DE4244550A1 - Vorrichtung zur Verdrehung von Nockenwellen von Brennkraftmaschinen - Google Patents
Vorrichtung zur Verdrehung von Nockenwellen von BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Ansteuerung der Ventile
von Brennkraftmaschinen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Ventilsteuerung ist aus der Offenlegungsschrift DE-OS 35 31 000 bekannt.
Bei diesem bekannten Ventiltrieb wird die erforderliche Variabilität einer Ventilsteuerung,
vornehmlich zur Vermeidung von Drosselverlusten, dadurch verwirklicht, daß der
Öffnungs- und Schließtvorgang von 2 verschiedenen, mit regelbarem Phasenwinkel zur Kur
belwelle laufenden Steuernocken ausgeführt wird. Dabei wird ein beliebig ausgebildeter
Steuerhebel von den beiden Nockenwellen derart betätigt, daß das in Schließtrichtung feder
belastete Ventil nur dann geöffnet ist, wenn beide Steuernocken ausgefahren sind. Durch
entsprechende Phasenlage der Nockenwellen können so variable Ventilsteuerzeiten einge
stellt werden. Eine ähnliche Ventilsteuerung für Einlaßventile von Hubkolben-
Brennkraftmaschinen wird in der DE-OS 35 19 319 beschrieben. Hierbei greift zusätzlich zu
einer rotierenden Hubnockenwelle eine mit gleicher Drehzahl umlaufende Steuernockenwel
le auf eine verschiebliche Lagerstelle des schwenkbaren Ventilhebels. Damit sind prinzipiell
variable Ventilsteuerungen realisierbar, bei der der Ventilhubverlauf so veränderbar ist, daß
die durch Drosselung bedingten Ladungswechselverluste bei Ottomotoren vermieden wer
den.
Zur Realisierung einer drosselfreien Laststeuerung im gesamten Betriebsbereich heutiger
Fahrzeug-Ottomotoren sind jedoch relative Verdrehwinkel zwischen den beiden Nocken
wellen in einer Größenordnung von 150 bis 220 °KW erforderlich, will man außerdem das
Potential
optimaler Ventilsteuerzeiten für maximale Füllung bei Vollast im gesamten Drehzahlbereich
nutzen. Dieser Verstellvorgang muß zudem aus den Anforderungen des dynamischen Fahr
zeugbetriebs heraus innerhalb kürzester Zeiträume im zehntel Sekunden Bereich erfolgen.
Ein Verstellmechanismus, der diesen Anforderungen gerecht wird, wird in den oben genann
ten Schriften nicht beschrieben. Die in der DE-OS 3 53 100 beschriebene Lösung, über vom
Gaspedal gesteuerte, axial auf entsprechenden Steilgewinden verschiebbare Antriebsrädern
der Nockenwellen die Verstellung zu realisieren, ist weder für den angestrebten Verstellwin
kel noch in der erforderlich kürzen Zeit praktikabel. Auch die aus anderen Patent- und Of
fenlegungsschriften bekannten (z. B. DE-OS 29 09 803) und heute schon zum Teil in Se
rienproduktion befindlichen Nockenwellen-Phasenversteller nach dem Prinzip der axialen
Verschiebung eines Kolbens auf einer schraubenförmigen Nut können die Anforderungen an
große Verdrehwinkel bei kleinen Stellzeiten nicht erfüllen. Darüber hinaus steht der für die
ses Prinzip erforderliche Bauraum, insbesondere in Richtung der Motorlängsachse bei den
heutigen engen Platzverhältnissen im Motorraum moderner PKW kaum noch zur Verfü
gung.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Verstellmechanismus
für einen Ventiltrieb der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß der für eine drossel
freie Laststeuerung und für maximale Füllung im gesamten Drehzahlbereich erforderliche
Verdrehwinkel eines Doppelnockenwellen-Ventiltriebs ebenso realisierbar ist, wie die Ver
stellung innerhalb der geforderten kurzen Zeiten. Auch soll eine schmale, platzsparende
Bauweise des Verstellers ebenso erreicht werden, wie möglichst geringe Relativbewegun
gen der beweglichen Teile zueinander.
Diese Aufgabe ist durch die Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeich
nenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die beiden für die Steuerung des oder der
Ventile einer Brennkraftmaschine - insbesondere des oder der Einlaßventile - zuständigen
Nockenwellen stehen erfindungsgemäß über ein 4-rädriges Koppelgetriebe miteinander im
Eingriff. Bei einer rotatorischen Verstellung der Koppel um die Achse der antreibenden
Nockenwelle stellt sich prinzipbedingt ein großer Verdrehwinkel der angetriebenen gegen
über der antreibenden Welle dadurch ein, daß der Verdrehwinkel des Koppelgetriebes über
lagert wird von dem Abrollen der Zahnräder aufeinander. Zur Unterbringung dieses Ver
stellmechanismus braucht der Zylinderkopf nur etwa um die erforderliche Zahnradbreite
verlängert werden, ohne daß zusätzlicher axialer Bauraum für den Verstellweg selbst benö
tigt wird. Der Verstellweg quer zur Motorlängsachse ist durch die Überlagerung von Ver
stellweg der Koppel und Abrollen der Zahnräder aufeinander sehr klein. Darüber hinaus
kann infolge der kleinen Verstellwege des Koppelgetriebes die Verstellung problemlos mit
entsprechenden Aktuatoren innerhalb der kurzen geforderten Zeiträume realisiert werden.
Durch eine geeignete Wahl der Übersetzungsverhältnisse zwischen den mit den beiden Nok
kenwellen verbundenen Zahnrädern und den Zwischenrädern nach dem Patentanspruch 2,
kann zusätzlich die Abhängigkeit des Verdrehwinkels der angetriebenen Nockenwelle von
dem Verstellweg des Koppelgetriebes beeinflußt werden. Eine Vergrößerung der wirksa
men Durchmesser der Zwischenräder gegenüber den auf den Nockenwellen fest verbunde
nen Zahnrädern vergrößert den Verdrehwinkel der zu verdrehenden Nockenwelle bei glei
chem Verstellweg des Koppelgetriebes, eine Verkleinerung der Durchmesser der Zwischen
räder verringert die Empfindlichkeit der Nockenwellenverdrehung und damit der Steuerzei
tenänderung auf die Verstellung des Koppelgetriebes.
Vorzugsweise wird nach Patentanspruch 3 der Verstellmechanismus so angeordnet, daß die
von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle die Öffnetfunktion des oder der Ventile be
stimmt, so daß über den beschriebenen Versteller eine relative Verdrehung der die Schließt
funktion bestimmenden Nockenwelle erfolgt. Auf diese Art und Weise ist bei einer einlaß
seitige Anwendung der Vorrichtung eine ungedrosselte Laststeuerung bei Ottomotoren
durch definiertes Schließen des oder der Einlaßventile zu einem Zeitpunkt, nach dem die ge
forderte Ladungsmenge vom Kolben angesaugt wurde möglich. Bei sehr niedrigen Lasten
bedeutet dies, daß das Einlaßventil vorzeitig, noch während der Abwärtsbewegung des Kol
bens in der Ansaugphase geschlossen wird. Auch eine Laststeuerung über spätes Schließen
des oder der Einlaßventile, bei der die vom Kolben bereits angesaugte überschüssige La
dungsmenge in der anschließenden Kompressionsphase wieder ausgeschoben wird ist bei
dieser Anordnung möglich.
Die auslaßseitige Anwendung der Vorrichtung mit einer Anordnung entsprechend Paten
tanspruch 3 ermöglicht über die Veränderung der Auslaß-Schließt-Zeit eine gezielte Steue
rung des Restgasanteils am Frischgemisch.
Daneben ist entsprechend Patentanspruch 4 mit Hilfe der genannten Vorrichtung auch eine
gezielte Steuerung des Öffnungszeitpunktes des oder der Ventile möglich, und zwar dann,
wenn die von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle die Schließtfunktion des oder der
Ventile bestimmt. Einlaßseitig kann so durch gezielte Steuerung der Einlaß-Öffnet-Zeit der
Restgasgehalt den jeweiligen Betriebsbedingungen optimal angepaßt werden, auslaßseitig
ist eine zusätzliche Nutzung von Expansionsarbeit betriebspunktabhängig möglich.
Durch eine Überdeckung der mit den Nockenwellen fest verbundenen Zahnräder nach
Patentanspruch 5 kann sowohl eine platzsparende, eng nebeneinanderliegende Anordnung
beider Nockenwellen realisiert, als auch mit Hilfe größerer Zahnraddurchmesser eine Ver
ringerung der an den Zahnflanken angreifenden Kräfte erreicht werden. Für eine derartige
überdeckende Bauweise des Verstellgetriebes ist es darüber hinaus vorteilhaft, gemäß den Pa
tentansprüchen 6 und 7 eines der beiden überdeckenden Zahnrädern zweiteilig auszuführen
und symmetrisch zum anderen Nockenwellenzahnrad anzuordnen, so daß sowohl dieses ein
teilige Nockenwellenzahnrad als auch das ihm zugeordnete Zwischenrad beim Verstellvor
gang in das zweiteilig ausgeführte Zahnrad der anderen Nockenwelle eintauchen können.
Hierdurch können unangenehme Momente senkrecht zu den Zahnradachsen bei überdecken
der Bauweise vermieden werden.
Infolge der Wechselmomente, resultierend aus den Anregungen des Ventiltriebs, kann es in
dem Zahnradgetriebe zu Anlagewechseln kommen, die letztlich zu erhöhten Geräuschanre
gungen (Zahnradrasseln) bis hin zu Schäden an den Zahnradpaarungen führen. Deshalb kann
es zweckmäßig sein, durch zusätzliche Maßnahmen entsprechend den Patentansprüchen 8
und 9 derartige Anlagewechsel zu vermeiden. Dies ist bei schrägverzahnten Zahnrädern da
durch möglich, daß zumindest eines der Zahnräder axial geteilt und gegenüber dem mit ihm
kämmenden Zahnrad durch Auseinanderdrücken der beiden Zahnradhälften verspannt wird
(Patentanspruch 8). Die Verspannung der beiden Zahnradhälften kann beispielsweise me
chanisch mittels Federn oder auch hydraulisch erfolgen. Eine Verspannung des Verstellge
triebes ist aber auch derart möglich, daß entsprechend Patentanspruch 9 die beiden gegen
sinnig drehenden Nockenwellen zusätzlich über eine Reibpaarung mit geringfügig unter
schiedlichen Durchmessern in Kontakt stehen. Diese Durchmesserdifferenz zwischen beiden
Reibrädern ist so zu wählen, daß das hieraus resultierende Moment überlagert mit den aus
dem Ventiltrieb übertragenden Wechselmomenten ein schwellendes Moment in eine Rich
tung erzeugt, so daß ein Anlagewechsel vermieden wird.
Die Ausgestaltung des Verstellsystems nach Patentanspruch 10 ermöglicht die gleichzeitige
Verstellung der Öffnet- und Schließtzeiten der Ventile dadurch, daß entweder abhängig
oder unabhängig von der Verstellung der anzutreibenden zweiten Nockenwelle die von der
Kurbelwelle direkt oder indirekt angetriebene erste Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle
verdreht werden. Dieser Verstellmechanismus ist insbesondere zur Verstellung der Einlaß-
Öffnet-Zeiten zweckmäßig, um auf diese Weise neben der drosselfreien Laststeuerung über
die Einlaß-Schließt-Zeit mittels der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 zusätzlich den je
weils betriebsoptimalen Restgasanteil am Frischgemisch einstellen zu können.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Verstellmechanismus in schematischer Darstellung,
Fig. 2 die prinzipielle Darstellung eines Zweinockenwellen-Ventiltriebs zur variablen Steue
rung von Tellerhubventilen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Verstellmechanismus mit überdeckenden Zahnrä
dern,
Fig. 4 eine Möglichkeit zur Verspannung des Verstellgetriebes und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Phasenschiebers in Verbindung mit
dem erfindungsgemäßen Verstellmechanismus.
Der Verstellmechanismus 5 entsprechend Fig. 1 setzt sich prinzipiell zusammen aus vier
miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern 6, 7, 8, 9 und drei diese Zahnräder verbinden
de Koppeln 10, 11, 12. Das von der Nockenwelle 1 angetriebene Zahnrad 6 ist über eine er
ste Koppel 10 mit dem zweiten Zahnrad 8 verbunden und steht mit diesem in Eingriff. Das
zweite Zahnrad 8 ist wiederum über eine zweite Koppel 11 mit einem weiteren Zahnrad 9
verbunden und treibt dieses an. Über die Koppel 12 hängt Zahnrad 9 an dem an der Nok
kenwelle 2 befestigten Zahnrad 7, so daß hierüber letztendlich die Nockenwelle 2 gegensin
nig zur Nockenwelle 1 angetrieben wird. Dabei ist es zur Realisierung gleicher Drehzahlen
beider Nockenwellen erforderlich, daß zumindest die beiden mit den Nockenwellen fest ver
bundenen Zahnräder 6 und 7 denselben wirksamen Durchmesser haben. Bei einer Verdre
hung der Koppel 10 um die Längsachse der Nockenwelle 1 wird so Zahnrad 7 und die damit
fest verbundene Nockenwelle 2 um die überlagerte Bewegung von Koppelverdrehwinkel
und Abrollen der Zahnräder aufeinander gegen über Nockenwelle 1 verdreht. Dabei ist es
unwesentlich, an welcher Stelle des Koppelgetriebes der Verstellvorgang eingeleitet wird.
Neben dem Verstellwinkel des Koppelgetriebes ist auch das Übersetzungsverhältnis zwi
schen den mit den Nockenwellen 1 und 2 verbundenen Zahnrädern 6 und 7 und den Zwi
schenrädern 8 und 9 für die Größe des resultierenden Verdrehwinkels entscheidend, und
zwar ist die realtive Verdrehung der Nockenwelle 2 gegenüber der Nockenwelle 1 umso
größer, je größer die wirksamen Durchmesser der Zwischenräder 8 und 9 gegenüber den
Durchmessern der Zahnräder 6 und 7 ist. Fig. 2 zeigt schematisch einen Zweinockenwellen-
Ventiltrieb, an dem mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verstellmechanismus variable Steuer
zeiten bei Tellerhubventilen verwirklicht werden können. Dargestellt sind die beiden mit
den Zahnrädern 6 und 7 fest verbundenen Nockenwellen 1 und 2, die beide auf einen Ver
stellhebel 3 wirken, der seinerseits ein oder mehrere in Schließtrichtung federunterstützte
Ventile betätigt. Bei einer überdeckenden Ausführung der mit der Nockenwelle fest verbun
denen Zahnräder 13 und 14 gemäß Fig. 3 sind die Vorteile einer platzsparenden, eng neben
einander liegenden Anordnung der Nockenwellen verbunden mit einer Verringerung der an
den Zahnflanken angreifende Kräften durch Vergrößerung der den Nockenwellen zugeord
neten Zahnräder 13 und 14. In Fig. 4 ist eine Möglichkeit zur Verspannung des Verstellge
triebes dargestellt. Zusätzlich zu dem Antrieb der zweiten Nockenwelle über das 4-rädrige
Koppelgetriebe stehen die beiden Wellen 17 und 18 über zwei fest mit ihnen verbundenen
Reibrädern 19 und 20 in Kontakt. Dabei sind die beiden Reibräder (19, 20) mit geringfügig
unterschiedlichen Durchmessern ausgeführt, so daß sich ein bremmsendes oder vordrehendes
Moment zwischen antreibender und angetriebener Welle ergibt, was letzlich zu einer Ver
spannung des Verstellgetriebes führt und Anlagewechsel an den Zahnflanken verhindert.
Fig. 5 zeigt schematisch den Verstellmechanismus entsprechend Anspruch 1 in Kombination
mit einem zusätzlichen Phasenversteller. Die Koppel 10 ist Teil des Koppelgetriebes, das
durch den Aktuator rotatorisch gegenüber dem Gestell 27 mittels eines Aktivators verstellt
werden kann. Dabei wird die Axialnockenscheibe 21 durch die Stifte 28 rotatorisch mitge
dreht. Die Axialnockenscheibe 21 tastet dabei die gestellfesten Axialscheibengegenstücke
29 ab, wodurch sich eine axiale Bewegung der Axialnockenscheibe 21 ergibt. Diese Bewe
gung wird über den Kontaktpunkt 30 auf die innen und außen gegensinnig schrägverzahnte
Vielkeilhülse 22 übertragen. Die Feder 31 sichert dabei den Kraftschluß in Punkt 30 und
übernimmt die Rückstellung der Vielkeilhülse 22. Durch das Zusammenwirken der Schräg
verzahnungen zwischen Vielkeilhülse 22 und Antriebselement 24 sowie der Nockenwelle 23
wird eine Relativherstellung zwischen dem Antriebselement 24, das mit dem Antriebsrad 26
fest verbunden ist, und der Nockenwelle 23 erreicht. Die Axialnockenfunktion der Axial
nockenscheibe 21 bzw. des Gestells 27 kann dabei sowohl vordrehende als auch rückdre
hende Relativverstellungen je nach Bedarf insbesondere in bezug auf den Einlaß-Öffnet-
Zeitpunkt in Zusammenhang mit dem Einlaß-Schließt-Zeitpunkt realisieren.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen, insbesondere
zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren über die Einlaßhubfunktionen eines oder
mehrerer Einlaßventile pro Zylinder, bestehend aus zwei gegensinnig drehenden Nocken
wellen (1, 2), welche über einen Schwinghebel (3) auf das oder die in Schließrichtung feder
belasteten Ventile (4) wirken, wobei eine Welle die Öffnetfunktion und die zweite Welle die
Schließtfunktion bestimmt, so daß durch eine relative Verdrehung der Nockenwellen (1, 2)
gegeneinander der Hub und die Öffnungsdauer des oder der Ventile in weiten Bereichen
verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verdrehung der beiden
Nockenwellen gegeneinander mittels eines 4-rädrigen Koppelgetriebes (5) erfolgt, dessen
Antriebsrad (6) mit der von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle (1) und dessen Ab
triebsrad (7) mit der anzutreibenden und relativ zur Nockenwelle (1) zu verdrehenden Nok
kenwelle (2) fest verbunden sind, wobei Antriebs- und Abtriebsrad über zwei Zwischenrä
der (8, 9) miteinander derart in Eingriff stehen, daß durch eine an den Koppeln (10, 11, 12)
angreifende, rotatorische Verstellung ein Abrollen der Zwischenräder (8, 9) auf den An- und
Abtriebsrädern (6, 7) erfolgt und somit eine relative Verdrehung der beiden Nockenwellen
gegeneinander erreicht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der relativen Verdrehwin
kel zwischen Nockenwelle 1 und Nockenwelle 2 von dem Verstellwinkel des Koppelgetrie
bes und dem Übersetzungsverhältnis zwischen An- bzw. Abtriebsrädern (6, 7) und den
Zwischenrädern (8, 9) bestimmt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kurbelwelle
angetriebene Nockenwelle (1) die Öffnetfunktion des oder der Ventile bestimmt, so daß
durch die relative Verdrehung der Nockenwelle (2) die Schließtfunktion verändert wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kurbelwelle
angetriebene Nockenwelle (1) die Schließtfunktion des oder der Ventile bestimmt, so daß
durch die relative Verdrehung der Nockenwelle (2) die Öffnetfunktion verändert wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit den Nok
kenwellen fest verbundenen Zahnräder (13, 14) einander überdecken und über die Zwi
schenräder (15, 16) einander antreiben.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden mit den
Nockenwellen fest verbundenen Zahnrädern zweiteilig ausgeführt ist und symmetrisch zum
anderen Rad angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das dem zweiteilig ausge
führten Zahnrad diagonal gegenüberliegende Zwischenrad und das fest mit einer der Nok
kenwellen verbundene einteilige Zahnrad beim Verstellvorgang in das zweiteilig ausgeführte
Zahnrad auf der anderen Nockenwelle eintauchen können.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder des Koppel
getriebes schrägverzahnt und und zur Vermeidung von Anlagewechseln axial geteilt und ge
geneinander verspannt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Koppel
getriebe beide Nockenwellen über eine Reibpaarung (19, 20) derart miteinander verbunden
sind, daß aufgrund einer geringfügigen Durchmesserdifferenz zwischen Reibrad (19) der ei
nen Welle (17) und dem Reibrad (20) der zweiten Welle (18) ein resultierendes Moment in
eine Richtung erzeugt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Kop
peln 10 oder 12 eine Axialnockenscheibe (21) rotatorisch betätigt, wodurch eine axiale Ver
stellung einer innen und außen gegensinnig verzahnten Vielkeilhülse (22) stattfindet, so daß
eine Relativverdrehung der Nockenwelle (23) gegenüber dem Antriebselement (24), beste
hend aus dem die zweite Nockenwelle über das Zwischengetriebe antreibenden Zahnrad
(25) und einem von der Kurbelwelle oder über eine Zwischenwelle angetriebenen Ketten-,
Zahn- oder Zahnriemenrad (26) erfolgt.
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