WO2012079794A1 - Verstellsystem für gaswechselventile von hubkolbenbrennkraftmaschinen - Google Patents

Verstellsystem für gaswechselventile von hubkolbenbrennkraftmaschinen Download PDF

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Claudia Zielinski
Michael Bogner
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    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • F01L13/0036—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction
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Definitions

  • Field of the Invention Displacement system of reciprocating internal combustion engine gas exchange valves with a camshaft driven by a crankshaft of the internal combustion engine, with adjusting cams fixedly mounted on the camshaft and operatively connected to actuators, which control the gas exchange valves, and with a device for axial displacement of the camshaft ,
  • the object of the invention is therefore to improve an adjustment system of the type described and to simplify and to solve the problems mentioned.
  • the object of the invention is achieved in that the adjusting cams are designed as step cams with cams arranged next to one another and that the camshaft of the internal combustion engine having intake and / or exhaust cams is equipped with a step cam.
  • the camshaft is axially loaded on the one hand by a spring and on the other hand it is driven axially by preferably a hydraulically or electrically actuated actuator.
  • the system is designed so that the preferred axial position is predetermined by the spring.
  • the actuator can then be depressurized or de-energized.
  • the step cam has in its peripheral region at least one displacement groove which can be contacted with at least one pin of a preferably electromagnetically actuated, stationary adjustment device, wherein the profile of the displacement groove or displacement grooves is selected such that the intervention of the or the pins causes axial displacement of the step cam and the camshaft.
  • the displacement grooves can be arranged on the step cam, preferably on the base circle, or on the camshaft, outside the step cam, or on a control disk which is connected to the camshaft.
  • the locking cam or the camshaft has a locking device in communication with it, the step cam and the camshaft the position of the cams to the actuator locked axially fitting.
  • This can be done by a spring-loaded locking body, which is stationary with locking grooves on the camshaft or the step cam in operative connection.
  • the locking device can also be arranged in an advantageous manner between the camshaft and a drive wheel which will be described below.
  • the drive wheel of the camshaft is arranged axially displaceable on the camshaft and axially fixed to the housing or a component of the housing of the internal combustion engine. Therefore, the drive wheel without further measures part of a chain or belt drive between the crankshaft and the camshaft or be.
  • the transmission profile between the camshaft and the drive wheel can be aligned axially parallel to the camshaft, in which case only a displacement, but not a rotation of the camshaft relative to the drive wheel takes place.
  • a desired rotation and thus also a phase change of the camshaft are given when the transmission profile between the camshaft and the drive wheel has a torsion curve. Then the camshaft is additionally rotated when displaced in the drive wheel.
  • the transmission profile can be designed as a linear bearing, in particular rolling element linear bearings.
  • FIG. 1 shows a side view of a camshaft with stepped cam and partial section through a drive wheel
  • Figure 2 a similar side view as Figure 1 with modified axial displacement.
  • FIGS. 1 and 2 designates a camshaft on which a step cam 2 is arranged in a rotationally and axially fixed manner.
  • the step cam 2 has arranged side by side cams 3 and 3a, which have different cam elevations at an unchanged base circle.
  • the camshaft 1 is guided in bearings 4 shown only sketched and there also axially slidably arranged.
  • a drive wheel 5 is provided, which is arranged axially displaceably on the camshaft 1.
  • the transmission profile between the camshaft 1 and the drive wheel 5 is formed twisted, while the transmission profile is performed in Figure 2 axially parallel to the camshaft 1.
  • the drive wheel 5 is, not shown, axially guided in a housing, in particular the cylinder head of a reciprocating piston engine and possibly stored separately from the camshaft 1, so that an axial displacement of the camshaft 1 is not transmitted to the drive wheel 5.

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Abstract

Verstellsystem für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle (1), mit fest auf der Nockenwelle (1) angeordneten Verstellnocken, die mit Betätigungselementen in Wirkverbindung stehen, wobei diese die Gaswechselventile beherrschen, und mit einer Vorrichtung zur axialen Verschiebung der Nockenwelle (1), wobei die Verstellnocken als Stufennocken (2) mit nebeneinander angeordneten Nockenscheiben (3) ausgebildet sind und wobei die Einlass- und/oder Auslassnocken aufweisende Nockenwelle (1) der Brennkraftmaschine mit einem Stufennocken (2) ausgerüstet ist.

Description

Bezeichnung der Erfindung Verstellsystem für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschlnen Beschreibung
Gebiet der Erfindung Verstellsystem für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschlnen mit einer von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle, mit fest auf der Nockenwelle angeordneten Verstellnocken, die mit Betätigungselementen in Wirkverbindung stehen, wobei diese die Gaswechselventile beherrschen, und mit einer Vorrichtung zur axialen Verschiebung der Nocken- welle.
Hintergrund der Erfindung Ein derartiges Verstellsystem ist durch die WO 95/20720 bekannt. Bei diesem System sind die Verstellnocken als Raumnocken ausgebildet, die ausgehend von dem Grundkreis in einem sich laufend erweiternden Wulst eine stufenlose Hubkurvenverstellung ermöglichen. Bei derartigen Raumnocken besteht das Problem, dass das Betätigungselement entlang des Raumnockens und auf dessen Umfang laufend Kippbewegungen vollführen muss, was zu unerwünschten Schrägbelastungen und Kippbewegungen an dem Betätigungselement führt. Dies ist umso schwerwiegender, weil die Nockenwelle heutiger Brennkraftmaschinen leicht Drehzahlen von 3500 U/min und mehr aufweist. Des Weiteren ist bei diesem System das Antriebsrad auf der Nockenwelle fest angeordnet, so dass ein axialer Verschieberaum erforderlich ist und ein mit dem Antriebsrad kämmendes Rad als Zwischenrad, das eine eigene Lagerung und Führung benötigt. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verstellsystem der beschriebenen Art zu verbessern und zu vereinfachen und die genannten Probleme zu beheben.
Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Verstellnocken als Stufennocken mit nebeneinander angeordneten Nockenscheiben ausgebildet sind und dass die Einlass- und/oder Auslassnocken aufweisende Nockenwelle der Brennkraftmaschine mit einem Stufennocken ausgerüstet ist.
Dabei erfolgt die Verschiebung der Nockenwelle passend zu den Nocken- Scheiben stufenweise dann, wenn das Betätigungselement den den Nockenscheiben gemeinsamen Grundkreis kontaktiert. Dies bedeutet, dass dieser erfindungsgemäße Vorschlag für die Anwendung bei einem Einzylindermotor, z.B. Motorradmotor gedacht ist, da bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine nicht die Möglichkeit besteht, die gesamte Nockenwelle mit mehreren Stufennocken zu verschieben, ohne dass eine Behinderung der Erhebungskurven der Nockenscheiben durch eines oder mehrerer Betätigungselemente, die als Schlepphebel, Kipphebel, Tassenstößel oder dergl. ausgebildet sein können, erfolgt.
Gerade aber für einzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist dies eine ein- fache und kostengünstige Lösung.
In vorteilhafter Weise ist die Nockenwelle einerseits durch eine Feder axial belastet und andererseits wird sie axial durch vorzugsweise einen hydraulisch oder elektrisch betätigten Aktuator angesteuert.
Dabei ist das System so ausgelegt, dass die bevorzugte Axiallage durch die Feder vorgegeben ist. Der Aktuator kann dann drucklos oder stromlos geschaltet sein. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Stufennocken in seinem Umfangsbereich zumindest eine Verschiebenut auf, die mit zumindest einem Pin einer, vorzugsweise elektromagnetisch betätigbaren, ortsfesten Versteilvorrichtung kontaktierbar ist, wobei der Verlauf der Verschiebenut oder Ver- schiebenuten so gewählt ist, dass das Eingreifen des oder der Pins eine Axialverschiebung des Stufennockens und der Nockenwelle verursacht. Dieses System der Verschiebenuten und der Versteilvorrichtung mittels zumindest eines ausfahrbaren Pins ist bei Nocken, die auf einer feststehenden Nockenwelle hin- und hergeschoben werden, bekannt, nicht jedoch bei dem vorliegenden Sys- tem.
Die Verschiebenuten können bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag an dem Stufennocken, vorzugsweise am Grundkreis, oder an der Nockenwelle, außerhalb des Stufennockens, oder an einer Steuerscheibe, die mit der Nockenwelle verbunden ist, angeordnet sein.
Um auch dann, wenn der Pin nicht in Eingriff mit der Verschiebenut steht, eine sichere Axiallage der Nockenwelle und des Stufennockens zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass mit dem Stufennocken oder der Nockenwelle eine Arretiervorrichtung in Verbindung steht, die den Stufennocken und die Nocken- welle der Lage der Nockenscheiben zu dem Betätigungselement passend axial arretiert. Dies kann durch einen federbelasteten Arretierkörper erfolgen, der ortsfest mit Arretiernuten auf der Nockenwelle oder dem Stufennocken in Wirkverbindung steht. Die Arretiervorrichtung kann auch in vorteilhafter Weise zwischen der Nockenwelle und einem im Folgenden noch beschriebenen Antriebs- rad angeordnet sein.
In vorteilhafter Weise wird nämlich vorgeschlagen, dass das Antriebsrad der Nockenwelle axial verschiebbar auf der Nockenwelle und axial fest am Gehäuse oder einem Bauteil des Gehäuses der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Deshalb kann das Antriebsrad ohne weitere Maßnahmen Bestandteil eines Ketten- oder Riementriebes zwischen der Kurbelwelle und der bzw. den Nockenwellen sein. Dabei kann das Übertragungsprofil zwischen der Nockenwelle und dem Antriebsrad achsparallel zur Nockenwelle ausgerichtet sein, wobei dann nur eine Verschiebung, nicht aber eine Verdrehung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad erfolgt.
Eine gewünschte Verdrehung und damit auch eine Phasenänderung der Nockenwelle sind dann gegeben, wenn das Übertragungsprofil zwischen der Nockenwelle und dem Antriebsrad einen Torsionsverlauf aufweist. Dann wird die Nockenwelle bei Verschiebung im Antriebsrad zusätzlich verdreht.
Um die Verschiebung der Nockenwelle im Antriebsrad zu erleichtern, kann das Übertragungsprofil als Linearlager, insbesondere Wälzkörper-Linearlager, ausgebildet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind.
Es zeigen: Figur 1 : eine Seitenansicht einer Nockenwelle mit Stufennocken und Teilschnitt durch ein Antriebsrad
und
Figur 2: eine ähnliche Seitenansicht wie Figur 1 mit modifizierter Axialverschiebung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In den Figuren 1 und 2 ist mit 1 eine Nockenwelle bezeichnet, auf der ein Stu- fennocken 2 dreh- und axialfest angeordnet ist. Der Stufennocken 2 hat nebeneinander angeordnete Nockenscheiben 3 und 3a, die unterschiedliche Nockenerhebungen bei einem unveränderten Grundkreis aufweisen. Die Nockenwelle 1 ist in nur skizziert dargestellten Lagern 4 geführt und dort auch axial verschiebbar angeordnet. An einem Ende der Nockenwelle 1 ist ein Antriebsrad 5 vorgesehen, das axial verschiebbar auf der Nockenwelle 1 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist das Übertragungsprofil zwischen der Nockenwelle 1 und dem Antriebsrad 5 tordiert ausgebildet, während das Übertragungsprofil in Figur 2 achsparallel zur Nockenwelle 1 ausgeführt ist. Das Antriebsrad 5 ist, nicht dargestellt, in einem Gehäuse, insbesondere dem Zylinderkopf einer Hubkolbenkraftmaschine axial geführt und ggf. getrennt von der Nockenwelle 1 gelagert, so dass eine axiale Verschiebung der Nockenwelle 1 nicht auf das Antriebsrad 5 übertragen wird.
In Figur 1 weist die Axialverstellung der Nockenwelle 1 eine Feder 6 auf, die zur Reibverminderung mittels einer Kugel koaxial zur Mittelachse der Nockenwelle 1 diese kontaktiert. Auf der gegenüberliegenden Seite ist ein Aktuator 7 angebaut, der ebenfalls über eine Kugel mit der Nockenwelle 1 in Verbindung steht. Ist der Aktuator 7, der elektromagnetisch oder auch hydraulisch betätigt ausge- führt sein kann, ström- oder drucklos, so verschiebt die Feder 6 die Nockenwelle 1 so weit nach rechts, dass die Nockenscheibe 3 mit dem größeren Hub mit einem nicht dargestellten Betätigungselement in Wirkverbindung steht. Wird der Aktuator 7 betätigt und um ein bestimmtes Maß nach links verschoben, wobei diese Verschiebung dann erfolgt, wenn das Betätigungselement sich im Bereich des Grundkreises des Stufennockens 2 befindet, so steht das Betätigungselement danach mit der Nockenscheibe 3a mit dem kleineren Hub in Wirkverbindung. Gleichzeitig erfolgt in Figur 1 während des Verschiebens auch eine zusätzliche Verdrehung der Nockenwelle 1 in dem Antriebsrad 5, so dass auch eine Änderung der Phasenlage des Stufennockens 2 bewirkt wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 erfolgt keine Verdrehung der Nockenwelle 1 im Antriebsrad 5, weil das Übertragungsprofil achsparallel ausgebildet ist. Die Verschiebung erfolgt mittels einer Verschiebenut 8, in die ein Pin 9 und/oder ein Pin 9a durch Radialbewegung eingreifen kann. Die Pins sind in einer ortsfesten Verstellvorrichtung angeordnet und können elektromagnetisch zumindest ausgefahren werden.
Greift eine der Pins 9 oder 9a in die Verschiebenut 8 ein, so folgt eine Verschiebung der Nockenwelle 1 und des Stufennockens 2, wobei auch hier die Verschiebung dann erfolgt, wenn das nicht dargestellte Betätigungselement sich im Bereich des Grundkreises des Stufennockens 2 befindet.
Bezugszei chen I iste
Nockenwelle
Stufennocken
Nockenscheibe
a Nockenscheibe
Lager
Antriebsrad
Feder
Aktuator
Verschiebenut
Pin
a Pin

Claims

Patentansprüche
1. Verstellsystem für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschi- nen mit einer von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle (1 ), mit fest auf der Nockenwelle (1) angeordneten Verstellnocken, die mit Betätigungselementen in Wirkverbindung stehen, wobei diese die Gaswechselventile beherrschen, und mit einer Vorrichtung zur axialen Verschiebung der Nockenwelle (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellnocken als Stufennocken (2) mit nebeneinander angeordneten Nockenschei- ben (3, 3a) ausgebildet sind und dass die Einlass- und/oder Auslassnocken aufweisende Nockenwelle (1 ) der Brennkraftmaschine mit einem Stufennocken (2) ausgerüstet ist.
2. Verstellsystem nach Anspruch 1 . dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Nockenwelle (1 ) passend zu den Nockenscheiben (3) stufenweise dann erfolgt, wenn das Betätigungselement sich im Bereich des den Nockenscheiben (3, 3a) gemeinsamen Grundkreises befindet.
3. Verstellsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Nockenwelle (1 ) einerseits durch eine Feder (6) axial belastet ist und andererseits mit einem Aktuator (8) in Wirkverbindung steht.
4. Verstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugte Axiallage der Nockenwelle (1 ) durch die Feder (6) vorgegeben ist.
5. Verstellsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufennocken (2) in seinem Umfangsbereich zumindest eine Verschiebenut (8) aufweist, die mit zumindest einem Pin (9 oder 9a) einer, vorzugsweise elektromagnetisch betätigbaren, ortsfesten Verstellvorrichtung kontaktierbar ist, wobei der Verlauf der Verschiebenut(en) (8) so gewählt ist, dass das Eingreifen der Pins (9, 9a) eine Axialverschiebung des Stufennockens (2) und der Nockenwelle (1 ) in die eine oder andere Richtung verursacht.
6. Verstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebenuten (8) direkt auf der Nockenwelle (1 ) oder einer mit der Nockenwelle (1 ) verbundenen Steuerscheibe angebracht sind.
7. Verstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Stufennocken (2) oder der Nockenwelle (1 ) eine Arretiervorrichtung in Verbindung steht, die den Stufennocken (2) oder die Nockenwelle (1 ) der Lage der Nockenscheiben (3, 3a) zu dem Betätigungselement passend axial arretiert.
8. Verstell System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (5) der Nockenwelle (1 ) axial verschieb- bar auf der Nockenwelle (1) und zumindest axialfest an einem Gehäuse oder einem Bauteil eines Gehäuses der Brennkraftmaschine geführt ist.
9. Verstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsprofil zwischen der Nockenwelle (1 ) und dem Antriebsrad (5) achsparallel zur Nockenwelle (1 ) ausgerichtet ist.
10. Verstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsprofil zwischen der Nockenwelle (1 ) und dem Antriebsrad (5) einen Torsionsverlauf aufweist.
PCT/EP2011/066860 2010-12-17 2011-09-28 Verstellsystem für gaswechselventile von hubkolbenbrennkraftmaschinen WO2012079794A1 (de)

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