DE4311877C2 - Nockenwellenantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Nockenantrieb über eine Nockenwelle für das Auslaß- und das Einlaßventil und für die Betätigung der Einspritzpumpe bei einem Dieselmotor, wobei zur Betätigung der drei Funktionen je Zylinder nur ein Nocken vorgesehen ist.

Insbesondere bei Kleindieselmotoren ist die Verkürzung der Nockenwelle ein vom Konstruk­ teur angestrebtes Ziel. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, bei einem Einzylinder- Dieselmotor eine Nockenwelle mit nur zwei Nocken zu verwenden, nämlich einen zur Betäti­ gung der Schlepphebel für das Einlaß- und das Auslaßventil und einen weiteren für die Betä­ tigung der Einspritzpumpe. Dabei konnten durch entsprechend unterschiedliche Gestaltung der Nockenwellenantriebe einerseits für die beiden Ventile und andererseits für die Einspritz­ pumpe die unterschiedlichen Anforderungen für die Bewegungsabläufe realisiert werden. Bei der Ventilsteuerung geht es darum, daß das Einlaßventil bei Erreichen des oberen Tot­ punkts und das Auslaßventil bei Erreichen des unteren Totpunkts hinreichend lange offen sind, so daß eine gute Füllung bzw. Entleerung des Zylinders erreicht werden kann. Dement­ sprechend wird vom Konstrukteur ein eher gestreckter, idealerweise rechteckiger Kurven­ verlauf zwischen oberem und unterem Totpunkt angestrebt. Durch einen an ein derartiges Rechteckprofil angenäherten Kurvenverlauf können die auf seiten des Ventiltriebs auftre­ tenden Massenbeschleunigungen und Hertz′schen Kräfte begrenzt werden.

Andererseits gehen die Anforderungen für den Antrieb der Einspritzpumpe dahin, daß die eigentliche Einspritzzeit möglichst kurz zu gestalten ist. Der ideale Kurvenverlauf für die Stempelgeschwindigkeit, bezogen auf den Nockenwinkel, ist hier eine bis zum oberen Totpunkt besonders steil ansteigende Kurve, für die Geschwindigkeit des Stempels der Ein­ spritzpumpe; dabei reihen sich innerhalb die­ ses ansteigenden Astes der Geschwindigkeits­ kurve zeitlich aneinander die drei Phasen der Pumpensteuerung, nämlich der Vorhub, während dem der Ansaugkanal geschlossen wird, ein Zwi­ schenhub, während dem das Entlastungsvolumen in der Einspritzpumpe gefüllt wird und schließlich der kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts des Pumpenstempels beendete Ein­ spritzhub. Demgegenüber ist der abfallende Ast des Geschwindigkeitsprofils eher als unkritisch zu bezeichnen.

Es ist auch bekannt (DE 33 25 510 A1, die beiden Ventile und die Einspritzpumpe bei einer Einspritzbrennkraftmaschine mit einem einzigen Nocken einer Nockenwelle zu steuern. Dabei werden die beiden Ventile über Kipphebel und Stoßstangen betätigt, wohingegen der Pumpenstempel direkt von dem Nocken betätigt wird. Dadurch ergibt sich ein für die Pumpensteuerung unbrauchbares, nämlich zu flaches Geschwindigkeitsprofil des Pumpenstempels.

Demgegenüber besteht ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel darin, den Nockenwellenantrieb für die Steuerung sowohl der beiden Ventile als auch der Einspritzpumpe möglichst einfach zu gestalten, aber gleichzeitig sicherzustellen, daß er für beide Steuerungsfunktionen den jeweiligen Anforderungen hinsichtlich des Geschwindigkeitsverlaufs und der maximalen Höhe der Geschwindigkeit genügt.

Ein erfindungsgemäßer Lösungsvorschlag hierzu sieht vor, daß die Betätigung durch den Nocken jeweils mittelbar über einen Kipphebel erfolgt und daß zur Steuerung der Stempelgeschwindigkeit der Einspritzpumpe die Hebelübersetzung bezüglich der Kipphebelschwenkachse und deren Abstand von der Verbindungslinie zwischen dem Abwälzpunkt des Kipphebels mit dem Nocken und dem Abwälzpunkt des Kipphebels mit dem Stempel derart gewählt werden, daß bei einem Pumpenhub von höchstens 10 mm das Geschwindigkeitsprofil für die Stempelgeschwindigkeit, bezogen auf den Nockenwinkel, in Entsprechung einer üblichen Pumpenhubsteuerung steil ansteigt.

Dadurch, daß nur ein einziger Nocken vorhanden ist und alle Kipphebel etwa in dessen Bewegungsebene angeordnet sind, wird eine extrem kompakte Bauweise für den Nockenwellenantrieb ermöglicht, der damit in besonderer Weise den Anforderungen an sehr kleine Dieselaggregate gerecht wird.

Trotz des damit erreichten extrem kleinen Bauvolumens für den gesamten Nockenwellenantrieb können über den Kipphebel für die Einspritzpumpe sogar noch weitere Motorfunktionen betätigt werden, z. B. eine Schmierölpumpe oder eine Kraftstofförderpumpe.

Im Rahmen der Erfindung ist die Ausbildung des Kipphebels für die Betätigung der Einspritz­ pumpe von besonderer Bedeutung. Während die Kipphebel für die Betätigung des Auslaß- und des Einlaßventils in üblicher Weise als Schlepphebel ausgebildet sein können, geht es bei der Ausbildung des Kipphebels für die Ein­ spritzpumpe darum, durch dessen Gestaltung und Anordnung das oben erläuterte steile Geschwin­ digkeitsprofil für die Stempelgeschwindigkeit zu verwirklichen. Zu diesem Zweck wird erfin­ dungsgemäß von der Überlegung ausgegangen, daß für den Verlauf der Stempelgeschwindigkeit der Einspritzpumpe neben der Hebelübersetzung bezüglich der Kipphebelschwenkachse die räum­ liche Anordnung der Kipphebelschwenkachse maß­ geblich ist, derart, daß die Stempelgeschwin­ digkeit, bezogen auf den Nockenwinkel, einen steileren Verlauf nimmt, je geringer der Abstand der Kipphebelschwenkachse von der Verbindungslinie zwischen den beiden Abwälz­ punkten des Kipphebels gewählt wird; dieser Abstand kann sogar einen negativen Wert an­ nehmen, d. h. die Kipphebelschwenkachse wandert über die genannte Verbindungslinie auf deren Seite, auf welcher sich auch die Nockenwelle befindet. In der Praxis hat es sich als zweck­ mäßig erwiesen, den Abstand des Mittelpunkts der Kipphebelschwenkachse von der Verbindungs­ linie zwischen dem Abwälzpunkt mit den Nocken und dem Abwälzpunkt mit dem Stempel weniger als 40% der Länge dieser Verbindungslinie zu wählen. Damit ergibt sich für den Kipphebel in einer bevorzugten Ausführungsform eine etwa linear gestreckte Form, d. h. die Schwenkachse des Kipphebels befindet sich etwa zwischen 0 und 10% seitlicher Versetzung, bezogen auf die Länge der Verbindungslinie zwischen dem nockenseitigen und dem stempelseitigen Abwälz­ punkt des Kipphebels. Auf diese Weise wird eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem umlaufenden Nocken und dem zugeordneten Abwälzpunkt sicher gestellt. Geometrisch bedeutet dies, daß die Kreisbahn des Abwälz­ punkts mit der durch die Nockenrotation vorge­ gebenen Wirkrichtung einen verhältnismäßig großen Winkel einschließt, bzw. anders ausge­ drückt, daß der Abwälzpunkt dem Nocken gewis­ sermaßen entgegenläuft, mit dem Ergebnis, daß die Relativgeschwindigkeit im Abwälzpunkt zunimmt und damit entsprechend die Geschwin­ digkeit des Pumpenstempels.

Demgegenüber wäre es unzureichend, gegenüber üblichen Kipphebeln bloß die Hebelübersetzung des Kipphebels für die Pumpenbetätigung zu vergrößern. Zwar lassen sich auch auf diese Weise höhere Antriebsgeschwindigkeiten erzielen; gleichzeitig bedeutete aber die Verlängerung des pumpenseitigen Kipphebelarms eine entsprechende Vergrößerung des Pumpen­ hubs, da die Einspritzpumpe nicht beliebig nahe an die Nockenwelle positioniert werden kann. Auf dem Markt sind aber nur Einspritz­ pumpen mit verhältnismäßig kleinem etwa bis zu 10 mm begrenzten Pumpenhub erhältlich. Erst durch den "gestreckten Kipphebel" im Sinne des Erfindungsvorschlags wurde der Weg für die Anwendung einer einzigen Nocke zur Betätigung sowohl der Ventile als auch der Einspritzpumpe eröffnet.

Die Rückstellfeder für den Kipphebel, welcher die Einspritzpumpe betätigt, kann entweder durch die Stempelfeder in der Einspritzpumpe oder durch eine gesonderte an einer Verlänge­ rung des nockenseitigen Endes des Kipphebels ansetzende Druckfeder oder auch durch eine entsprechend positionierte Zugfeder gebildet sein, so daß der ständige Kontakt mit der Nocke sichergestellt ist. Die beiden Ventile sind in der üblichen Weise durch Ventilfedern abgestützt. Für den Fall, daß die Stempelfeder in der Einspritzpumpe weggelassen ist, weil sie nämlich durch eine am Kipphebel angrei­ fende externe Druck- oder Zugfeder ersetzt ist, ist es erforderlich, den Abwälzpunkt des Kipphebels am Fußende des Stempels durch einen Mitnehmer in ständiger Anlage mit dem Stempel­ fuß zu führen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Dreifunk­ tions-Nockenwelle

Fig. 2 einen gestreckten Kipphebel für den Antrieb der Einspritzpumpe

Fig. 3 einen nach außen gewinkelten Kipphebel für den Antrieb der Einspritzpumpe

Fig. 4 einen nach innen gewinkelten Kipphebel für den Antrieb der Einspritzpumpe und

Fig. 5 Kurvendiagramme für die Kipphebel­ formen gemäß Fig. 2 bis 4.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Nockenwelle 1 mit einem einzigen Nocken 2 einerseits für die Betätigung der Schlepphebel 3, mit denen die Ventilstößel 4 für das Ein­ laß- und das Auslaßventil gesteuert werden, andererseits für die Betätigung eines Kipp­ hebels 5, mit welchem die Einspritzpumpe 6 gesteuert wird. Diese sitzt mit ihrem Pumpen­ zylinder 7 direkt in einer entsprechenden Bohrung des Zylinderkopfs 8 in welchen auch die entsprechenden Kanäle für den Kraft­ stofffluß eingearbeitet sind, nämlich ein Kanal 9 für die Kraftstoffzuführung und ein Kanal 10 für die Kraftstoffrückleitung. Für den Anschluß der Druckleitung ist am oberen Ende des Pumpenkopfs 11 ein Anschlußgewinde 12 vorgesehen. Der Pumpenstempel 13 ist mit seinem kipphebelseitigen Ende 14 über einen Mitnehmer 15 mit einer auf der Welle 16 gela­ gerten Abtastrolle 17 verbunden. Eine weitere Abtastrolle 18, die um einen im Kipphebel gelagerten Bolzen 19 drehbar ist, wirkt mit dem Nocken 2 zusammen. Der Kipphebel 5 für die Betätigung der Einspritzpumpe 13 ist um eine Kipphebelschwenkachse 20 verschwenkbar. Der Kontakt zwischen der Abtastrolle 18 und den Nocken 2 der Nockenwelle 1 wird sichergestellt durch eine an einem verlängerten Ende 21 des Kipphebels 5 ansetzende Druckfeder 22, die zwischen dem Ende 21 des Kipphebels 5 und einem gehäusefesten Sitz 23 eingespannt ist. Entsprechend der Drehung der Nockenwelle in Richtung des Pfeils 24 werden durch denselben Nocken 2 drei Funktionen hintereinander bedient, nämlich der Kipphebel 5 für die Betä­ tigung der Einspritzpumpe und die beiden Schlepphebel 3 für die Betätigung der Ventil­ stößel 4 für das Einlaßventil und das Auslaß­ ventil. Über eine nicht näher dargestellte Steuerkurve am inneren Ende des Pumpenstempels 13 werden bei dessen Betätigung die üblichen mit der Kraftstoffeinspritzung zusammen­ hängenden Funktionen gesteuert.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen im Vergleich unter­ schiedlich ausgebildete Kipphebel 5 für die Pumpenbetätigung. Im Gegensatz zu dem mehr oder weniger gestreckten Kipphebel gemäß Fig. 2 ist der Kipphebel gemäß Fig. 3 nach außen abgewinkelt, d. h. die Kipphebelschwenkachse 20 befindet sich, bezogen auf die Zeichnung, unterhalb der Verbindungslinie der beiden Abwälzpunkte 25, 26 am Kipphebel 5; der Kipp­ hebel gemäß Fig. 4 hingegen ist eher nach innen abgewinkelt, d. h. die Kipphebel­ schwenkachse 20 befindet sich, bezogen auf die Zeichnung, oberhalb der genannten Verbindungs­ linie. Bezieht man diese am optischen Erschei­ nungsbild orientierten Verhältnisse auf den geometrischen Mittelpunkt der obigen drei Ausführungsformen des Kipphebels, so liegen die Mittelpunkte etwa auf der Verbindungslinie (Fig. 4) oder unterhalb derselben, wobei die Abstände von der Verbindungslinie zwischen den beiden Abwälzpunkten 25, 26, bezogen auf deren Längen ca. 10% (Fig. 2) bzw. ca. 30% (Fig. 3) betragen. Somit ist bei Fig. 4 die Kipphebel­ schwenkachse 20 am weitesten nach innen (bzw. oben) versetzt, mit dem Ergebnis, daß die durch die Rotation des Nockens 2 verursachte Relativgeschwindigkeit im zugeordneten Abwälz­ punkt 26 deutlich über derjenigen bei Fig. 2 oder 3 liegt. Zwischen der abgewinkelten Kipp­ hebelform und seiner gestreckten Form sind zahlreiche Zwischenstellungen vorstellbar; die geeignete Form des Kipphebels 5 wird der Fach­ mann in Anpassung an den gewünschten Verlauf der Stempelgeschwindigkeit, z. B. zwischen den beiden in Fig. 5 dargestellten extremen Kurven, wählen. In Fig. 5 zeigt die Kurve mit der durchgezogenen Linie das Profil der Stempelgeschwindigkeit mit einem etwa gestreckten Kipphebel gemäß Fig. 2; die Kurve mit der strickpunktierter Linie zeigt das Profil der Stempelgeschwindigkeit mit einem nach außen abgewinkelten Kipphebel gemäß Fig. 3. Die Kurve mit der gestrichelten Linie zeigt das Profil der Stempelgeschwindigkeit mit einem leicht nach innen abgewinkelten Kipp­ hebel gemäß Fig. 4. Zwischen den beiden extremen Kurven sind zahlreiche Varianten mit unterschiedlicher Steilheit des für die Einspritzzeit kritischen ansteigenden Astes des Verlaufs der Stempelgeschwindigkeit über dem Nockenwinkel vorstellbar. Die Kurven verdeutlichen den Einfluß der Kipphebelform bzw. der gewählten Position der Kipphebelschwenkachse auf den Geschwindigkeitsverlauf. In den Fig. 2 bis 4 ist der Kipphebel 5 mit durchgezogener Linie jeweils in der Anlageposition an der Nocke 2 gezeigt; die mit strichpunktierter Linie dar­ gestellte Kipphebelposition zeigt jeweils dessen maximale Auslenkung durch den Nocken 2, wobei sich der Pumpenstempel 13 stets in der maximal eingefahrenen Position befindet.

Für den Fachmann ist ohne weiteres verständ­ lich, daß sich die Darstellung gemäß Fig. 5 lediglich auf unterschiedliche Positionen der Kipphebelschwenkachse 20 bei im übrigen raum­ fester Position der Einspritzpumpe 13 einer­ seits und der Nockenwelle 1 andererseits beziehen. Dabei sind die auf den Mittelpunkt der Kipphebelschwenkachse 20 bezogenen Hebel­ längen zwischen dieser und den beiden Abwälz­ punkten 25, 26 gleichlang gewählt; durch eine andere Hebelübersetzung lassen sich, wie ohne weiteres vorstellbar, zu den gezeichneten Kurventypen etwa parallele Kurvenverläufe erzielen.

Claims (3)

1. Nockentrieb über eine Nockenwelle für das Auslaß- und das Einlaßventil und für die Betätigung der Einspritzpumpe (6) bei einem Dieselmotor, wobei zur Betätigung der drei Funktionen je Zylinder nur ein Nocken (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung durch den Nocken (2) jeweils mittelbar über einen Kipphebel (3, 5) erfolgt, und daß zur Steuerung der Stempelgeschwindig­ keit der Einspritzpumpe (6) die Hebelüber­ setzung bezüglich der Kipphebel­ schwenkachse (20) und deren Abstand von der Verbindungslinie zwischen dem Abwälz­ punkt (26) des Kipphebels (5) mit dem Nocken (2) und dem Abwälzpunkt (25) des Kipphebels (5) mit dem Stempel (13) derart gewählt werden daß bei einem Pumpenhub von höchstens 10 mm das Geschwindigkeitsprofil für die Stempelgeschwindigkeit, bezogen auf den Nockenwinkel, in Entsprechung einer üblichen Pumpenhubsteuerung steil ansteigt.

2. Nockentrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand weniger als 40% der Länge der Verbindungslinie, vorzugsweise zwischen 5% und 15% beträgt.

3. Nockentrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kipphebel (5) etwa linear gestreckt ausgebildet ist.