DE19521141C2

DE19521141C2 - Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19521141C2
Application number: DE19521141A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2015-06-10
Also published as: US5647310A; JP3435612B2; DE19521141A1; JPH07332027A

Description

Die Erfindung betrifft einen Auslaßventilmechanismus für Kol benkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 4.

In einer Kolbenkraftmaschine wie etwa einem Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge wird das Auslaßventil im allgemeinen durch einen Nocken angetrieben, der sich im konstanten Verhältnis zur Kurbelwelle dreht.

Wenn in diesem Fall das Ventil bei dem Versuch, die Ausstoßströmungsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, plötzlich geöffnet wird, findet eine schnelle Austreibung oder Druckentspannung der Verbrennungsgase aus dem Motor statt, so daß das Ausstoßpulsationsgeräusch zunimmt.

Beispielsweise ist aus der JP 1-159417-A (veröffentlicht 1989) eine Anordnung für einen Motor mit zwei Auslaßven tilen pro Zylinder bekannt, bei der diese Auslaßventile durch Änderung der Form der sie antreibenden Nocken mit unterschiedlichen Zeitverläufen geöffnet werden, so daß die Druckentspannung über sämtliche Zylinder hinweg gleichmäßiger erfolgt.

Da jedoch für jedes Auslaßventil ein eigener Nocken vorgesehen werden muß, wird die Konstruktion des Ventil mechanismus kompliziert und teuer. Darüber hinaus kann dieses System nicht auf einen Motor mit lediglich einem Auslaßventil pro Zylinder angewandt werden.

Aus der EP 0 574 867 A1 ist ein veränderter Zeitverlauf für das Schließen eines Einlaßventils durch einen asymmetrischen Nocken bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Auslaß ventilmechanismus der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem das Ausstoßpulsationsgeräusch unabhängig von der Anzahl der Auslaßventile pro Zylinder, insbesondere hinsichtlich seiner hohen Frequenzkomponente, in kostengünstiger Weise re duziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Auslaß ventilmechanismus nach den Ansprüchen 1 und 4 gelöst. Bevor zugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len und zugehörigen Zeichnungen beschrieben. In diesen zei gen:

Fig. 1 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwi schen der Hubbeschleunigung des Auslaßventils und des Kurbelwinkels gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Gruppe von Graphen zur Erläuterung des Hubbe trages, der Hubgeschwindigkeit und der Hubbeschleu nigung eines Auslaßventils für eine Umdrehung einer Kurbelwelle sowohl gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform als auch gemäß einem Vergleichsbei spiel,

Fig. 3 eine Gruppe von Graphen zur Erläuterung der Bezie hung zwischen der Ausstoßgeschwindigkeit im Auslaß ventil und dem Kurbelwinkel bei verschiedenen Mo tordrehzahlen sowohl gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform als auch gemäß dem Vergleichsbei spiel,

Fig. 4 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwi schen dem Ausstoßpulsationsgeräusch und der Motor drehzahl sowohl gemäß der ersten bevorzugten Aus führungsform als auch gemäß dem Vergleichsbei spiel,

Fig. 5 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwi schen dem Volumenwirkungsgrad und der Motordrehzahl sowohl gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform als auch gemäß dem Vergleichsbeispiel,

Fig. 6 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwi schen dem Pumpverlust und der Motordrehzahl sowohl gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform als auch gemäß dem Vergleichsbeispiel,

Fig. 7 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwi schen dem Verhältnis der maximalen Beschleunigungen und dem Ausstoßpulsationsgeräusch gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 8 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwi schen dem Verhältnis der maximalen Beschleunigungen und dem Abgasverlust bei zwei unterschiedlichen Motordrehzahlen,

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 2, in der eine zweite Ausführungsform veranschaulicht ist, und

Fig. 10 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 4, die sich auf die zweite Ausführungsform bezieht.

Wie in Fig. 2 der Zeichnungen gezeigt, besitzt ein Auslaßven til gemäß der ersten, bevorzugten Ausführungsform einen Hub betrag, der in Fig. 2(A) durch eine Strichlinie gezeigt ist, eine Hubgeschwindigkeit, die in Fig. 2(B) durch eine Strich linie gezeigt ist, sowie eine Hubbeschleunigung, die in Fig. 2(C) durch eine Strichlinie gezeigt ist. Die durchgezogenen Linien in Fig. 2 zeigen das Vergleichsbeispiel. Dieses Abgas ventil ist in einer Kolbenkraftmaschine mit einer Kurbelwelle installiert. Die Kolbenkraftmaschine weist außerdem einen Nocken auf, der sich im Gleichlauf mit der Kurbelwelle dreht und das Auslaßventil öffnet und schließt.

Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, das Auslaßventil geöffnet wird, steigt seine Öffnungsgeschwindigkeit in einer Dämpfungszone mit einer vorgegebenen Beschleunigung in positiver Richtung (der Richtung, in der der Hubbetrag zunimmt) allmählich an. Anschließend wird das Auslaßven til um einen vorgegebenen Betrag vom Ventilsitz getrennt, wobei der Hub mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt, schließlich tritt das Auslaßventil bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel in eine Hubzone ein.

Im Bereich positiver Beschleunigung der Hubzone steigt die Beschleunigung zunächst allmählich in positiver Richtung direkt proportional zum Anstieg des Kurbelwin kels an, anschließend besitzt die Beschleunigung einen Maximalwert A₁ in positiver Richtung, in der das Ventil geöffnet wird. Das Auslaßventil wird dann mit allmählich ansteigender Geschwindigkeit in positiver Richtung ange hoben.

Nachdem die maximale Beschleunigung A₁ in positiver Richtung für einen vorgegebenen Kurbelwinkel aufrechter halten worden ist, während sich das Ventil öffnet, tritt das Ventil in eine Zone negativer Beschleunigung ein, in der das Ventil mit einer Beschleunigung in negativer Richtung verzögert wird.

In diesem Bereich mit negativer Beschleunigung nimmt die Geschwindigkeit in positiver Richtung bis zur maximalen Hubposition des Ventils allmählich ab, bis die Geschwin digkeit bei maximalem Hub den Wert 0 erreicht hat, an schließend ändert sich die Richtung der Geschwindigkeit, so daß das Ventil in Richtung zum Ventilsitz, d. h. in der Richtung, in der der Hubbetrag abnimmt, angetrieben wird.

Nach der maximalen Hubposition steigt die Geschwindigkeit in negativer Richtung aufgrund der negativen Beschleuni gung an, wobei das Ventil in den Bereich einer positiven Beschleunigung eintritt, während sich das Ventil schließt.

Im Bereich positiver Beschleunigung bei sich schließendem Ventil nimmt die Geschwindigkeit in negativer Richtung mit einer maximalen positiven Beschleunigung A₂ ab. Diese Beschleunigung A₂ wird für einen vorgegebenen Kurbelwin kel aufrechterhalten, woraufhin die Schließgeschwindig keit des Ventils verlangsamt wird und das Ventil in die Dämpfungszone eintritt, in der es allmählich mit dem Ventilsitz in Kontakt gelangt, wenn sich das Ventil schließt.

Vorzugsweise liegt der Maximalwert A₁ der positiven Beschleunigung bei sich öffnendem Ventil im Bereich von 60 bis 90% der maximalen positiven Beschleunigung A₂ bei sich schließendem Ventil. Gemäß der vorliegenden Ausfüh rungsform liegt der Maximalwert A₁ insbesondere bei 70%.

Die maximale Beschleunigung A₂ bei sich schließendem Ventil wird auf einen Betriebsgrenzwert gesetzt, derart, daß bei der höchsten eingestellten Motordrehzahl noch keine Rückprallwirkung auftritt.

Bei dem obenerwähnten Vergleichsbeispiel ist die maximale Beschleunigung B₁ bei sich öffnendem Ventil auf den Betriebsgrenzwert des Ventils gesetzt, die maximale Beschleunigung A₁ bei sich öffnendem Ventil gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch auf 75% diesem Maximalwerts B₁ gesetzt.

Der Öffnungszeitverlauf des Ventils ist so festgelegt, daß es um einen vorgegebenen Kurbelwinkel früher als jenes des oben erwähnten Vergleichsbeispiels öffnet. Selbst wenn die maxima le Beschleunigung A₁ bei sich öffnendem Ventil 60 bis 90% der maximalen Beschleunigung A₂ bei sich schließendem Ventil beträgt, liegt das Produkt aus der Ventilöffnungsfläche und der Öffnungsdauer in der gleichen Größenordnung wie dasjenige des obenerwähnten Vergleichsbeispiels.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist im Bereich positiver Beschleu nigung bei sich öffnendem Ventil die Position, an der die maximale Beschleunigung A₁ erreicht wird, auf ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt der Kurbelwelle gesetzt, der in Fig. 1 mit UT bezeichnet ist. Auf diese Weise wird die starke Änderung der Geschwindigkeit, mit der sich das Ventil bis 20° vor dem unteren Totpunkt öffnet, unter drückt, so daß sich das Ventil allmählich öffnet. Bei diesem Auslaßventil ist daher die Änderung der Geschwin digkeit, mit der sich das Ventil öffnet, gleichmäßiger als im obenerwähnten Vergleichsbeispiel, wie aus Fig. 2(B) hervorgeht.

Wie in den Fig. 3(A) und 3(B) gezeigt, ändert sich die Bewegung des Auslaßventils, die durch Strichlinien ge zeigt ist, für Motordrehzahlen im Bereich von 3000 bis 6000 min^-1 gleichmäßiger als im obenerwähnten Vergleichs beispiel, das durch die durchgezogene Linie dargestellt ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt das Ausstoßpulsations geräusch in der Umgebung von 2000 min^-1 und oberhalb von 3500 min^-1 erheblich ab, außerdem werden vor allem die Hochfrequenzkomponenten des Ausstoßpulsationsgeräusches gedämpft.

Der Auslaßventil-Zeitverlauf ist im Vergleich zum obener wähnten Vergleichsbeispiel wie in Fig. 2 gezeigt nach vorn verschoben, so daß das Produkt aus der Ventilöffnungsflä che und der Öffnungsdauer im wesentlichen nicht abnimmt. Im Ergebnis sind der Motorvolumenwirkungsgrad und der Anstieg des Pumpenverlustes weitaus geringer als im Ver gleichsbeispiel, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, so daß das Ausstoßpulsationsgeräusch ohne jegliche Abnahme des Mo torwirkungsgrades reduziert werden kann.

Der Grund, weshalb die maximale Beschleunigung A₁ während der Ventilöffnung in den Bereich von 60 bis 90% der maximalen Beschleunigung während der Ventilschließung gesetzt wird, wird nun beschrieben.

In den Fig. 7 und 8 ist anhand einer von den Erfindern ausgeführten numerischen Simulation die Beziehung zwi schen dem Verhältnis der maximalen Beschleunigungen, dem Ausstoßpulsationsgeräusch und dem Ausstoßverlust gezeigt, wobei das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen A₁/A₂ als Verhältnis der maximalen Beschleunigung A₁ bei sich öffnendem Ventil zu der maximalen Beschleunigung A₂ bei sich schließendem Ventil definiert ist.

In Fig. 7 ist die Verringerung des Ausstoßpulsationsge räusches besonders deutlich, wenn das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen 0,9 oder weniger beträgt, wobei das Ausstoßpulsationsgeräusch weiter abnimmt, wenn das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen abnimmt.

Wie in Fig. 8 gezeigt, muß jedoch bei einem Verhältnis der maximalen Beschleunigungen von weniger als 0,6 die Öffnungszeit voreilen, um das Produkt aus der Ventilöff nungsfläche und der Öffnungsdauer aufrechtzuerhalten.

Aus diesem Grund wird für das Verhältnis der maximalen Beschleunigungen ein Wert von 0,6 bis 0,9 festgesetzt, um einerseits das Pulsationsgeräusch abzusenken und anderer seits einen Anstieg des Ausstoßverlusts zu unterdrücken.

Nun wird der Grund beschrieben, weshalb die Beschleuni gung allmählich bis auf 20° vor dem unteren Totpunkt, d. h. bis zu der Position, bei der die maximale Beschleu nigung erreicht wird, erhöht wird. Der Anstieg der Aus stoßdruckentspannung ist definiert zwischen dem Zeit punkt, in dem sich das Ventil zu öffnen beginnt, bis zur Spitzenausstoß-Strömungsgeschwindigkeit. Anhand von Experimenten, die die Erfinder ausgeführt haben, hat sich gezeigt, daß bei Motordrehzahlen von mehr als 4000 min^-1, bei denen das Pulsationsgeräusch ansteigt, die Spitzen ausstoß-Strömungsgeschwindigkeit ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt erhalten wird. Daher wird durch langsa mes öffnen des Ventils bis zu dem Punkt, in dem die Strömungsgeschwindigkeit eine Spitze erreicht, der Anstieg der Druckentspannung gedämpft, außerdem wird das Pulsationsgeräusch reduziert und werden vor allem Hoch frequenzkomponenten verringert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher das Pulsati onsgeräusch reduziert werden, ohne daß mehrere Nocken mit unterschiedlichen Zeitverläufen wie im Stand der Technik notwendig sind. Mit anderen Worten, das Pulsationsge räusch kann unabhängig von der Anzahl der Auslaßventile pro Zylinder reduziert werden.

In den Fig. 9 und 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel ge zeigt.

In Fig. 9 ist der Zeitverlauf der Nocken des Vergleichs beispiel durch die Strichlinie gezeigt, während der Zeit verlauf der Nocken gemäß der zweiten Ausführungsform durch die durchgezogene Linie gezeigt ist. Der Maximalwert A₂′ der Beschleunigung bei sich schließendem Ventil ist auf 80% des Maximalwerts B₂′ der Strichlinie festgesetzt, die die Betriebsgrenze des Ventils bezeichnet. Ahnlich ist der Maximalwert A₁′ der Beschleunigung bei sich öffnendem Ventil auf 80% des Maximalwerts B₁′ der Strichlinie gesetzt. Die übrigen Merkmale sind die glei chen wie im Vergleichsbeispiel.

Durch Setzen der Maximalwerte A₁′, A₂′ der positiven Beschleunigung auf einen kleineren Wert als die Maximal werte B₁′ bzw. B₂′, d. h. der Betriebsgrenzwerte, wird der steile Anstieg der Druckentspannung gedämpft und wird das Ausstoßpulsationsgeräusch bei Motordrehzahlen in der Umgebung von 2000 min^-1 und oberhalb von 4000 min^-1 erheb lich reduziert, wie in Fig. 10 gezeigt ist, so daß der ruhigen Lauf des Verbrennungsmotors verbessert wird.

Claims

1. Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschine, mit
einer Kurbelwelle, die sich entsprechend dem Motorbe trieb dreht,
einem Nocken, der sich im konstanten Verhältnis zur Kurbelwelle dreht, und
einem Ventilkörper, der durch den Nocken angetrieben wird und ein zugehöriges Ventil öffnet und schließt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken eine Form besitzt, derart, daß der Maximal wert (A₁) der Ventilkörper-Öffnungsbeschleunigung kleiner als der Maximalwert (A₂) der Ventilkörper-Schließbeschleunigung ist.

2. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Maximalwert (A₁) der Ventilkörper-Öff nungsbeschleunigung in einem Bereich von 60 bis 90% des Maximalwerts (A₂) der Ventilkörper-Schließbeschleunigung liegt.

3. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Drehzyklus der Kurbelwelle einen unte ren Totpunkt (UT) besitzt und der Nocken die Ventilkörper-Öff nungsbeschleunigung (A₁) zwischen dem Punkt, in dem der Nocken den Ventilkörper zu öffnen beginnt, bis ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt (UT) allmählich erhöht.

4. Auslaßventilmechanismus für Kolbenkraftmaschine, mit
einer Kurbelwelle, die sich entsprechend dem Motorbe trieb dreht,
einem Nocken, der sich im konstanten Verhältnis zur Kurbelwelle dreht, und
einem Ventilkörper, der durch den Nocken angetrieben wird und ein zugehöriges Ventil öffnet und schließt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Öffnungs- und Schließbeschleunigungen des Ventilkör pers mechanische Betriebsgrenzen aufweisen und
der Nocken eine Form besitzt, derart, daß der Maximal wert (A₁′) der Ventilkörper-Öffnungsbeschleunigung kleiner als ein Wert (B₁′) ist, der die mechanische Betriebsgrenze für die Ventilöffnung ist.

5. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Maximalwert (A₁′) der Ventilkörper-Öff nungsbeschleunigung in einem Bereich von 60 bis 90% eines Wertes (B₁′) liegt, der die mechanische Betriebsgrenze für die Ventilöffnung ist.

6. Auslaßventilmechanismus nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Drehzyklus der Kurbelwelle einen unte ren Totpunkt (UT) besitzt und der Nocken die Ventilkörper-Öff nungsbeschleunigung zwischen dem Punkt, in dem der Nocken den Ventilkörper zu öffnen beginnt, bis ungefähr 20° vor dem unteren Totpunkt (UT) allmählich erhöht.