Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen

Abstract

 Bei einer Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen wirkt eine Steuerwelle (3) mit einem Steuernocken (4) zur Betätigung eines Ventiles (6) auf einen Stößel (5) ein, der mittels einer gewölbten Gleitbahn (8) mit dem Steuernocken (4) zusammenwirkt. Zur Erzielung eines fülligen Drehmomentverlaufes bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine und eines hierzu akzeptablen Leistungsniveaus im oberen Drehzahl­bereich wird zur vorteilhaften Bemessung der zusammen­wirkenden Ventiltriebelemente vorgeschlagen, daß der Steuernocken (4) für ein Einlaß-Ventil einen Hauptnocken von höchstens 240° Kurbelwellenwinkel bei einem Nocken- bzw. Ventilhub von mindestens 10 mm aufweist, wobei die Gleitbahn (8) des Stößels mit einem Rollenradius zwischen 50 und 80 mm ausgebildet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen der im Oberbegriff des Patentan­spruches 1 beschriebenen Art.

[0002] Eine derartige Ventilsteuerung zeigt beispielsweise die GB-PS 846 133. Diese für einen Hochleistungsmotor konzipierte Ventilsteuerung weist ferner Steuerwellen mit Steuernocken für relativ große Ventilhübe auf. Weiter sind derartige Steuernocken zur Erzielung einer ausreichenden Füllung der Zylinder im oberen Drehzahl­bereich auf relativ große Steuerwinkel von über 300° Kurbelwellenwinkel ausgelegt. Dies ergibt für die Ventile einen späten Schließpunkt nach UT und OT. Dieser Öffnungs- bzw. Zeitquerschnitt nach UT und/oder OT ist wesentlich für die Gasdynamik in der Sauganlage der Brennkraftmaschine zur Erzielung eines hohen Füllungs­grades.

[0003] Ein großer Zeitquerschnitt der Ventile zwischen der UT- und OT-Stellung des Kolbens im jeweiligen Zylinder und dem jeweiligen Schließpunkt wirkt sich jedoch im nie­deren Drehzahlbereich auf Laufruhe und Drehmoment ungünstig aus durch die Rückströmung des Frischgases in die Sauganlage durch das Einlaß-Ventil und die relativ große Überschneidung von Einlaß- und Auslaß-Ventil.

[0004] Ziel der Erfindung ist es, bei einer für den Normalbe­trieb vorgesehenen Brennkraftmaschine durch mäßigen Leistungsverzicht im oberen Drehzahlbereich einen deutlichen Gewinn an Drehmoment und Laufruhe im niederen Drehzahlbereich dadurch zu verwirklichen, daß bei im wesentlichen gleichen Gesamt-Öffnungs- bwz. Zeitquer­schnitt insbesondere des Einlaß-Ventiles dessen Zeit­querschnitt zwischen UT und dem Schließpunkt wesentlich reduziert ist. Hierfür ist eine Verringerung des Steuer­winkels des Steuernockens in Kombination mit einer Vergrößerung des Nocken- bzw. Ventilhubes nicht ohne Berücksichtigung des Krümmungsmaßes der gewölbten Gleitbahn des Stößels möglich. Bei einem großen Krüm­mungsmaß bzw. kleinem Rollenradius der Gleitbahn des Stößels wird der Steuernocken in seinen Flanken schon bei niedrigen Beschleunigungswerten hohl. Aus Ferti­gungsgründen muß der Radius einer hohlen Flanke des Steuernockens relativ groß sein, wodurch jedoch ein gemäß der vorgenannten Zielsetzung erforderlicher steiler Ventilöffnungs-Anstieg bei kleinem Rollenradius nicht zu verwirklichen ist. Weiter bedingt ein kleiner Rollenradius in Verbindung mit einem Steuernocken von großem Nocken- bzw. Ventilhub eine erhebliche, ver­schleißfördernde Querbelastung. Demgegenüber wird bei einer Gleitbahn des Stößels mit kleinem Krümmungsmaß bzw. großem Rollenradius die Querbelastung zwar gerin­ger, jedoch ergibt sich bei einem gegen Unendlich ( ∞ ) gehenden Rollenradius eine von Mitte Stößel weit beab­standete Kontaktlinie des nockenspitzenseitigen Flanken­bereiches mit der Stößel-Gleitbahn. Eine große Auswande­rung der Kontaktlinie des Steuernockens erfordert in Richtung der Nockendrehebene entsprechende Abmessungen des Stößels mit den Nachteilen großer Massenkräfte und erheblichen Bauraumes.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine gattungsgemäße Ventilsteuerung hinsichtlich des Rollen­radiuses der Stößel-Gleitbahn einen Radienbereich und hinsichtlich des Steuerwinkels und des Nocken- bzw. Ventilhubes des Steuernockens Grenzwerte aufzuzeigen, wobei die drei Werte in Kombination miteinander einen reduzierten Schließquerschnitt der Ventile bei steilem Ventilhub-Verlauf ergeben.

[0006] Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Mit den erfindungsgemäß kombinierten Werten ergibt sich in vorteilhafter Weise bei steilem Ventilhub-Verlauf ein fülliger Öffnungs- oder Zeitquerschnitt des Einlaß-Ventiles zwischen OT und UT eines Hubkolbens. Mit dem nach UT steil abfallenden Ventilhub-Verlauf wird ein das Rückströmen der Frisch­ladung aus dem Zylinder in die Sauganlage wesentlich reduzierender Zeitquerschnitt bis zum Schließpunkt des Einlaß-Ventiles erzielt. Weiter verringert ein steiler Anstieg des Ventilhub-Verlaufes den vor OT gelegten Zeitquerschnitt des Einlaß-Ventiles. Letzteres ergibt durch einen kleinen Überschneidungsbereich der Zeit­querschnitte von Einlaß- und Auslaß-Ventil hohe Laufruhe im Leerlauf bei niedrigen Schadstoffmengen im Abgas, wobei der Schließ-Zeitquerschnitt für das Auslaßventil ebenfalls erfindungsgemäß reduziert sein kann. Im anschließenden Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine wird durch den fülligen Zeitquerschnitt zwischen OT und UT in Verbindung mit dem reduzierten Frischgas-Rückstrom ein hohes Drehmoment erreicht. Die mit der verringerten Gasdynamik in der Sauganlage durch Reduzieren des Schließ-Zeitquerschnittes zwischen UT und dem Schließ­punkt des Einlaß-Ventiles verbundene Minderleistung im oberen Drehzahlbereich wird nach Anspruch 3 mittels mehrerer Einlaß-Ventile je Zylinder der Brennkraftma­schine kompensiert. Hierfür bilden drei Einlaß-Ventile einen optimalen Kompromiß zwischen hohem Drehmomentver­lauf im niederen Drehzahlbereich und günstigem Leistungs­niveau im oberen Drehzahlbereich.

[0007] Für die vorbeschriebene Auslegung einer Brennkraftma­schine sind bevorzugte Werte für den Steuerwinkel des Steuernockens und den Rollenradius für die Stößel-­Gleitbahn bei mindestens 10 mm Nocken- bzw. Ventilhub im Anspruch 2 angegeben. Die Kombination dieser drei Zahlenwerte ergibt als weiteren Vorteil ein günstiges Maß für die Auswanderung der Kontaktlinie zwischen Steuernocken und der Gleitbahn des Ventil-Stößels ohne einen gewünscht großen Ventilhub durch die gegebene Ventilöffnungsgeschwindigkeit zu begrenzen. Das günstige Auswanderungs-Maß ergibt weiter relativ kleine Abmes­sungen des Stößels in Richtung der Steuernocken-Drehebe­ne, verbunden mit kleinen Massen bei kleinem Bauraum. Geringere Massen ermöglichen eine dem steilen Ventilhub-­Verlauf entsprechende Ventilbeschleunigung ohne dynami­sche Probleme.

[0008] Die Masse des Ventil-Stößels kann ferner neben kleinen Abmessungen auch durch eine im Anspruch 4 beschriebene Gestalt eines in Draufsicht einen rechteckigen oder ovalen Querschnitt aufweisenden Stößels reduziert werden. Im übrigen erleichtern derartige Stößel auch die Anordnung mehrerer Einlaß- und Auslaß-Ventile bei einem Zylinder von relativ kleinem Durchmesser.

[0009] Der in Anspruch 2 angegebene Wert für den Rollenradius der Gleitbahn des Ventilstößels ergibt neben dem für die Stößel-Abmessung günstigen Maß der Kontaktlinien-Auswan­derung den weiteren Vorteil, bei fülligem Ventilhub-­Verlauf zwischen den Umkehrpunkten des Hubkolbens im Zylinder für die Spitze des Steuernockens einen Radius wählen zu können, mit dem insbesondere bei niederer Drehzahl der Brennkraftmaschine die Hertz'sche Pressung zwischen Nockenspitze und Stößel-Gleitbahn niedrig ist. Zusätzlich kommt ein zu größeren Zahlenwerten tendieren­der Radius an der Nockenspitze der Gestaltung einer fülligen Ventilerhebungskurve bzw. einem fülligeren Ventilhub-Verlauf entgegen.

[0010] Anhand eines bevorzugten, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ventilsteuerung für ein Einlaßventil in einem abschnittsweise im Schnitt dargestellten Zylinderkopf,

Fig. 2 eine Stößel-Anordnung für zwei Einlaßventile eines Zylinders der Brennkraftmaschine in Draufsicht (ohne Steuerwelle),

Fig. 3 Einlaßventil-Zeitquerschnitte im Vergleich.

[0011] Eine Ventilsteuerung 1 in einem Zylinderkopf 2 einer nicht gezeigten Hubkolben-Brennkraftmaschine umfaßt eine Steuerwelle 3 mit einem Steuernocken 4, der über einen Stößel 5 ein Einlaßventil 6 in einer Brennraummulde 7 des Zylinderkopfes 2 für einen Zylinder betätigt.

[0012] Der Steuernocken 4 weist einen Hauptnocken mit einem Steuerwinkel α = 236° Kurbelwellenwinkel bei einem Nocken- bzw. Ventilhub h_V von mindestens 10 mm auf. Dieser Steuernocken 4 wirkt mit einer zylindrisch gewölbten Gleitbahn 8 des Stößels 5 zusammen. Die Gleitbahn 8 ist mit einem Rollenradius R_R ≈ 65 mm ausgebildet.

[0013] Mit der wie vorstehend bemessenen Ventilsteuerung 1 ist im Zusammenwirken der vorgegebenen drei Werte gemäß Fig. 3 ein steiler Ventilhub-Verlauf - durchgezogene Linie - erreicht, wobei der Zeitquerschnitt des Einlaß-­Ventiles 6 vom Öffnungsbeginn Eö bis zum Hubkolben-OT vorteilhaft klein ist gegenüber herkömmlicher Auslegung nach der gestrichelten Kurve. Weiter ergibt der Ventil­hub-Verlauf nach der durchgezogenen Linie gegenüber der gestrichelten Kurve einen fülligen Zeitquerschnitt für Drehmoment und Leistung. Schließlich zeigt der durchge­zogene Ventilhub-Verlauf einen deutlich verringerten Schließ-Zeitquerschnitt von "Hubkolben-UT" bis "Einlaß schließt (Es)". Damit ist bei niederen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein Rückströmen der angesaugten Frischladung aus dem Zylinder in die Sauganlage erheb­lich reduziert mit der Folge eines hohen Drehmomentver­laufes. Zur Erzielung einer akzeptablen Leistung im oberen Drehzahlbereich im Anschluß an den fülligen Drehmomentverlauf sind mindestens zwei Einlaßventile 6 je Brennraum 7 vorgesehen.

[0014] Die Bemessung der zusammenwirkenden Ventiltriebelemente nach den weiter vorne angegebenen Zahlenwerten ergibt unter Vermeidung insbesondere fertigungstechnisch aufwendiger, ausgeprägter Hohlflanken der Steuernocken 4 bei großem Ventilhub h_V einen günstigen Wert für die Auswanderung "A" der Kontaktlinie "K" des Steuer­nockens 4 mit der Gleitbahn 8 beim beginnenden Eingriff des Steuernocken-Spitzenbereiches 9. Dies führt zu kleinbauenden Stößeln 5 von geringer Masse. Diese kann weiter im Querschnitt durch im wesentlichen rechteckige Stößel 5, wie aus Fig. 2 ersichtlich, verringert werden. Die rechteckigen oder ovalen Stößel 5 sind einer eng benachbarten Anordnung der Einlaßventile 6 in der Brennraummulde 7 förderlich, wobei die Gleitbahnen 8 im größten gegenseitigen Abstand angeordnete Führungsflä­chen 10 der Stößel 5 miteinander verbinden.

[0015] Für ein nicht gezeigtes Auslaß-Ventil kann die Steuerung analog ausgelegt werden, um insbesondere die Größe der Ventilüberschneidung von Einlaß- und Auslaß-Ventil zusätzlich beeinflussen zu können.

Ansprüche

1. Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen,
- wobei ein Ventil (6) über einen Stößel (5) von einer Steuerwelle (3) betätigt ist, und
- ein Steuernocken (4) der Steuerwelle (3) mit einer gewölbten Gleitbahn (8) des Stößels (5) zusammen­wirkt,
dadurch gekennzeichnet,
- daß der Steuernocken (4) für ein Ventil (6) einen Hauptnocken mit einem Steuerwinkel ( α ) von höchstens 240° Kurbelwellenwinkel bei einem Nocken- bzw. Ventilhub (h_V) von mindestens 10 mm aufweist,
- wobei die Gleitbahn (8) des Stößels (5) mindestens in einem wesentlichen Abschnitt mit einem Rollen­radius (R_R) aus dem Wertebereich von 50 ≦ R_R ≦ 80 mm ausgebildet ist.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet,
- daß der Steuerwinkel α = 236° Kurbelwellenwinkel beträgt, und
- daß der Rollenradius R_R ≈ 65 mm mißt.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwelle (3) mit Steuer­nocken (4) für mehrere Ventile (6) je Zylinder der Brennkraftmaschine ausgerüstet ist.

4. Ventilsteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet,
- daß der Stößel (5) - in Draufsicht gesehen - einen rechteckigen oder ovalen Querschnitt aufweist, und
- daß die Gleitbahn (8) im größten gegenseitigen Abstand angeordnete Führungsflächen (10) des Stößels (5) miteinander verbindet.

5. Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbahn (8) des Stößels (5) aus Abschnitten mit unterschiedlichen Rollenradien (R_R) aus dem Wertebereich von 50 ≦ R_R ≦ 80 gebildet ist.

Zeichnung