DE60320670T2

DE60320670T2 - Motor mit ventilmechanismus mit variablem hub

Info

Publication number: DE60320670T2
Application number: DE60320670T
Authority: DE
Inventors: Ian Witney Methley
Original assignee: Mechadyne PLC
Current assignee: Mechadyne PLC
Priority date: 2002-11-16
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: GB0226842D0; WO2004046512A1; US7117831B2; EP1561014B1; GB2395229A; US20060011160A1; EP1561014A1; DE60320670D1

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Ventilmechanismus, welcher ein Gaswechsel-Tellerventil, eine synchron mit der Motorkurbelwelle drehbare Nockenwelle mit einem Nocken zum Betätigen des Ventils, ein das Ventil öffnend und schließend auf das Tellerventil wirkendes Ventilstellglied, und einen Zwischenkipphebel mit einem Folgeglied umfasst, das von dem Nocken beaufschlagt wird und eine Konturenfläche aufweist, die auf das Tellerventilstellglied wirkt, so dass das Ventil synchron mit der Drehung des Nockens geöffnet und geschlossen wird, wobei der Zwischenkipphebel eine Schwenkachse aufweist, die zur Veränderung des Ventilhubes verstellbar ist.
Hintergrund der Erfindung
Der bekannte Ventiltrieb "BMW Valvetronic", wie er z. B. in der EP 1039103 beschrieben ist, wirkt in der oben beschriebenen Weise und wird als der Stand der Technik angesehen, welcher der vorliegenden Erfindung am nächsten kommt. In dem bekannten Mechanismus wird der Zwischenkipphebel um einen Punkt an seinem oberen Ende verschwenkt, der mittels eines Nockens von einer Seite auf die andere bewegt werden kann. An einer Stelle zwischen seinen beiden Enden trägt der Zwischenkipphebel ein Nockenfolgeglied, dessen unteres Ende eine Kontur aufweist, und an dem der Ventilbetätigungsschlepphebel anliegt.
Der in der EP 1039103 beschriebene Ventilmechanismus hat mehrere Nachteile. Erstens erfordert der Mechanismus einen speziellen Zylinderkopf, welcher die Gesamtbauhöhe des Motors erhöht und Packprobleme bereiten kann. Zweitens wird das Zwischenglied nicht fest im Zylinderkopf gehalten, sondern wird einfach frei schwimmend gelassen, wobei es von einer Feder gegen seine verschiedenen Anlagepunkte (am Nocken und an seinem Schwenklagerpunkt) gehalten wird. Drittens ist ein aufwendiger Steuermechanismus erforderlich, um die Ventilsteuerereignisse mehrerer Ventile gleichzeitig steuern zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine Brennkraftmaschine gestellt, wie sie oben dargelegt ist, und welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zwischenkipphebel an einer Schwenklagerwelle angebracht ist, welche derart bewegbar gelagert ist, dass der Ventilhub in Reaktion auf eine Drehbewegung der Schwenklagerwelle um ihre eigene Achse verstellt wird, und die Bewegung der Schwenklagerwelle in eine Bahn gezwungen wird, die derart verläuft, dass, wenn sich das Folgeglied am Grundkreis des Nockens befindet, das Ventilbetätigungsglied stationär bleibt, und zwischen der Konturenfläche des Zwischenkipphebels und dem Ventilbetätigungsglied während der Bewegung der Schwenklagerwelle entlang dieser Bahn ein im wesentlichen konstantes Spiel eingehalten wird.
In der vorliegenden Erfindung ist der Zwischenkipphebel auf einer Schwenklagerwelle montiert und dadurch fest im Motor gehaltert. Außerdem wird dadurch, dass die Bewegung der Schwenklagerwelle einfach durch ihre Verdrehung um ihre Achse bewirkt wird, das Erfordernis eines aufwendigen Steuermechanismus vermieden. Da der Zwischenkipphebel nicht mehr frei schwimmend gelagert ist, gewährleistet die Erfindung auch, dass das Spiel zwischen dem Zwischenkipphebel und dem Ventilstellglied nicht von der Stellung der Schwenklagerwelle beeinflusst wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schwenklagerwelle an dem Zwischenkipphebel zwischen dem Nockenfolgeglied und der das Ventil betätigenden Konturenfläche angeordnet. Demzufolge ist die Schwenklagerwelle tiefer im Motor angeordnet, so dass die Erfordernis der Erhöhung der Gesamthöhe des Zylinderkopfes vermieden wird. Dies hat auch zur Folge, dass die Rotationsträgheit des Zwischenkipphebels gesenkt wird.
Es ist auch wichtig festzustellen, dass, während im bisherigen Stand der Technik der Zwischenkipphebel um einen einzelnen Drehpunkt an seinem oberen Ende verschwenkt wird, der Zwischenkipphebel in der vorliegenden Erfindung um eine Achse verschwenkt wird und dadurch weniger anfällig für Verschleiß ist.
Das Ventilstellglied ist vorzugsweise selbst ein Kipphebel (nachstehend als Ventilbetätigungsschlepphebel bezeichnet, um ihn von dem Zwischenkipphebel zu unterscheiden), der an einem Ende schwenkbar angelenkt ist und an seinem anderen Ende auf das Ventil wirkt, und zwischen seinen beiden Ende eine teilzylindrische Kontaktfläche eines Rollenfolgegliedes hat, auf welche die Konturenfläche des Zwischenkipphebels wirkt.
Um ein konstantes Spiel zwischen dem das Ventil betätigenden Kipphebel und der Konturenfläche des Zwischenkipphebels zu halten, wird vorgezogen, ein Bindeglied vorzusehen, das die Schwenklagerwelle des Zwischenkipphebels in eine bogenförmige Bewegungsbahn zwingt, deren Zentrum in der Achse der Rolle bzw. zylindrischen Kontaktfläche des das Ventil betätigenden Kipphebels liegt.
Um die Schwenklagerwelle des Zwischenkipphebels zu verlagern, wird vorgezogen, dass die Welle durch eine Bohrung in einer Exzenterhülse reicht, welche drehbar in einem stationären Lagerbock des Motors gehalten ist. Die Drehung der Exzenterhülse bewirkt in diesem Falle eine translatorische Verschiebung der Wellenachse.
Die Exzenterhülse ist vorteilhaft über einen Stift mit der Welle gekoppelt, der relativ zu wenigstens einer der Hülse und der Welle frei gleitend bewegbar ist. In der Praxis ist die Welle normalerweise mit wenigstens zwei in Lagerböcken gelagerten Hülsen gekoppelt, und durch Drehen der Welle werden dann alle diese Hülsen um einen gleichen Betrag bewegt.
Die Bewegung der Schwenklagerwelle des Zwischenkipphebels bewirkt nicht nur eine Änderung des Ventilhubes, sondern auch eine Veränderung des Ventilsteuerzeitpunktes. Es ist dabei möglich, einen Phasenverstellmechanismus zwischen der Motorkurbelwelle und der Nockenwelle vorzusehen, um diese Änderung der Motorsteuerzeiten je nach Wunsch auszugleichen oder zu erhöhen.
Vorteilhafterweise kann der Festpunkt, auf welchem der das Ventil betätigende Kipphebel im Motor ruht, eine hydraulische Spielausgleichsvorrichtung beinhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
1: eine perspektivische Ansicht des Ventilmechanismus eines Motors nach der vorliegenden Erfindung,
2: eine Endansicht des Ventilmechanismus aus 1, mit dem Ventil im geschlossenen Zustand und der Schwenklagerwelle des Zwischenkipphebels in einer Position, in der maximaler Ventilhub erzielt wird,
3: eine Endansicht ähnlich derjenigen aus 2, mit voll geöffnetem Ventil und der Schwenklagerwelle des Zwischenkipphebels in einer Position, in welcher maximaler Ventilhub erzielt wird,
4: eine Endansicht ähnlich derjenigen der 2, bei geschlossenem Ventil und der Schwenklagerwelle des Zwischenkipphebels in einer Position, in der minimaler Ventilhub erzielt wird,
5: eine Endansicht ähnlich derjenigen der 2, bei voll geöffnetem Ventil und der Schwenklagerwelle des Zwischenkipphebels in einer Position, in der minimaler Ventilhub erzielt wird,
6: eine Seitenansicht des Ventilmechanismus komplett mit einem Phasenverstellmechanismus zur Verstellung der Phase der Nockenwelle relativ zur Motorkurbelwelle, und
7: eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 6.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Einzelnen:
Der Ventilmechanismus in den Zeichnungen ist in einen Zylinderkopf eines Motors eingebaut, welcher der Übersicht wegen nicht vollständig dargestellt ist. Eine von der Motorkurbelwelle aus über einen Phasenverstellmechanismus 50 (siehe 6) getriebene Nockenwelle 10 ist in geeigneter Weise drehbar im Zylinderkopf gelagert. Die Nockenwelle 10 trägt Nocken 12, welche über den nachstehend noch zu beschreibenden Mechanismus auf zwei Gaswechseltellerventile 14 wirken, die Einlass- oder auch Auslassventile sein können. Jedes Tellerventil 14 ist gleitend in einer Ventilführung 16 gelagert, die in den Zylinderkopf eingetrieben ist. Wenn das Ventil von einer nicht dargestellten Feder geschlossen wird, liegt der verbreiterte Ventilteller des Ventils 14 dichtend an einem Ventilsitz 18 an, der ebenfalls Teil des Zylinderkopfes ist.
Jedes Ventil 14 wird geöffnet und geschlossen von einem das jeweilige Ventil betätigenden Schlepphebel 20, der hier als der Ventilbetätigungsschlepphebel bezeichnet wird, und der an einem Ende drehbar an einer hydraulischen Spielausgleichsvorrichtung 22 angelenkt ist (dargestellt in den 2 bis 5). Das gegenüberliegende Ende des das Ventil betätigenden Schlepphebels 20 wirkt auf das obere Ende des Schaftes des Ventils 14, und eine Folge- bzw. Anlaufrolle 24 ist nahe der Mitte des Ventilbetätigungsschlepphebels 20 an diesem angebracht.
Ein Zwischenkipphebel 30 ist schwenkbar auf einer Welle 32 gelagert. Ein Ende des Zwischenkipphebels 30 trägt eine Nockenfolge- bzw. Nockenanlaufrolle 34, und an seinem gegenüberliegenden Ende ist eine Konturenfläche 36 ausgebildet, welche auf die Anlaufrolle 24 des Ventilbetätigungsschlepphebels wirkt. Wenn sich nun die Nockenwelle 12 dreht, wird der Zwischenkipphebel um die Welle 32 verschwenkt, und seine Konturenfläche 36 wirkt derart auf die Rolle 24, dass der Ventilbetätigungsschlepphebel 20 um den hydraulischen Spielausgleichsmechanismus 22 herum verschwenkt wird und damit das Ventil 14 öffnet bzw. schließt.
Aufgrund der Form der Konturenfläche 36 hat eine in den 2 bis 5 betrachtet von links nach rechts gerichtete Bewegung der Schwenklagerwelle 32 eine Verringerung des Ventilhubes zur Folge. Dies ist am besten aus einem Vergleich der 2 bis 5 ersichtlich.
In 2 ist die Rolle 24 in Kontakt mit der Konturenfläche etwa auf halber Länge derselben, wenn sich die Nockenanlaufrolle 34 in Kontakt mit dem Grundkreis des Nockens 12 befindet. Wenn die Rolle 34 auf dem Nockenberg des Nockens 12 aufreitet, wie 3 zeigt, dann drückt das (in der Darstellung gesehen) rechte Ende der Konturenfläche 36 den Ventilbetätigungsschlepphebel 20 vollständig nieder, so dass das Ventil mit maximalem Hub geöffnet wird.
Im Gegensatz dazu ist in 4 die Schwenklagerwelle 32 nach rechts verdreht worden, so dass, wenn sich die Rolle 34 auf dem Grundkreis des Nockens 12 befindet, das Folgeglied 24 nahe des linken Endes an der Konturenfläche 36 anliegt. Wenn wie in 5 gezeigt die Rolle 34 auf dem Nockenberg des Nockens 12 aufreitet, erreicht das Folgeglied 24 nicht mehr das rechte Ende der Konturenfläche 36, und das Ventil wird nicht um den gleichen Betrag geöffnet. Auf diese Weise kann durch Bewegen der Schwenklagerwelle 32 in der Darstellung von links nach rechts der Ventilhub auf einen beliebigen Wert zwischen seinen beiden Grenzen eingestellt werden.
Dabei ist es wichtig zu gewährleisten, dass der Vorgang der Bewegung der Schwenklagerwelle 32 zur Verstellung des Ventilhubes nicht das Spiel zwischen der Rolle 24 und der Konturenfläche 36 beeinflusst. Damit dieses Spiel konstant bleibt, muss der Punkt bzw. Lokus der Welle 32 auf einer Bogenbahn liegen, deren Mittelpunkt die Achse der Anlaufrolle 24 ist.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Welle mittels eines Bindegliederpaares 38 derart zwangsgeführt, dass sie sich längs einer solchen Bahn bewegt. Die Welle 32 ist drehbar in diesen Bindegliedern 38 gelagert, und das untere Ende jedes Bindegliedes 38 ist drehbar auf einem entsprechenden Drehzapfen gelagert, welcher stationär im Motor angebracht ist, wobei seine Achse mit der Achse der Anlaufrollen 24 der Ventilbetätigungsschlepphebel 20 fluchtet. Jeder Zapfen ragt von einem kleinen Block 40 vor, der an einem Pfosten 42 angeschraubt ist, welcher Teil des Zylinderkopfes des Motors ist.
Die Welle 32 erstreckt sich durch zwei Zylinderbohrungen, welche in zwei (nicht dargestellten) am Motorzylinderkopf befestigten Lagerblöcken ausgebildet sind. Zwischen der Welle 32 und den Lagerblöcken sind Hülsen 44 mit außermittigen Bohrungen angeordnet, wobei die Welle 32 mit Spiel in den Bohrungen der Hülsen 44 aufgenommen wird. Jede Hülse 44 ist über einen Stift 46 (siehe 7) drehfest mit der Welle 32 gekoppelt, wobei der Stift wenigstens in einer der Welle 32 oder der Hülse 44 mit Gleitpassung eingesetzt ist.
Beim Drehen der Welle 32 drehen sich auch die Exzenterwellen 44 in den Lagerblöcken mit und verschieben dadurch die Achse der Welle. Das Spiel zwischen der Welle 32 und den Hülsen 44 und die Gleitbewegung der Kupplungsstifte sind deshalb nötig, weil die von der Welle 32 durchlaufene Bahn von den Bindegliedern 38 vorgegeben wird, und nicht von den Hülsen 44. Die Exzenterhülsen 44 dienen nur als ein geeignetes Mittel, die Welle 32 über ihre gesamte Länge gleichmäßig nach links oder nach rechts zu drängen.
Ein Phasenverstellmechanismus 50 jeder beliebigen Konstruktion (wovon zahlreiche Beispiele im Stand der Technik vertreten sind) wird dazu eingesetzt, die Phase der Nockenwelle 10 in Bezug auf die Motorkurbelwelle zu variieren. Der Phasenverstellmechanismus 50 kann zum Beispiel dazu verwendet werden, die Änderungen der Ventilsteuerzeiten auszugleichen, welche die mit Hilfe des oben beschriebenen Mechanismus herbeigeführte Änderung des Ventilhubes begleiten.
Der Fachmann in der Technik wird erkennen, dass an dem hier beschriebenen Ventilmechanismus zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in den anhängenden Patentansprüchen definiert ist. So können zum Beispiel in der beschriebenen Ausführungsform separate Nocken und Zwischenkipphebel verwendet werden, um die beiden Ventile eines Zylinders zu öffnen, es ist jedoch alternativ auch möglich, einen einzelnen Zwischenkipphebel mit einem einzelnen Nockenfolgeglied und zwei Profilflächen zu verwenden, um auf beide Ventile zu wirken. Eine derartige Konstruktion erlaubt es, beide Ventile gleichzeitig miteinander über einen einzigen Nocken zu betätigen.
Wie oben beschrieben wurden die Nocken 12 und die Konturenflächen 36, welche den entsprechenden Ventilen zugeordnet sind, als identisch angenommen, so dass die beiden Ventile eines Zylinders sich stets gleichzeitig und um denselben Betrag öffnen. Es ist alternativ jedoch auch möglich, dass die Nockenprofile und/oder die Konturenflächen der Zwischenkipphebel, welche die beiden Ventile jeweils betätigen, eine von einander unterschiedliche Geometrie aufweisen, so dass die Ventilhubcharakteristik der beiden Ventile von einander verschieden ist, wenn der Ventilhub verringert wird.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Ventilmechanismus, welcher folgendes aufweist: ein Gaswechsel-Tellerventil (14), eine Nockenwelle (10), welche synchron mit der Motorkurbelwelle drehbar ist und einen Nocken (12) zum Betätigen des Ventils (14) aufweist, ein Ventilbetätigungsglied (20), welches das Ventil öffnend und schließend auf das Tellerventil (14) einwirkt, und einen Zwischenkipphebel (30) mit einem von dem Nocken (12) beaufschlagten Folgeglied (34) und einer Konturenfläche (36), welche auf das Ventilbetätigungsglied (20) wirkt, um das Ventil (14) synchron mit der Drehung des Nockens (12) zu öffnen und zu schließen, wobei der Zwischenkipphebel (30) eine Schwenkachse hat, die zur Veränderung des Ventilhubes verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkipphebel (30) an einer Schwenklagerwelle (32) angebracht ist, welche derart bewegbar gelagert ist, dass der Ventilhub in Reaktion auf eine Drehbewegung der Schwenklagerwelle (32) um ihre eigene Achse verstellt wird, und die Bewegung der Schwenklagerwelle (32) in eine Bahn gezwungen wird, die derart verläuft, dass, wenn sich das Folgeglied (34) am Grundkreis des Nockens (12) befindet, das Ventilbetätigungsglied (20) stationär bleibt, und zwischen der Konturenfläche (36) des Zwischenkipphebels (30) und dem Ventilbetätigungsglied (20) während der Bewegung der Schwenklagerwelle entlang dieser Bahn ein im wesentlichen konstantes Spiel erhalten wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, worin die Schwenklagerwelle (32) an dem Zwischenkipphebel (30) zwischen dem Nockenfolgeglied (34) und der Konturenfläche (36) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, worin das Ventilbetätigungsglied als ein das Ventil betätigender Schlepphebel (20) ausgebildet ist, der an einem Ende schwenkbar gelagert ist und mit seinem anderen Ende das Ventil (14) betätigt, und der zwischen seinen Enden eine teilzylindrische Kontaktfläche oder ein Rollenfolgeglied (24) aufweist, die/das von der Konturenfläche (36) des Zwischenkipphebels (30) beaufschlagt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, worin das Schwenkteil an besagtem einem Ende des Ventilbetätigungsschlepphebels (20) eine hydraulische Spielausgleichsvorrichtung (22) beinhaltet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, worin die Schwenklagerwelle (32) in einer Schwinge (38) drehbar gelagert ist, welche die Schwenklagerwelle (32) des Zwischenkipphebels (30) zwingt, in ihren Bewegungen einer Bogenbahn zu folgen, deren Zentrum in der Achse der Rolle (24) oder zylindrischen Kontaktfläche des Ventilbetätigungsschlepphebels (20) liegt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, worin die Schwenklagerwelle (32) mit Spiel durch eine Bohrung in einer Exzenterhülse (44) tritt, die drehbar in einem stationären Lagerblock des Motors gelagert ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, worin die Exzenterhülse (44) mittels eines Stiftes (46) mit der Welle gekoppelt ist, welcher relativ zu wenigstens einer von Hülse (44) oder Welle (32) gleitend frei beweglich ist.
Brennkraftmaschine nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin zwischen der Motorkurbelwelle und der Nockenwelle (10) ein Phasenverstellmechanismus (50) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, mit zwei Ventilmechanismen zur Steuerung des Gasstromes in jeden und aus jedem Motorzylinder, worin die Nockenprofile und/oder die Konturenflächen der Zwischenkipphebel, welche die beiden Ventile jedes Zylinders betätigen, jeweils von einander abweichende Geometrien haben, so dass die Ventilhubcharakteristik der beiden Ventile von einander unterschiedlich ist, wenn der Ventilhub verringert wird.