1. Laststeuerung ohne Drosselklappe
2. Nockenwellenphasenverschiebung
3. Beeinflussung des Antriebsgliedes der Nockenwelle
  • 3.1. Patentanmeldung DE 34 06 100.2
  • 3.2. Patentanmeldung DE 35 09 094.4
  • 3.3. Patentanmeldung JP 57-1 21 294
  • 3.4. Weitere Lösungsvorschläge
4. Prinzip der Nockenwellenphasensteuerung
  • 4.1. Reihenmotor
  • 4.2. Boxermotor
  • 4.3. V-Motor
5. Synchrones oder asynchrones Betätigen zweier Einlaß- und/oder zweier Auslaßventile je Zylinder
  • 5.1. Variables Schließen des Einlaßorgans
  • 5.2. Variables Schließen des Einlaß- und Auslaßorgans
  • 5.3. Variables Öffnen und Schließen des Einlaß- und Auslaßorgans
6. Möglichkeiten zur Optimierung
  • 6.1. Ventildurchmesser
  • 6.2. Saugrohrgestaltung
  • 6.3. Einzeldrosselklappen
7. Vorteile des Konzepts
8. Anwendungsbeispiel für Dieseleinspritzpumpen
9. Anmerkung
10. Literaturverzeichnis
11. Bildteil

Claims (10)

1. Variable Ventilsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der Nockenwelle(n) (2) durch das Verschieben der Steuerrollen (5) verändert wird.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zylinderkopf, der mindestens zwei Einlaßventile EV 1 und EV 2 und zwei Auslaßventile AV 1 und AV 2 pro Zylinder aufweist, die Einlaß- und Auslaßventilpaare diagonal oder diametral oder senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet werden.
3. Steuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine logische Verknüpfung der Vorschläge 1 und 2 die Einlaßventile EV 1 mit EV 2 und die Auslaßventile AV 1 mit AV 2 phasengleich oder phasenunterschiedlich angesteuert werden.
4. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Steuerrollen (5) elektromechanisch oder hydraulisch erfolgt und computergesteuert ist.
5. Steuerung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Steuerrollen (5) von den Regelgrößen Drehzahl und/oder Last und/oder Temperatur des Verbrennungsmotors und/oder Temperatur eines Katalysators oder eines Konverters oder eines Rußfilters und/oder Leistung eines Turboladers oder eines mechanischen Laders und von anderen Regelgrößen bestimmt wird.
6. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Zylindern die Frischladung unter erhöhtem Druck zugeführt wird.
7. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verschieben der Steuerrollen (5) der Zündzeitpunkt oder Einspritzzeitpunkt einer Einspritzpumpe verändert wird.
8. Dadurch gekennzeichnet, daß in einem Doppelnockenwellen-Zylinderkopf die Nockenwellenzahnräder (1) in der Längs- und/oder Querachse des Zylinderkopfes versetzt angeordnet werden.
9. Dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zylinderkopf, der mindestens zwei Einlaßventile EV 1 und EV 2 und zwei Auslaßventile AV 1 und AV 2 pro Zylinder aufweist und die Einlaß- und Auslaßventilpaare diagonal oder diametral oder senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet sind, die Einlaßventile EV 1 mit EV 2 und die Auslaßventile AV 1 mit AV 2 mit bereits verwirklichten oder zukünftigen Einrichtungen phasengleich oder phasenunterschiedlich angesteuert werden.
10. Dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung nach Anspruch 1 auch bei anderen Einrichtungen Anwendung findet.
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