DE69101185T2

DE69101185T2 - Steuervorrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einer Anzahl von Ventilen je Zylinder.

Info

Publication number: DE69101185T2
Application number: DE69101185T
Authority: DE
Inventors: Ennio Ascari
Original assignee: Ferrari SpA
Current assignee: Ferrari SpA
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1991-06-18
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: IT9067449A1; JP2599317B2; US5095858A; DE69101185D1; ES2051542T3; EP0462568B1; JPH0650111A; IT9067449A0; IT1240697B; EP0462568A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Zeitsteuersystem für die Regulierung über entsprechende nockenwellengesteuerte Ventile des Fluideinlasses oder -auslasses zu/von einer Anzahl von Zylindern eines Motors und/oder einer Maschine. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Zeitsteuersystem einer obenliegenden Nokkenwelle für eine Brennkraftmaschine mit einer Anzahl von Ventilen, beispielsweise fünf, pro Zylinder.
Um die volumetrische Effizienz von Brennkraftmaschinen zu ver bessern, insbesondere Hochleistungsmaschinen für Sportfahrzeuge oder sogenannte Tourenwagen, besteht die übliche Konstruktionspraxis darin, Zeitsteuersysteme zu schaffen, die anstatt die üblichen zwei Ventile (Ansaug- und Auspuff-) pro Zylinder, beispielsweise vier (zwei Ansaug - und zwei Auslaß-) Ventile oder fünf (drei Einlaß- und zwei Auslaß-) Ventile pro Zylinder vorsehen. Der letztere Typ wirft besonders ernsthafte Konstruktionsprobleme hinsichtlich der Ventilsteuerung und/oder der An ordnung der Ventile auf, um Interferenz zu vermeiden, insbesondere zwischen den Stößeln der drei Zufuhrventile. Um dieses Problem zu überwinden, schafft USA Patent Nr. 4,615,309 eine aufgespreizte Anordnung der Einlaßventile, wobei das mittlere schräg relativ zu den beiden seitlichen Ventilen angeordnet ist, was es ermöglicht, alle drei durch eine einzige Nockenwelle zu steuern und Stößel zu verwenden, die Kappen mit kleinerem als normalem Durchmesser aufweisen, in dem gezeigten Beispiel kleiner als die Kappen auf den Abgasventilen.
Eine solche Lösung weist jedoch nach wie vor eine Anzahl von Nachteilen auf. Als wichtigster ist zu nennen, daß die Kappen mit kleinem Durchmesser, insbesondere bei Vorhandensein von Ventilen, die relativ zu der Nockenwelle schräg stehen und deshalb bei Vorhandensein einer möglichen seitlichen Belastung auf den Stößeln zu einem erhöhten Kontaktdruck zwischen den Kappen und den Kappenführungen des Zylinderkopfes führen kann, was zu einer Behinderung des Schmierölfilms führen kann und/oder zu größerem Verschleiß bei beweglichen Teilen.
EP-A-0340834 zeigt eine einfachere Anordnung, erfordert jedoch die Verwendung von seitlichen Ventilen verringerten Durchmessers und infolgedessen mit einer verringerten volumetrischen Effizienz.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Zeitsteuersystems, insbesondere für Hochleistungsbrennkraftmaschinen, das so ausgelegt ist, daß es die vorerwähnten Nachteile vermeidet, d.h., das leicht herstellbar ist und nicht notwendigerweise die Verwendung von Ventilen erfordert, die relativ zur Zylinderachse schrägstehen.
Für diesen Zweck wird das in Anspruch 1 definierte Zeitsteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen.
Eine nicht als Beschränkung zu verstehende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Figuren 1 bzw. 2 Draufsichten auf unterschiedlichem Niveau auf ein Zeitsteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen,
Figuren 3, 4 bzw. 5 entsprechende Schnitte nach Linien III-III, IV-IV und V-V in Fig. 2 des oberen Abschnitts einer Brennkraftmaschine sind mit dem Zeitsteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Variation des Zeitsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figuren 7, 8 bzw. 9 entsprechende Schnitte längs derselben Linien wie in Fig. 2 des oberen Abschnitts einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 6 des Zeitsteuersystems der vorliegenden Erfindung darstellen.
Bezugszeichen 1 in Figuren 1 bis 5 markiert eine bekannte Brennkraftmaschine, von der zur Vereinfachung nur der obere Abschnitt dargestellt ist, mit einem Zylinderkopf 2 und darunter einem einzigen Zylinder 3, der zusammen mit dem Zylinderkopf 2 eine der Verbrennungskammern des Motors 1 definiert. Die anderen Verbrennungskammern, definiert durch die anderen Zylinder 3 der Maschine 1, sind identisch und deshalb nicht gezeigt. Die Maschine 1 weist ein Zeitsteuersystem auf, das insgesamt mit 4 bezeichnet ist und das in dem nicht als Beschränkung zu verstehenden dargestellten Beispiel fünf Ventile für jeden Zylinder 3 umfaßt: drei nebeneinanderliegende Ansaugventile, bestehend aus einem mittleren Ventil 5 und zwei einander abgekehrten seitlichen Ventilen 6 und zwei benachbarten (nicht dargestellten) Abgasventilen. Alle obigen Ventile sind vom Pilztyp für das Öffnen bzw. Schließen zugeordneter Einlässe 7 und Auslässe 8 des Zylinders 3, mit welchem sie koaxial sind. Diese Ein- bzw. Auslässe sind in einem Ring auf dem Zylinderkopf 2 ausgebildet oberhalb der Verbrennungskammer, gebildet durch Zylinderkopf 2 und dem entsprechenden Zylinder 3 und sind im wesentlichen in Form eines Pentagons angeordnet.
Das Zeitsteuersystem 4 umfaßt ferner eine entsprechende Nokkenwelle 10 für gleichzeitige Steuerung aller Ventile 5 und 6 aller Zylinder 3 eines Motors 1 und eine ähnliche, bekannte (nicht dargestellte) Nockenwelle für die Steuerung (in bekannter, nicht dargestellter Weise) der Ventile der Auslässe 8 aller Zylinder 3 der Maschine 1. Gemäß einer nicht dargestellten Variation können auch die Auslässe die Zahl 3 aufweisen gleich der der Zahl der Einlässe, um einen Motor mit sechs Ventilen pro Zylinder zu schaffen (wobei beispielsweise die sechs Einlässe bzw. Auslässe in Form eines Hexagons auf der Oberseite der Verbrennungskammer angeordnet wären), in welchem Falle die drei Auslaßventile in genau der gleichen Weise gesteuert würden wie die Ventile 5 und 6, die nachstehend beschrieben werden, was sich demgemäß auch auf die Steuerung der Abgasventile bezöge, wenn es davon drei gäbe wie für die Ventile 5 und 6.
Für jedes Ventil 5 und 6 umfaßt die Welle 10 einen entsprechenden Steuernocken 11 vorbestimmter Form für das Steuern der Hin- und Herbewegung eines entsprechenden Ventilschaftes 13 über einen zwischengefügten, bekannten Stößel 12 und gegen die Wirkung eines zugeordneten, elastischen Mittels 15. Gemäß dem nicht als Beschränkung zu verstehenden dargestellten Beispiel weist das Zeitsteuersystem 4 gemäß der vorliegenden Erfindung eine obenliegende Nockenwellenanordnung auf, d.h. eine solche, bei der die Nocken 11 der Nockenwelle 10 direkt mit Stößeln 12 zusammenwirken, wobei die Nockenwelle 10 so angeordnet ist, daß sie um eine Achse 14 umläuft (Fig. 1 und 3) und wobei die Stößel 12 nebeneinander und zentral ausgefluchtet angeordnet sind, so daß die Achse 14 durchsetzt wird von entsprechenden Gleitachsen und Symmetrieachsen 20 der Stößel 12. Die Stößel 12 können vom mechanischen Typ ohne Spielkompensation sein, wie in dem dargestellten, nicht als Beschränkung zu verstehenden Beispiel, oder irgendein bekannter hydraulischer Typ mit automatischem Spielausgleich. In jedem Fall umfaßt jeder Stößel 12 eine zylindrische Kappe 16 koaxial mit der Achse 20 und längs dieser gleitend und aufgenommen innerhalb eines Führungssitzes 18, der ebenfalls koaxial ist mit der Achse 20 und im Zylinderkopf 2 ausgebildet ist sowie eine Platte 19 auf der Oberseite der Kappe 16 und zwischen dieser und dem entsprechenden Nocken 11. Die zylindrische Kappe 16 definiert den äußeren Korpus jedes Stößels 12.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jeder Schaft 13 der Ventile 5 und 6 mit seiner Längssymmetrieachse 21 relativ zur Achse 20 des entsprechenden Stößels 12 versetzt. Im einzelnen sind die Achsen 20 der Stößel 12 seitlich verschoben und zu entgegengesetzten Seiten relativ zu den entsprechenden Achsen 21 der Ventile 5 und 6, um so in den Ebenen IV-IV bzw. V-V senkrecht zur Achse 14 der Nockenwelle 10 eine erste Exzentrizität E1 zu definieren (Fig. 1, 4, 5) zwischen jedem Schaft 13 und dem entsprechenden Stößel 12, so daß bei der Draufsicht (Fig. 1) der Ventilschaft 13 sich auf entgegengesetzt gegenüberliegenden Seiten der Achse 14 befinden und derart, daß die zentrale Distanz E zwischen dein Schaft des mittleren Ventils 5 und jenen der beiden seitlichen Ventile 6, die in derselben Ebene parallel zur Ebene III-III ausgefluchtet sind, d.h. parallel zur Achse 14, gleich der Summe der Exzentrizitäten E1 ist. Da die Werte E1 vorzugsweise gleich sind, ist die zentrale Distanz E gleich dem Zweifachen der Exzentrizität zwischen jeweils zwei Achsen 20, 21 relativ zu dem Stößel und dem Ventil desselben Einlasses 7. Wenn jedoch erforderlich, kann das Zeitsteuersystem 4 so ausgebildet werden, daß die Exzentrizität E1 zwischen der Schaftachse des Ventils 5 und der Achse des entsprechenden Stößels 12 abweicht (größer oder kleiner ist), von der zwischen der Achse des Ventils 6 und der Achse des entsprechenden Stößels 12.
In Verbindung mit dein vorstehenden Merkmal sind die Achsen der Stößel 12 so angeordnet, daß in der Ebene der Figur 3, d.h. in einer Ebene parallel zur Achse 14, Ebene III-III und die Achse des Zylinders 3 der Schaft 13 des mittleren Ventils 5 ausgefluchtet ist mit der Achse des entsprechenden Stößels 12 und in dem dargestellten Beispiel mit der Achse des Zylinders 3, so daß in der Ebene der Fig. 3 die Achsen 13 und 20 in Linie angeordnet sind. Gleichzeitig sind in der genannten Ebene die Schäfte 13 der seitlichen Ventile 6 beide seitlich zu entgegengesetzten Seiten relativ zur Achse des entsprechenden Stößels 12 verschoben, nämlich in Richtung des Schaftes des mittleren Ventils 5, um so zwischen jeweils zwei Achsen 20 und 21 eine zweite Exzentrizität E2 (Fig. 1 und 3) zu definieren, senkrecht zu der gemessenen Richtung der Exzentrizitäten E1.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die Schäfte der seitlichen Ventile 6 spiegelsymmetrisch angeordnet, relativ zu den Achsen der entsprechenden Stößel 12 und zu einer diametralen Ebene des Zylinders 3, die im wesentlichen zusammenfällt mit der Ebene V-V, so daß beide Exzentrizitäten E2 spiegelbildlich gleich sind. Die Stößel 12 können demgemäß versetzt sein relativ zu den Einlässen 7 und den entsprechenden, diese steuernden Ventilen 5 und 6, wie in Fig. 1 dargestellt, wobei die Einlaßöffnungen 7 und Stößel 12 nach Erfordernis für optimale Größe und störungsfreie Steuerung positioniert werden: normalgroße Stößel 12 (anstelle der kleineren, wie sie bei bekannten fünf/sechs-Ventil-Zeitsteuersystemen bekannt sind) sind längs Achse 14 ausgefluchtet, und die Ventile 5 und 6 innerhalb des Umfangs des Zylinders 3 und in einer solchen Position, daß eine maximale Größe der Einlässe 7 ermöglicht wird. Darüber hinaus sind die Schäfte 13 der Ventile 5 und 6 sämtlich parallel zueinander zur Achse des Zylinders 3, was die Konstruktion des Motors 1 vereinfacht und die seitliche Belastung auf den Führungen 13 minimiert trotz des relativ hohen Grades an Exzentrizität zwischen den Ventilschäften und den Stößeln. Dies ermöglicht auch, die Oberseite der Verbrennungskammer flach auszubilden, was die Konstruktion des Zylinderkopfes 2 vereinfacht.
Infolge der Exzentrizität der Schäfte 13 und Stößel 12 unterscheidet sich die mechanische Steuerung der Ventile 5 und 6 von den traditionellen Systemen, wie in Fig. 3, 4 und 5 gezeigt. Im einzelnen sind die Vorspanninittel 15, die aus entsprechenden Packungen von Schraubenfedern bestehen, welche koaxial um die Schäfte 13 gelegt sind, vollkommen außerhalb der Stößel 12 untergebracht und in dem dargestellten Beispiel außerhalb der Kappen 16. In dem dargestellten Beispiel sind die Federn 15 zwischen entsprechenden Schultern 40, die mit dem Zylinderkopf 2 verbunden sind und beispielsweise einen Teil der entsprechenden Führungen 41 der Schäfte 13 bilden, und entsprechenden Schulterplatten 31 angeordnet, welche jeweils fest mit einem entsprechenden Ventilschaft 13 verbunden sind unmittelbar unterhalb der entsprechenden Stößel 12 mittels eines Paares von bekannten Querkeilen 30, die mit einer konischen inneren Oberfläche der Platte 31 und mit einer entsprechenden Nut 32 auf dem Ventilschaft 13 zusammenwirken. Um die Montage der obigen Struktur zu ermöglichen, sind Führungssitze 10 von Stößeln 12 in einem ersten Abschnitt 35 des Zylinderkopfes 2 ausgebildet, während Federn 15 jedes Ventils 5 und 6 in entsprechenden Sitzen 36 untergebracht sind, durchsetzt von den Ventilschäften 13 und unterhalb der Führungssitze 18 in einem zweiten Abschnitt 37 des Zylinderkopfes 2 ausgebildet, der auf der Oberseite in lösbarer Weise mit dem Abschnitt 35 verbunden ist, entsprechend einem Schema, das als "Festungstyp" bekannt ist.
In den Fig. 6 bis 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des beschriebenen Zeitsteuersystems 4 dargestellt, wobei alle Einzelheiten, die ähnlich oder identisch dem bereits beschriebenen Beispiel sind, mit den gleichen Bezugsziffern versehen wurden. Die Abwandlung wird verwendet, wenn aus technischen Gründen die Oberseite der Verbrennungskammer des Motors abgerundet ist und die Ventile 5 und 6 deshalb radial anzuordnen sind, in welchem Falle die Ventilschäfte 13 schrägstehen relativ zur Achse des entsprechenden Zylinders 3. Im einzelnen sind die Schäfte der Ventile 5 und 6 schräg relativ zu einander angeordnet und wirken mit Stößeln 12 zusammen, die trotz der Schrägstellung relativ zum Zylinder 3 seitlich ausgefluchtet sind und parallel zueinander längs der Achse der Nockenwelle 10 über abgeschrägte Stützflächen 50 und 51, die beispielsweise innerhalb der Kappen 16 ausgebildet sind. Im einzelnen sind die Stützflächen 51 für die Schäfte der seitlichen Ventile 6 sowohl relativ zu der Ebene der Fig. 7 als auch relativ zur senkrechten Ebene der Fig. 8 schräggestellt, so daß sie schräg angeordnet sind relativ zu den entsprechenden Ventilschäften 13. Dies sorgt nicht nur für eine Abwandlung der Geometrie der Verbrennungskammer, sondern auch für die Steuerung der Stößel 12 unter Verwendung einer normalen Nockenwelle 10 (anstelle von Nockenwellen mit schrägstehenden Nocken 11, wie bei bekannten Radialventilsystemen) und vergrößert außerdem die Distanz zwischen den Stößeln 12. Darüber hinaus können die Exzentrizitäten E1 und E2 verringert werden für die Verringerung der seitlichen Belastung auf den Führungen 18. Schließlich wird die Schrägstellung der Schäfte 13 vorzugsweise so gewählt, daß die Achse des mittleren Ventils 5 in Richtung der Achse 14 divergiert relativ zu den Achsen der seitlichen Ventile 6.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlich aus der vorstehenden Beschreibung. Insbesondere sorgt die doppelt versetzte Anordnung in zwei zueinander senkrechten Ebenen der Schäfte der seitlichen Ventile relativ zu den Stößelachsen für das Erzielen eines fünf- oder sechs-Ventil-Zeitsteuersystems, bei dem drei große, in weitem Abstand angeordnete Einlaß- und/oder Auslaßöffnungen vorgesehen werden (für angemessene Kühlung und Schutz des Zylinderkopfes), obwohl die drei Ventile durch eine einzige, und was wichtiger noch ist, obenliegende Nockenwelle gesteuert werden. Dies führt deshalb zu einem hocheffizienten Hochleistungsbrennkraftmaschinen-Zeitsteuersystem, das sowohl relativ kompakt ist als auch einfach zu produzieren und zu montieren. Noch wichtiger, die Dezentrierung der verschiedenen Ventilsteuerkomponenten kann ziemlich klein sein (im Falle von radialen Ventilen), d.h. weitgehend neutralisiert werden durch Halten der Ventilachsen parallel zu jenen der Zylinder, woraus eine sehr kleine und vor allem vorhersagbare seitliche Belastung auf die Führungsflächen der Stößel 12 wirkt, welcher, falls erforderlich, bei der Konstruktion entgegengewirkt werden kann. Bei Motoren mit bekannten Zeitsteuersystemen, bei denen der Abstand der Einlaßöffnungen ausschließlich von dem Grad der Schrägstellung der Ventile abhängt, kann die seitliche Belastung unvorhersagbar sein und demgemäß viel schwieriger, ihr zu begegnen.

Claims

1. Ein Zeitsteuersystem (4) in einer Brennkraftmaschine, wodurch eine Nockenwelle (10) gegen die Wirkung elastischer Mittel (15) die translatorische Bewegung entsprechender Schäfte eines Mittelventils (5) und zweier benachbarter seitlicher Serivce-Ventile (6) steuert für die Regulierung des Einlasses oder Auslasses eines Fluids in bzw. aus einem zugeordneten Zylinder (3), wobei jedes Ventil durch einen entsprechenden Nocken (11) der Nockenwelle (10) über die Zwischenschaltung eines entsprechenden Stößels gesteuert wird und die Schäfte (13) der Ventile mit ihren Achsen (21) seitlich versetzt sind und alternierend auf einander abgekehrten Seiten relativ zu einer ersten Ebene parallel zu der Achse der Nockenwelle (14), welche die Achse (20) des entsprechenden Stößels enthält, um so zwischen jedem Ventilschaft und zugeordnetem Stößel eine erste Exzentrizität (E1) in einer Ebene senkrecht zu der ersten Ebene zu definieren, wobei der Schaft (13) des Mittelventils (5) und die Achse des entsprechenden Stößels (12) in einer Ebene senkrecht zu der ersten Ebene sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schäfte der anderen beiden Ventile (6) beide seitlich relativ zu einer Ebene senkrecht zu der ersten Ebene, welche die Achse (20) des entsprechenden Stößels enthält und in Richtung des Schaftes des Mittelventils (5) versetzt sind, um so zwischen der Achse des Schaftes (13) und der entsprechenden Achse (20) des Stößels (12) eine zweite Exzentrizität (E2) senkrecht zu der ersten Exzentrizität (E1) zu definieren.

2. Ein Zeitsteuersystem (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken (11) der Nockenwelle direkt mit den Ventilstößeln (12) zusammenwirken entsprechend einer obenliegenden Nockenwellenanordnung und daß die elastischen entgegenwirkenden Mittel zugeordnete Schraubenfedern (15) umfassen, die um die Ventilschäfte (13) gewunden sind und vollständig außerhalb der Stößel (12) liegen, wobei die Federn (15) auf entsprechende Schulterplatten (31) einwirken, jeweils integral an einem entsprechenden Ventilschaft unmittelbar unterhalb des entsprechenden Stößels (12) mittels eines Paares von Keilschließstücken (30) verbunden, die zusammenwirken mit einer konischen Innenoberfläche der Platte (31) und einer entsprechenden Nut (32) in dem Ventilschaft.

3. Ein Zeitsteuersystem (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stößel (12) mechanisch sind und jeweils eine zylindrische Kappe (16) umfassen, gleitend zusammenwirkend mit einem Führungs-Sitz (18), der in einem ersten Abschnitt (35) des entsprechenden Zylinderkopfes (2) ausgebildet ist und eine Platte (19) umfassen, die auf der Oberseite der Kappe (16) befestigt ist, wobei die Federn (15) jedes Ventils in entsprechenden Sitzen (36) untergebracht sind, die von den Ventilschäften (13) durchsetzt sind und unterhalb der Führungssitze in einem zweiten Abschnitt (37) des Zylinderkopfes (2) ausgebildet sind, lösbar mit dem ersten Abschnitt (35) oben angebracht.

4. Ein Zeitsteuersystem (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilschäfte (13) sämtlich parallel zueinander und zu der Achse des Zylinders (3) angeordnet sind.

5. Ein Zeitsteuersystem (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilschäfte (13) geneigt sind relativ zur Achse des Zylinders (3) und mit den Stößeln (12) über schräge Stützflächen (50, 51) zusammenwirken, wobei die schrägen Stützflächen (51) der Stößel der seitlichen Ventile (6) doppelt schräg sind, um so schräg relativ zu den entsprechenden Ventilschäften (13) angeordnet zu sein.

6. Ein Zeitsteuersystem (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stößel (12) seitlich nebeneinander angeordnet sind und zentral längs der Achse (14) der Nockenwelle (10) ausgefluchtet sind, wobei die Ventilschäfte (13) alternierend auf einander abgekehrten Seiten der Achse (14) der Nockenwelle angeordnet sind.

7. Ein Zeitsteuersystem (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schäfte der seitlichen Ventile (6) spiegelsyinmetrisch relativ zu den Achsen (20) der entsprechenden Stößel (12) angeordnet sind.

8. Ein Zeitsteuersystem (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Exzentrizität (E1) für jeden Ventilschaft (13) und zugeordneten Stößel (12) dieselbe ist.