DE4138527A1

DE4138527A1 - Variable ventilsteuerung fuer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4138527A1
Application number: DE4138527A
Authority: DE
Inventors: Volker Deuschle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-23
Filing date: 1991-11-23
Publication date: 1993-05-27

Description

2.1 Stand der Technik

Es gibt bereits eine große Anzahl von zum Teil patentierten Ventilsteuerungen, bei denen sowohl Ventilhub als auch Ventilsteuerzeiten variiert werden. Diese Konstruktionen haben jedoch meist den Nachteil zu aufwendiger Bauweise, so daß sie aus Kostengründen uninteressant sind. Die meisten der vorhandenen Konstruktionen haben auch den Nachteil hoher Elastizität oder zu großer beweglicher Massen, so daß sie für einen schnellaufenden Großserienmotor ungeeignet sind. Bei einigen in letzter Zeit realisierten Ventilsteuerungen (z. B. DB, Porsche) wird die Einlaßnockenwelle im Winkel gegenüber der Kurbelwelle verstellt, so daß sich eine Phasenverschiebung der Ventilerhebungskurve ergibt. Hierbei wird mit Hilfe eines hydraulischen Stellglieds die Phasenlage der Einlaßnockenwelle in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment verstellt. Allerdings bleibt die Erhebungskurve der Nockenwelle unverändert.

Bei einem anderen Hersteller (Honda) wird zwischen zwei verschiedenen Nockenprofilen umgeschaltet. Im unteren und mittleren Drehzahlbereich werden die Ventile von Nocken mit geringem Ventilhub und "zivilen" Steuerzeiten betätigt. Bei höheren Drehzahlen erfolgt die Umschaltung zu Nocken mit höherem Ventilhub und größerer Ventilüberschneidung.

2.2 Anforderungen an eine moderne Ventilsteuerung

Eine optimale Ventilsteuerung sollte sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen:

a.) Steuerung von Ventilöffnungsdauer, Ventilhub und Phasenlage
b) geringe bewegliche Massen
c) geringe Elastizität der Ventilsteuerung
d) Realisierung von automatischem Ventilspielausgleich sollte möglich sein.
e) relativ geringes Gewicht
f) geringer Raumbedarf
g) geringe Entwicklungs- und Produktionskosten

2.3 Vorteile der variablen Ventilsteuerung

a) verbessertes Abgasverhalten
b) geringerer spezifischer Benzinverbrauch
c) Drehmomenterhöhung
d) höhere spezifische Leistung, dadurch besseres Leistungsgewicht und verringerte Baugröße.

2.4 Beschreibung der konstruierten Ventilsteuerung 2.4.1 Bauteilebeschreibung entsprechend Fig. 1

a) Nockenwelle (1)
b) Hebel A (2)
Der Hebel A ist in Fig. 1 linksseitig im Zylinderkopf (8) drehbar gelagert. Rechtsseitig überträgt Hebel A den Nockenhub auf die Kurbelwelle (3), die im Hebel A geführt wird.
c) Kurbelwelle (3)
Die Kurbelwelle hat seitlich das in der Zeichnung zum Teil verdeckt gezeichnete Profil. Hierbei haben die im Hebel A (2) geführte ca. 15 mm breite Halbkreisfläche und die die Hubbewegung auf den Tassenstößel über tragende Fläche gleicher Breite unterschiedliche Radien und Kreismittelpunkte (7, 8). Außerdem ist seitlich ein ca. 5 mm breiter Kurbelzapfen mit versetztem Kreismittelpunkt (9) zur Aufnahme des Hebels B (4) angebracht.
d) Hebel B (4)
Der Hebel B in Fig. 1 hat rechtsseitig eine Bohrung durch die er beweglich mit der Kurbelwelle (3) über den Kurbelzapfen verbunden ist. Linksseitig hat der Hebel B einen Zapfen mit dem er mit einem weiteren in der Zeichnung nicht eingezeichneten Verstellhebel beweglich verbunden ist.
e) Tassenstößel (5)
Der Tassenstößel ist nur als offenes Rechteck angedeutet, da seine Funktion für die Erfindung uninteressant ist.
f) Verstellhebel (nicht eingezeichnet)
Dieser Hebel ist notwendig um die kreisförmige Bewegung (11) des linksseitigen Lagerpunktes (10) von Hebel B (4) zu gewährleisten. Den Verstellhebel hat man sich in der Zeichnung vor Hebel B (4) vorzustellen, so daß er diesen verdecken würde. Er hat zwei Lagerpunkte mit dem gleichen Abstand der Lagerpunkte von Hebel B. Linksseitig ist eine Bohrung angebracht, mit der er mit Hebel B über dessen Zapfen beweglich verbunden ist. Rechtsseitig ist er im Zylinderkopf in Flucht zum Mittelpunkt des Kurbelzapfens (9) (bei geschlossenem Ventil) beweglich gelagert.

2.4.2 Funktionsbeschreibung

Die Funktion der Steuerung läßt sich am besten anhand Fig. 1 erklären. In der Praxis müßte die Konstruktion wegen zu großer Reibungsverluste abgeändert werden (siehe 2.4.3). Prinzip und geometrische Berechnung blieben dadurch unverändert. Wird bedingt durch die Nockenwellendrehung Hebel A (2) nach unten gedreht, wird dadurch auch die Kurbelwelle (3) und der Tassenstößel (5) nach unten bewegt. Die Kurbelwelle (3) ist über den Zapfen mit Hebel B (4) beweglich verbunden. Dadurch wird beim Öffnen des Ventils die Kurbelwelle (3) im Uhrzeigersinn gedreht, so daß der Ventilhub gegenüber dem Nockenwellenhub kleiner wird. Die Kurbelwelle (3) dreht sich nur bis zu einem bestimmten Winkel. Beim Schließen des Ventils dreht sich die Kurbelwelle (3) entsprechend zurück. Sowohl die Ventilüberschneidung (Beginn und Ende der Ventilerhebungskurve) als auch der Maximalhub des Ventils lassen sich durch unterschiedliches Einstellen des linksseitigen Lagerpunktes (10) von Hebel B (4) verändern. Diese linksseitige Lagerung von Hebel B (4) wird kreisbogenförmig verstellt (11). Mittelpunkt dieses Kreisbogens ist der rechtsseitige Lagerpunkt (9) von Hebel B (4) bei geschlossenem Ventil. Dadurch ist gewährleistet, daß die Kurbelwelle (3) bei beliebiger Hebelstellung bei geschlossenem Ventil immer die gleiche Stellung hat. Die Einstellung geschieht am besten über einen Verstellhebel, welcher in Fig. 1 aus Obersichtlichkeitsgründen nicht zu sehen ist. Dieser Zusatzhebel könnte etwa die gleiche Form von Hebel B (4) haben. Er müßte linksseitig eine Bohrung zur Aufnahme des linksseitigen Zapfens von Hebel B (4) haben. Rechtsseitig muß der Verstellhebel im Zylinderkopfgehäuse in Flucht zum Mittelpunkt (9) des Zapfens der Kurbelwelle (3) bei geschlossenem Ventil gelagert sein. Seine Verstellung sollte hydraulisch erfolgen. Da dieser Ventilhebel nicht zu den beweglichen Massen zählt, ist seine Form und Masse weniger wichtig.

Die Erfindung gewährleistet eine Veränderung des Öffnungsdauer bei gleichzeitiger Veränderung des Maximalhubes des Ventils. Hierbei wird als Basis eine Nockenwelle mit großem Steuerwinkel (Öffnungsdauer) und großem Maximalhub gewählt. Je weiter der Lagerpunkt (10) von Hebel B (4) nach unten gestellt wird, desto kleiner wird der überschneidungsbereich und der Maximalhub des Ventils.

Sie sehen in Fig. 2 den Vergleich zwischen zwei verschiedenen Stellungen des Verstellhebels (linksseitiger Lagerpunkt (10) von Hebel B (4)). Die obere Kennlinie (12) stellt die Erhebungskurve der Nockenwelle dar. Darunter sind die Kennlinien des Ventilhubs bei zwei verschiedenen Einstellungen. Hierbei ist die Ventilerhebungskurve des kleineren Ventilhubs (14) im unteren Bereich etwa 40% niedriger wie die Ventilerhebungskurve mit größerem Maximalhub (13). Im Bereich des Maximalhubs beträgt die Differenz jedoch nur ca. 20%. Eine andere Kennlinienschar mit anderen Parameter werten stellt Fig. 3 dar. Natürlich sollen diese Kennlinien nur die Funktion beweisen. Der Ventilhub kann z. B. problemlos viel weiter abgesenkt werden. Weitere Optimierungsversuche habe ich aus Zeitgründen unterlassen, da ich keinen entsprechenden Computer zur Verfügung habe, sondern die Kennlinienwerte einzeln mit einem programmierbaren Taschenrechner durchgerechnet habe. Die Kennlinien von Fig. 2 wurden mit den Bauteildimensionen von Fig. 1 aufgenommen. Hierbei wird der Winkel von Hebel B (4) um ca. 35° variiert (Betrachtung bei geschlossenem Ventil). Damit soll bewiesen werden, daß das Prinzip bei praxisgerechten Größenordnungen funktioniert.

2.4.3 Mögliche Varianten

a) Bei der in Fig. 1 dargestellten Ventilsteuerung wäre es mechanisch vorteilhaft, die Nockenwelle (1) und die dazugehörige Hebelgleitfläche leicht nach links zu verlegen, so daß eine echte Schwinghebelkonstruktion entsteht.
b) Statt des Hebels A (2) könnte man genauso einen Kipphebel verwenden (links Nockenwelle - Mitte Kipphebellagerung - rechts Ventilseite). Hierbei bliebe die ventilseitige Anordnung mit Kurbelwelle (3), Hebel B (4) etc. unverändert.
c) Um die Reibungsverluste zu vermindern, wäre es sinnvoll die Kurbelwelle durch eine neue Welle entsprechend Fig. 4 zu ersetzen. Hierbei sollte der mittlere Zylinderteil (19), welcher die Nockenerhebung untersetzt auf den Tassenstößel überträgt, als Rolle gebaut sein. Zur Aufnahme dieser neuen Welle sollte der Kipphebel oder Schwinghebel auf der Ventilseite gabelförmig aufgebaut sein. Die neue Welle besteht aus vier, teilweise gegeneinander versetzten Zylindern: Kipphebelaufnahme (18), exzentrisch zur Kipphebelaufnahme angeordneter als Rolle aufgebauter Körper (19), Kipphebelaufnahme (20) und exzentrisch zur Rolle und Kipphebelaufnahme angeordneter Zapfen (21) zur Aufnahme von Hebel B (4). Die vier Zylinder sind aus einem Stück gefertigt. Die Geometrie (Zylindermittelpunkte, Radien etc.) als auch die damit gewonnenen Erhebungskurven entsprechen der in Fig. 1 dargestellten Steuerung.

Claims

1.1 Variable Ventilsteuerung für eine Brennkraftmaschine bei der mittels einer Hebelkonstruktion (siehe Fig. 1) eine Differenz zwischen Nockenwellenhub und Ventilhub erzeugt wird, wobei sich die Untersetzung von Ventilhub zu Nockenwellenhub während der Nockenerhebung bzw. der Hubbewegung des Ventils ändert. Entsprechend der Einstellung dieser Hebelkonstruktion können verschiedene Ventilerhebungskurven erzeugt werden. Je nach Einstellung ergibt sich im unteren Nockenerhebungsbereich eine so starke Untersetzung, daß dies einer Änderung der Ventilöffnungsdauer gleichkommt. Entsprechend der jeweiligen Einstellungen ändert sich auch der Maximalhub, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Schwinghebel (2) (an der Ventilseite betrachtet) und Tassenstößel (5) eine Welle (3) befindet, bei der der geometrische Mittelpunkt (8) der Gleitfläche, über die die Hubbewegung auf den Tassenstößel (5) übertragen wird, nicht mit der Drehachse (7) im Schwinghebel (2) übereinstimmt. Der Mittelpunkt (8) und Radius dieser Gleitfläche ist so bemessen, daß bei Drehung der Welle (3) die gewünschte Untersetzung entsteht. Wiederum exzentrisch ist an der Welle (3) ein Zapfen zur beweglichen Aufnahme eines Zweipunkthebels (4) angebracht. Die Drehung der Welle (3) während der Hubbewegung ist abhängig von der Stellung des anderen Hebelpunktes. Diese Hebellagerung (10) wird so verändert, das bei geschlossenem Ventil die Welle (3) immer die gleiche Stellung hat. Hierzu muß der Verstellpunkt (10) des Hebels (4) in einem definierten Kreisbogen (11) variiert werden. Der Mittelpunkt dieses Kreisbogens entspricht dem Mittelpunkt (9) des Wellenzapfens bei geschlossenem Ventil.

1.2 Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 1.1 dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel durch einen Kipphebel ersetzt wird.

1.3 Variable Ventilsteuerung nach Anspruch 1.1, 1.2 dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegung auf den Tassenstößel über eine Rolle mit gleichem Kreisradius und Kreismittelpunkt (8, 23) wie die bisherige Gleitfläche in Fig. 1 übertragen wird. Hierbei muß die Welle, auf der sich exzentrisch die Rolle befindet, sowie mit excentrischem Mittelpunkt (9, 24) ein Zapfen zur Aufnahme des Zweipunkthebels angebracht ist, in einem gabelförmigen Schwinghebel oder Kipphebel mit der gleichen Drehachse (7, 22) wie in Fig. 1 geführt sein (siehe Fig. 4).