DE10055595A1

DE10055595A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zylinderabschaltung bei Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE10055595A1
Application number: DE10055595A
Authority: DE
Inventors: Michael Haas; Walter Speil
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zylinderabschaltung bei Verbrennungsmotoren, insbesondere bei einem 4-Takt-Otto-Motor, der mehrere Zylinder mit Gaswechselventilen und mindestens eine Nockenwelle (10) aufweist, die von einer Kurbelwelle angetrieben ist. DOLLAR A Der Nachteil des Auskühlens der abgeschalteten Zylinder wird dadurch vermieden, dass bei Betrieb mit Zylinderabschaltung jeder Zylinder in aufeinanderfolgenden Zyklen abwechselnd aktiviert und deaktiviert wird. Der dazu erforderliche Schaltaufwand wird dadurch minimiert, dass zur Betätigung eines jeden Gaswechselventils ein erster und ein zweiter Nocken (12, 13) vorgesehen sind, die beide volle Hubhöhe aufweisen und um den Drehwinkel eines Motorzyklus verdreht angeordnet sind, und dass der erste Nocken (12) ein hubkonstantes, der zweite Nocken (13) ein auf Nullhub schaltbares Bauteil eines Ventiltriebselements betätigt.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zylinderabschal tung bei Verbrennungsmotoren, insbesondere nach dem Oberbegriff des Ver fahrens- und des Vorrichtungsanspruchs 1 und 2.

Hintergrund der Erfindung

Zylinderabschaltung wird bei Otto-Motoren im Teillastbereich angewendet. Sie wird durch Abschalten der Kraftstoffeinspritzung und der Gaswechselventile bei den nicht feuernden Zylindern verwirklicht. Durch Zylinderabschaltung wird der Mitteldruck der feuernden Zylinder erhöht und ihre Ansaugseite entdrosselt. Dadurch und durch das Abschalten der Gaswechselventile sinken die Drossel- bzw. Gaswechselverluste. Mit steigendem Mitteldruck steigt auch der thermo dynamische Wirkungsgrad. Alle drei Faktoren führen zur Absenkung des Kraft stoffverbrauchs und der Schadstoffemission.

In der DE-30 46 402 wird eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors für Zy linderabschaltung beschrieben. Dieser weist neben konventionellen, einstüc kig mit der Nockenwelle ausgebildeten Nocken solche auf, die von der Noc kenwelle abkoppelbar und damit frei auf derselben drehbar sind. Letztere kön nen die zugehörigen Gaswechselventile nicht mehr antreiben, so dass die be troffenen Zylinder gaswechselseitig abgeschaltet sind. Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis die abgekoppelten Nocken wieder drehfest mit der Noc kenwelle verbunden sind.

Bei dieser Lösung bestehen während der Zylinderabschaltung dauernd akti vierte neben dauernd deaktivierten Zylindern. Letztere kühlen dabei immer weiter aus, was beim Reaktivieren zu Emissions-, Verbrauchs-, und Lei stungsproblemen führt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Verbren nungsmotor mit Zylinderabschaltung zu schaffen, der verbrauchsgünstig und emissions- sowie verschleißarm ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird zum einen durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfah rensanspruchs 1 gelöst. Durch den zyklischen Wechsel von Aktivierung und Deaktivierung bleiben alle Zylinder betriebswarm. Dadurch sind optimale Ver hältnisse bezüglich Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission und Leistungsan nahme gegeben.

Die Aufgabe wird auch durch die kennzeichnenden Merkmale des Vorrich tungsanspruchs 2 gelöst. Auf diese Weise ist während der Zylinderabschaltung der erste Nocken immer dem aktivierten, der zweite Nocken immer dem deakti vierten Zyklus zugeordnet. Der Verbrennungsmotor arbeitet dann gleichsam im 8-Takt. Dabei folgen den üblichen 4 Arbeitstakten 4 Leertakte, die wiederum von 4 Arbeitstakten abgelöst werden usw. Durch die erfindungsgemäße Anord nung und Ausbildung der beiden Nocken in Verbindung mit bekannten, schalt baren Ventiltriebselementen, funktioniert der erfindungsgemäße, alternierende Zünd-Aussetzerbetrieb ohne weitere Schaltvorgänge zwischen dem Ein- und Ausschalten der Zylinderabschaltung. Dadurch arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung weitgehend verschleißfrei.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die ersten und zweiten Nocken einen Drehwinkelabstand von 180° Nockenwinkel aufweisen und die Drehzahl der Nockenwelle 1/4 der Kurbelwellendrehzahl beträgt. Um eine gleichmäßige Abfolge der aktivierten und deaktivierten Zyklen zu verwirk lichen, müssen die ersten und zweiten Nocken auf der Nockenwelle symme trisch, d. h. um 180° Nockenwinkel drehversetzt angeordnet sein. Die Nocken welle hat demnach nur 180° Nockenwinkel für einen Motorzyklus zur Verfü gung. Da ein Motorzyklus jedoch 720° Kurbelwinkel = 4 × 180° Nockenwinkel umfasst, darf sich die Nockenwelle nur mit einem Viertel der Kurbelwellendreh zahl drehen.

Von Vorteil ist, dass das Ventiltriebselement vorzugsweise ein Schaltstößel in Gestalt eines schaltbaren Tassenstößels ist, der als hubkonstantes Bauteil einen zylindrischen Innenstößel und als auf Nullhub schaltbares Bauteil einen ringförmigen Außenstößel aufweist. Hierbei handelt es sich um ein bewährtes Bauelement, das sich der vorliegenden Aufgabe durch geringfügige Änderun gen anpassen lässt. Alternativ können auch schaltbare Kipp-, Schwing-, und Schlepphebel sowie Rollenstößel verwendet werden.

Die Schaltbarkeit des Schaltstößels wird dadurch erreicht, dass beide Stößel zueinander axial bewegbar und durch Koppelelemente koppel- bzw. entkop pelbar sind, wobei die Koppelelemente gegen Federkraft hydraulisch in radialer Richtung zwischen den Stößeln verlagerbar sind.

Dadurch, dass der Innen- und der Außenstößel Nockenberührungsflächen von annähernd gleicher und für aktivierten Dauerbetrieb ausreichender Größe aufweisen, kann mit beiden Stößeln ein aktivierter Dauerbetrieb gefahren werden. Es ist vorteilhaft, dass der den Innenstößel antreibende erste Nocken als Ein zelnocken und der den Außenstößel antreibende zweite Nocken als Doppel nocken ausgebildet sind. Dadurch werden die Nockenberührungsflächen opti mal genutzt und der Tassenstößel symmetrisch beansprucht.

Vorteilhaft ist auch, wenn die Nockenberührungsfläche des Innenstößels recht eckig ausgebildet ist und die ringförmige Nockenberührungsfläche des Außen stößels mit Spiel übergreift. Auf diese Weise ist die erste Nockenberührungs fläche nach Form und Größe dem ersten Nocken optimal angepasst. Die Mit nahme des Außenstößels durch die diesen übergreifende Nockenberührungs fläche des Innenstößels im Falle der Zylinderabschaltung ist funktionsirrele vant.

Es hat Vorteile, dass bei 6-Zylindermotoren die Nocken des in Zündfolge je weils nächsten Zylinders gegenüber dem vorangegangenen um 30° Nocken winkel und zusätzlich um weitere 180° Nockenwinkel verdreht angeordnet sind. Der Zündabstand beträgt beim 6-Zylindermotor 720 : 6 = 120° Kurbelwinkel, was 30° Nockenwinkel bei der erfindungsgemäßen Nockenwelle entspricht.

Beim Betrieb mit Zylinderabschaltung werden zur Minimierung der Drehun gleichförmigkeit die Zylinder in Zündfolge abwechselnd aktiviert und deakti viert. Dazu müssen abwechselnd der erste und der zweite Nocken in Zündfolge wirksam sein. Das bedingt zusätzlich zum Zündabstand von 30° Nockenwinkel ein Verdrehen der Nocken um weitere 180° Nockenwinkel.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass eine elektronische Dreh zahlregelung zum Ausgleich von durch Zylinderabschaltung verursachten Drehzahlschwankungen des Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Hier kom men bekannte Lösungen wie z. B. E-Gas in Betracht, die den Bedienungskom fort und die Laufkultur des Verbrennungsmotors erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung, den Patentansprüchen und der dazugehörigen Zeichnung, auf der Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Querschnitt B-B der Fig. 3 durch einen erfindungsgemä ßen Schaltstößel;

Fig. 2 Einen Querschnitt A-A der Fig. 3 durch den Schaltstößel;

Fig. 3 Eine teilgeschnittene Draufsicht auf den Schaltstößel;

Fig. 4 Einen Teil einer Nockenwelle mit ersten und zweiten Nocken zur Betätigung der Schaltstößel

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Schaltstößel 1, der als schaltbarer Tassen stößel ausgebildet ist und der einen Innenstößel 2 und einen Außenstößel 3 aufweist. Da der Schaltstößel ein in der Fachwelt bekanntes Bauelement ist, werden nur seine wesentlichen Bauteile und deren erfindungsgemäße Modifi kationen erläutert.

Der Innenstößel 2 weist eine zylindrische Innenbüchse 4 auf, die in einer zylin drischen Außenbüchse 5 des Außenstößels verdrehfest geführt und axial ver schiebbar ist. Innen- und Außenstößel 2, 3 sind durch Koppelelemente 6 mit einander koppelbar, wobei die Koppelelemente 6 gegen Federkraft hydraulisch in radialer Richtung zwischen dem Innen- und Außenstößel 2, 3 verlagerbar sind.

Beide Stößel 2, 3 weisen an ihren nockenseitigen Enden Nockenberührungs flächen 7, 8 auf. Die erste Nockenberührungsfläche 7 des Innenstößels 2 ist rechteckig gestaltet und übergreift die ringförmige zweite Nockenberührungs fläche 8 des Außenstößels 3. Beide Nockenberührungsflächen 7, 8 besitzen die gleiche wirksame Fläche und sind für Dauerbetrieb bei vollem Ventilhub geeignet.

Im Innenstößel 2 ist ventilseitig ein bekanntes hydraulisches Spielausgleich selement 9 vorgesehen.

In Fig. 4 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen Nockenwelle 10 dargestellt, die zwei identische Nockenpakete 11 für die Ein- oder Auslaßventile eines 4- Ventilkopfs aufweist. Die Nockenpakete 11 bestehen aus einem ersten und einem zweiten Nocken 12, 13, die beide gleichen Profilhub aufweisen und um 180° Nockenwinkel gegeneinander verdreht angeordnet sind.

Der erste Nocken 12 ist als Einzelnocken zum Antrieb des Innenstößels 2, der zweite Nocken 13 als Doppelnocken zum Antrieb des Außenstößels 3 ausge bildet.

Die erfindungsgemäße Nockenwelle 10 dreht sich mit 1/4 der Kurbelwellen drehzahl. Daraus ergibt sich für einen 6-Zylindermotor ein Zündabstand auf der Nockenwelle 10 von 120° Kurbelwinkel: 4 = 30° Nockenwinkel.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zylinderabschaltung funktioniert fol gendermaßen:
Die Schaltstößel 1 werden von den Nockenpaketen 11 beaufschlagt. Der erste Nocken 12 treibt den Innenstößel 2 an, der über das hydraulische Spielaus gleichselement 9 ein Ein- oder Auslaßventil betätigt. Nach Drehen der Noc kenwelle 10 um 180° Nockenwinkel (das entspricht 4 × 180 = 720° Kurbelwin kel = einem Zyklus) treibt der zweite Nocken 13 den Außenstößel 3 an. Ist die ser über die Öldruck beaufschlagten Koppelelemente 6 mit dem Innenstößel 2 gekoppelt, werden auch in diesem Fall die Ein- oder Auslaßventile über den Innenstößel 2 betätigt, so dass ein normaler 4-Takt-Betrieb vorliegt.

Ist der Außenstößel 3 vom Innenstößel 2 auf Grund fehlenden Öldrucks ent koppelt, führt die Betätigung des Außenstößels 3 zu einem Leerhub desselben, so dass die Ein- und Auslaßventile geschlossen bleiben und so eine Zylinder abschaltung bewirken. Nach einer Verdrehung der Nockenwelle 10 um weitere 180° Nockenwinkel = 720° Kurbelwinkel = einem Zyklus, kommt der erste Noc ken 12 wieder zum Einsatz und öffnet über die Innenstößel 2 ohne Schaltvor gang die Ein- und Auslaßventile. Auf diese Weise folgen alternierend ein akti vierter und ein deaktivierter Zyklus, ohne dass ein Schaltvorgang erforderlich ist. Der Verbrennungsmotor arbeitet gleichsam im 8-Takt, wobei die letzten 4 Takte als Leertakte fungieren. Da die Koppelelemente nicht bei jedem Zyklus wechsel, sondern nur beim Ein- und Ausschalten der Zylinderabschaltung be tätigt werden müssen, besteht keine Verschleißgefahr für dieselben. Durch den zwischen aktiviertem und deaktiviertem Betrieb alternierenden Zylindern kön nen diese nicht auskühlen. Dadurch werden die durch Auskühlen bedingten Nachteile bezüglich Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission und Leistungsver halten vermieden.

Beim 6-Zylindermotor beträgt der Zündabstand 120° Kurbelwinkel, was auf der erfindungsgemäßen Nockenwelle 30° Nockenwinkel entspricht. Da bei Zylin derabschaltungen in der Zündfolge einem aktivierten ein deaktivierter Zylinder folgt, muss zur entsprechenden Betätigung bzw. Nichtbetätigung der Gaswech selventile einem ersten Nocken 12 ein zweiter Nocken 13 folgen. Das bedeutet aber, dass die Nockenpakete 11 des in Zündfolge nächsten Zylinders gegen über denen seines Vorgängers zusätzlich zu den 30° Nockenwinkel um weitere 180° Nockenwinkel verdreht sein müssen.

Bezugszeichenliste

1

Schaltstößel

2

Innenstößel

3

Außenstößel

4

Innenbüchse

5

Außenbüchse

6

Koppelelement

7

erste Nockenberührungsfläche

8

zweite Nockenberührungsfläche

9

hydraulisches Spielausgleichselement

10

Nockenwelle

11

Nockenpaket

12

erster Nocken

13

zweiter Nocken

Claims

1. Verfahren zur Zylinderabschaltung bei Verbrennungsmotoren, insbe sondere bei einem 4-Takt-Otto-Motor, der mehrere Zylinder mit Gas wechselventilen und mindestens eine Nockenwelle (10) aufweist, die von einer Kurbelwelle angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb mit Zylinderabschaltung jeder Zylinder in aufeinanderfolgen den Zyklen abwechselnd aktiviert und deaktiviert wird.

2. Vorrichtung zur Zylinderabschaltung bei Verbrennungsmotoren, insbe sondere bei einem 4-Takt-Otto-Motor, der mehrere Zylinder mit Gas wechselventilen und mindestens eine Nockenwelle (10) aufweist, die von einer Kurbelwelle angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung eines jeden Gaswechselventils ein erster und ein zweiter Nocken (12, 13) vorgesehen sind, die beide volle Hubhöhe aufweisen und um den Drehwinkel eines Motorzyklus verdreht angeordnet sind, und dass der erste Nocken (12) ein hubkonstantes, der zweite Nocken (13) ein auf Nullhub schaltbares Bauteil eines Ventiltriebselements be tätigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Nocken (12, 13) einen Drehwinkelabstand von 180° Noc kenwinkel aufweisen und die Drehzahl der Nockenwelle (10) 1/4 der Kurbelwellendrehzahl beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ven tiltriebselement vorzugsweise ein Schaltstößel (1) in Gestalt eines schaltbaren Tassenstößels ist, der als hubkonstantes Bauteil eines zy lindrischen Innenstößels (2) und als auf Nullhub schaltbares Bauteil ei nen ringförmigen Außenstößel (3) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stößel (2, 3) zueinander axial bewegbar und durch Koppelelemente (6) koppel- bzw. entkoppelbar sind, wobei die Koppelelemente (6) gegen Federkraft hydraulisch in radialer Richtung zwischen den Stößeln (2, 3) verlagerbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der In nen- und der Außenstößel (2, 3) Nockenberührungsflächen (7, 8) von annähernd gleicher und für aktivierten Dauerbetrieb ausreichender Grö ße aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Innenstößel (2) antreibende erste Nocken (12) als Einzelnocken und der den Außenstößel (3) antreibende zweite Nocken (13) als Doppelnocken ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Noc kenberührungsfläche (7) den Innenstößels (2) rechteckig ausgebildet ist und die ringförmige Nockenberührungsfläche (8) des Außenstößels (3) mit Spiel übergreift.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei 6- Zylindermotoren die Nocken (12, 13) des in Zündfolge jeweils nächsten Zylinders gegenüber dem vorangegangenen um 30° Nockenwinkel und zusätzlich um weitere 180° Nockenwinkel verdreht angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Drehzahlregelung zum Ausgleich von durch Zylinderab schaltung verursachten Drehzahlschwankungen des Verbrennungsmo tors vorgesehen ist.