DE4244551C2 - Vorrichtung zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen, insbesondere zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Steuerung der Ventile von Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren, wobei die Gemischzumessung durch Steuerung von Hubhöhe und Öffnungsdauer der Einlaßventile re­ alisiert wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mechanische Vorrichtungen zur variablen Betätigung der Ventile unter Verwendung von zwei Wellen sind bereits mehrfach beschrieben worden. In der Offenlegungsschrift DE 35 31 000 A1 wird eine solche Vorrichtung zur variablen Ventilsteuerung für eine Hub­ kolbenbrennkraftmaschine beschrieben.

Hierbei wird der Öffnungs- und Schließvorgang von zwei verschiedenen, mit regelbarem Phasenwinkel zur Kurbelwelle laufenden Steuernocken ausgeführt. Ein entsprechend gelagerter Steuerhebel (z. B. eine Wippe) wird von einem mechanischen Antrieb so gewählt, daß das Ventil nur öffnet, wenn beide Steuernocken ausgefahren sind. Durch entsprechende Wahl der Phasenlage der Steuernocken können die Ventilhubfunktionen variabel eingestellt werden.

Die genannte Offenlegungsschrift beschreibt im wesentlichen die Funktion eines mechanischen Addierers mit drei Schaltpositionen, ohne auf die kennzeichnenden Merkmale der hier beschriebenen Vorrichtung, insbesondere die Wahl des Drehsinns der Wellen und die Bedeutung der kine­ matischen Abgriffsbedingungen und der Flankengestaltung, einzugehen.

Die der hier beschriebenen Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen prinzi­ piell bereits beschriebenen mechanischen Ventiltrieb der gattungsgemäßen Art zur variablen Einstellung von Hub und Öffnungsdauer von Ventilen unter Verwendung von zwei Nocken­ wellen so zu gestalten, daß die sich einstellenden Hubkurven des oder der Ventile zumindest angenähert das Bewegungsverhalten konventioneller Ventiltriebe, wie sie Stand der Technik sind, aufweisen, insbesondere bezüglich der auftretenden Ventilgeschwindigkeiten und -be­ schleunigungen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Lösung besteht in der Festle­ gung der wesentlichen Gestaltungsmerkmale in einer Weise, daß sich günstige Verhältnisse bezüglich der kinematischen Abgriffsbedingungen ergeben.

Die grundsätzliche Gestaltung der Vorrichtung ergibt sich aus Fig. 1. Die Vorrichtung be­ steht aus zwei mit gleicher Drehzahl umlaufenden Nockenwellen, deren Kurvenscheiben jeweils auf geeignet geformte Abgriffskörper 7 bzw. 8 wirken, welche mit einem Schwinghebel 3 verbunden sind. Der Schwinghebel 3 überträgt seine Bewegung am Punkt P3 auf ein in Schließrichtung federbelastetes Hubventil konventioneller Bauweise.

Kennzeichnendes Merkmal der hier beschriebenen Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ist, daß der Drehsinn der ventilnahen Nockenwelle 1 so gewählt wird, daß sich der momentane Berührpunkt P6 zwischen Nockenwelle 1 und Schwinghebel 3 während der Betäti­ gungsphase der Nockenwelle 1 auf den momentanen Berührpunkt P7 zwischen Nocken­ welle 2 und Schwinghebel 3 zubewegt, und daß die Nockenwellen sich mit gleicher Drehzahl gegensinnig drehen. Hierbei kann die Nockenwelle 1 entweder die Öffnet- oder die Schließtfunktion des Ventils bestimmen. Zwangsläufig ergibt sich dann für die Nocken­ welle 2, daß sich der Berührpunkt P7 mit dem Schwinghebel während der Betätigungs­ phase der Nockenwelle 2 auf den Berührpunkt P6 zwischen Nockenwelle 1 und Schwinghebel zubewegt. Der Vorteil dieser Drehrichtungswahl der Nockenwellen liegt in einer günstigen Beeinflussung der kinematischen Bewegungsverhältnisse, insbesondere der jeweils momentan wirksamen Übersetzungsverhältnisse. Hierdurch ergeben sich größere Freiheiten bei der geometrischen Gestaltung der Nockenflanken.

Die erforderliche seitliche Führung des Schwinghebels kann durch einen geeigneten Anlenk­ hebel 5 erfolgen. Kennzeichnendes Merkmal gemäß Anspruch 2 ist hierbei die Führung des Schwinghebels 3 durch einen im Punkt P4 angelenkten Anlenkhebel, wobei der Punkt P4 gleichzeitig Mittelpunkt einer Nockenrolle zur Abtastung der Nockenwelle 1 ist. Hierdurch ergeben sich konstruktive Vorteile durch Doppelfunktion von Bauteilen (z. B. Führungsachse).

Die Lagerung des Anlenkhebels im ortsfesten System kann entsprechend dem kennzeich­ nenden Anspruch 3 so erfolgen, daß der Anlenkhebel im Punkt P2 drehbar gelagert ist und der Punkt P2 gleichzeitig Mittelpunkt der Nockenwelle 2 ist. Hierdurch ergeben sich Vorteile durch kompakte Bauweise, geringen konstruktiven Aufwand und geringe Bauteile­ zahl.

Kennzeichnendes Merkmal des Anspruchs 6 ist die rotatorische Lagerung des Anlenkhe­ bels in einem Punkt P2′ nach Fig. 2, wobei der Punkt P2′ zumindest angenähert auf einer Linie senkrecht zum Ventilschaft in Höhe des Ventilschaftendes P3 liegt. Dabei kann der Punkt P2′ gemäß Anspruch 3 auch Mittelpunkt der Nockenwelle 2 sein. Wird der An­ lenkpunkt in der so beschriebenen Weise gewählt, so ist die seitliche Bewegung des Kon­ taktpunktes zwischen dem Schwinghebel 3 und dem Ventilschaftende P3 während der Ventilbetätigung minimal. Hierdurch ist die Verwendung von Ventilen mit relativ kleinen Schaftdurchmessern möglich; ebenso können Verschleißerscheinungen durch Relativbewe­ gung zwischen Schwinghebel und Ventilschaftende vermieden werden.

Eine weitere mögliche Ausführungsform der seitlichen Führung des Schwinghebels ergibt sich aus dem kennzeichnenden Merkmal gemäß Anspruch 7 und ist in Fig. 3 dargestellt.

Hierbei wird der Schwinghebel unter Verzicht auf einen Anlenkhebel auf geeignete Weise, beispielsweise durch eine Kugelpfanne, im Punkt P3 drehbar geführt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der Verringerung der Bauteilezahl und der Einfachheit der konstrukti­ ven Ausführung.

Ein erhebliches Problem bei der Ausführung der hier beschriebenen mechanischen Vorrichtung zur variablen Ventilbetätigung besteht in der Tatsache, daß für die Gestaltung der Öffnungs- bzw. Schließflanken nur ein begrenzter Nockenwinkelbereich zur Verfügung steht, wenn der für eine drosselfreie Laststeuerung erforderliche Verstellbereich der Steuerzeiten erreicht werden soll. Zur Lösung dieses Problems dient das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 4, wobei der von den Strecken P4-P1 und P4-P2 eingeschlossene Winkel W1 kleiner als 90 Grad ist und gleichzeitig der von den Strecken P5-P2 und P5-P4 eingeschlossene Winkel W2 größer als 90 Grad ist. Hierbei stellen die Punkte P4 bzw. P5 die Mittelpunkte der Radien für die am Schwinghebel erforderlichen Abgriffsflächen dar, wobei es sich um Nockenrollen oder um mit dem Schwinghebel fest verbundene, ge­ krümmte oder gerade Gleitabgriffe handeln kann. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß durch die sich ergebenden kinematischen Bedingungen während der Betätigung durch Nockenwelle 1 bzw. 2 eine Bewegung des Schwinghebels so erfolgt, daß sich die tatsächliche Dauer der Betätigung (Öffnungs- bzw. Schließvorgang) gegenüber der durch die jeweiligen Nockenkonturen vorgegebenen Dauern verkürzt.

Durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 5 wird eine definierte Anlage des Schwinghebels am Ventilschaftende und an der Nockenwelle 2 durch Aufbringen einer Kraft auf den Anlenkhebel unter Verwendung einer geeigneten Feder 6 erreicht. Hierdurch werden einerseits undefinierte Bewegungen des Schwinghebels vermieden, andererseits die Zahl der Bewegungsphasen des Schwinghebels auf das erforderliche Minimum verringert.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen, insbesondere zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren über die Einlaßhubfunktionen eines Einlaßventils, mit zwei Nockenwellen (1, 2), welche über einen Schwinghebel (3) auf das in Schließrichtung federbelastete Ventil (4) wirken, wobei die eine der beiden Nockenwellen die Öffnetfunktion und die andere der beiden Nockenwellen die Schließtfunktion bestimmen, so daß durch eine relative Verdrehung der Nockenwellen gegeneinander und/oder gegenüber der Kurbelwelle der Hub und/oder die Steuerzeiten des Ventils in weiten Bereichen veränderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwellen (1, 2) sich mit gleicher Drehzahl gegensinnig drehen und die Drehrichtungen derart sind, daß sich der momentane Berührpunkt (P6, P7) zwischen der das Ventil (4) öffnenden bzw. schließenden Nockenwelle und dem Schwinghebel (3) während der Betätigungsphase (Öffnen oder Schließen des Ventils) auf den momentanen Berührpunkt zwischen der jeweils anderen Nockenwelle und dem Schwinghebel zubewegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel (3) durch einen Anlenkhebel (5) geführt wird, der gleichachsig mit einer Nockenrolle (7) zur Abtastung der einen der beiden Nockenwellen (1, 2) am Schwinghebel gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlenkhebel (5) gleichachsig mit der anderen der beiden Nockenwellen (1, 2) gelagert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (W1) zwischen den Verbindungslinien zwischen der Achse der Nockenrolle (7) und der Achse derr zugehörigen Nockenwelle (1) sowie der Achse dieser Nockenrolle und der Achse einer weiteren, die andere Nockenwelle (2) abtastenden Nockenrolle (8) kleiner als 90° ist und der Winkel (W2) zwischen den Verbindungslinien zwischen der Achse der anderen Nockenrolle (8) und der Achse der zugehörigen Nockenwelle (2) und zwischen den Achsen der beiden Nockenrollen (7, 8) größer als 90° ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (6) vorgesehen ist, die auf den Anlenkhebel (5) eine Kraft derart ausübt, daß der Schwinghebel (3) ständig in Berührung mit dem Schaft des Ventils (4) und der vom Ventil entfernten Nockenwelle (2) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlenkhebel (5) mit einer durch einen Punkt (P2′) gehenden Drehachse gelagert ist, welcher Punkt zumindest angenähert auf einer senkrecht zum Schaft des Einlaßventils (4) verlaufenden Linie in Höhe des Ventilschaftendes liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel (3) auf dem Schaft des Einlaßventils (4) durch eine Kugelpfanne gelagert ist.