Vorrichtung zur Veränderung des Hubverlaufs von Brennkraftmaschinen-Ventilen

Abstract

 Die Gaswechsel-Ventile einer Brennkraftmaschine werden beispielsweise von Schwinghebeln betätigt, auf die wie üblich Nocken einer Nockenwelle einwirken. Die Schwinghebel stützen sich auf den Exzentern einer Exzenterwelle ab, wobei durch Verdrehen der Exzenterwelle die Hubverläufe sowie durch Verdrehen die Steuerzeiten der Gaswechsel-Ventile veränderbar sind. Gewisse Positions-Kombinationen der Nockenwelle sowie der Exzenterwelle müssen verhindert werden, da andernfalls die Gaswechselventile mit den Kolben kollidieren könnten. Vorgesehen ist daher eine mechanische Sperrvorrichtung, die aus einem Bolzen besteht, der auf einer stirnseitig an der Exzenterwelle vorgesehenen wendelförmigen Rampe aufliegt und über eine Koppel an einem Anschlag der Nockenwellen-Verstellvorrichtung anliegen kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung des Hubverlaufes der von Nocken betätigten Gaswechsel-Ventile einer Brennkraftmaschine, mit einer bezüglich der Kurbelwelle in verschiedene Phasenwinkelstellungen verdrehbaren Nockenwelle, sowie mit einer unterschiedlich positionierbaren Exzenterwelle, an deren Exzentern sich Ventilbetätigungselemente (Schwinghebel), auf die die Nocken einwirken, abstützen, sowie mit einer mechanischen Sperrvorrichtung, die die gleichzeitige Einnahme bestimmter Positionen der Exzenterwelle und bestimmter Phasenwinkelstellungen der Nockenwelle verhindert. Eine Vorrichtung zur Veränderung des Hubverlaufes mit einer in verschiedene Phasenwinkelstellungen verdrehbaren Nockenwelle sowie mit einer unterschiedlich positionierbaren Exzenterwelle ist aus der DE 42 23 172 C1 bekannt. Dabei können durch Verdrehen der Nockenwelle unterschiedliche Ventilsteuerzeiten und durch Verdrehen der Exzenterwelle unterschiedliche Ventilerhebungskurven eingestellt werden.

[0002] Die entsprechenden Verstellvorrichtungen einer derartigen Vorrichtung zur Veränderung des Hubverlaufes, nämlich ein Verstellmotor zum Verdrehen der Exzenterwelle sowie ein weiterer Verstellmotor zum Verdrehen der Nockenwelle werden üblicherweise elektronisch angesteuert. Grundsätzlich ist diese elektronische Verstellung zwar zuverlässig, jedoch könnten sich unter widrigen Umständen Unregelmäßigkeiten ergeben, derart, daß eine unzulässige Kombination von Ventilsteuerzeiten und Ventilerhebungskurven eingestellt wird. Unzulässig können gewisse Kombinationen von Ventilerhebungskurven und Ventilsteuerzeiten sein, bei denen die noch geöffneten Gaswechsel-Ventile mit dem sich bereits nahe des oberen Totpunktes befindenden Kolben kollidieren können. Ebenso gilt es zu verhindern, daß die Gaswechsel-Ventile mit ihrem maximal möglichen Hubverlauf bereits dann öffnen, wenn sich der Kolben noch nahe seines oberen Totpunktes befindet. Es ist somit klar verständlich, daß nicht jede mögliche Ventilsteuerzeit mit jeder möglichen Ventilerhebungskurve kombinierbar ist.

[0003] Um nun Schäden an der Brennkraftmaschine, die bei unzulässigen Kombinationen von Ventilerhebungskurven und Ventilsteuerzeiten auftreten würden, sicher und zuverlässig zu verhindern, ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 44 39 521 eine mechanische Sperrvorrichtung beschrieben, die die gleichzeitige Einnahme bestimmter Positionen der Exzenterwelle und bestimmter Phasenwinkelstellungen der Nockenwelle verhindert. Diese vorbeschriebene Sperrvorrichtung hat sich grundsätzlich bewährt, jedoch sind weitere Ausgestaltungen einer derartigen Sperrvorrichtung wünschenswert, die aufzuzeigen sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt hat.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Exzenterwelle stirnseitig eine wendelförmige Rampe aufweist, auf der ein Sperrelement aufliegt, das positionsabhängig mit der Nockenwellen-Verstellvorrichtung in Verbindung stehen kann. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

[0004] Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, dabei zeigt die einzige Figurendarstellung einen Teilschnitt durch einen Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0005] Im lediglich bruchstückhaft dargestellten Zylinderkopf 1 der Brennkraftmaschine sind eine Nockenwelle 2 sowie eine Exzenterwelle 3 jeweils um deren Längsachsen 2a bzw. 3a verdrehbar gelagert. Die nicht gezeigten Nocken der Nockenwelle 2 wirken auf ebenfalls nicht gezeigte Schwinghebel ein, die sich an Exzentern der Exzenterwelle 3 abstützen und die jeweils ein Gaswechsel-Ventil der Brennkraftmaschine betätigen. Bezüglich dieser Betätigung der Gaswechsel-Ventile unter Einwirkung sowohl der Nockenwelle 2 als auch der Exzenterwelle 3 kann eine Vorrichtung analog der DE 42 23 172 C1 vorgesehen sein. Durch Verdrehen dieser Exzenterwelle 3 kann somit der Hubverlauf (Ventilerhebungskurve) der Gaswechsel-Ventile verändert werden. Hierzu ist eine nicht gezeigte Verdrehvorrichtung vorgesehen, die an der Exzenterwelle 3 angreift und diese beispielsweise um eine halbe Umdrehung zu verdrehen in der Lage ist.

[0006] In ihrer Phasenlage bezüglich der nicht gezeigten Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle verdrehbar ist ferner die Nockenwelle 2. Hierzu ist eine in ihrer Gesamtheit mit 4 bezeichnete Nockenwellen-Verstellvorrichtung vorgesehen, die an dieser Stelle nicht näher erläutert wird, da sie im wesentlichen dem in der EP 0 245 791 B1 beschriebenen Stand der Technik entspricht. Ein wesentliches Bestandteil dieser Nockenwellen-Verstellvorrichtung 4 für die vorliegende Erfindung ist jedenfalls der Verstellkolben 5, der in Richtung der Nockenwellen-Längsachse 2a mittels eines in seiner Gesamtheit mit 6 bezeichneten Hydrauliksystemes verschiebbar ist und hierdurch eine Verdrehung der Nockenwelle 2 gegenüber dem von der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle-Antriebsrad 7 bewirkt, wodurch die Ventilsteuerzeiten verändert werden.

[0007] Wie eingangs bereits erläutert wurde, sollen verschiedene Kombinationen von Ventilerhebungskurven und Ventilsteuerzeiten verhindert werden, d. h. es soll verhindert werden, daß bei gewissen Phasenwinkeln, die die Nockenwelle 2 gegenüber der Kurbelwelle einnimmt, von der Exzenterwelle 3 gewisse Positionen eingenommen werden können. In gleicher Weise gilt es umgekehrt zu verhindern, daß bei einer gewissen Position der Exzenterwelle 3 die Nockenwelle 2 durch die Verstellvorrichtung 4 in gewisse Positionen verdreht werden kann. Um dies zu realisieren, ist ein Sperrelement 8 in Form eines Bolzens vorgesehen, der einerseits mit der Exzenterwelle 3 und andererseits mit der Nockenwellen-Verstellvorrichtung 4 zusammenzuwirken in der Lage ist.

[0008] Hierzu ist der in einer Bohrung 9 im Zylinderkopf 1 längs, d. h. parallel zur Längsachse 3a der Exzenterwelle 3 verschiebbar gelagerte Bolzen 8 unter Einwirkung eines Federelementes 10 derart gehalten, daß er mit seinem einen Ende auf einer Rampe 11, die aus der Stirnseite 3b der Exzenterwelle 3 herausgearbeitet ist, aufliegt. Diese beispielsweise einen Halbkreis um die Exzenterwellenachse 3a beschreibende Rampe 11 ist quasi wendelförmig, d. h. deren den Bolzen 8 berührende Oberflächenabschnitt nimmt bei unterschiedlichen Exzenterwellenpositionen unterschiedliche Positionen längs der Längsachse 3a ein, was bewirkt, daß bei einem Verdrehen der Exzenterwelle der Bolzen 8 längs seiner Achse 8a gemäß Pfeilrichtung 12 verschoben wird. Ausgehend von der dargestellten Position wird bei einer Verdrehung der Exzenterwelle 3 somit der Bolzen 8 nach rechts verschoben. Wird anschließend daran die Exzenterwelle wieder zurückgedreht, so bleibt der Bolzen 8 aufgrund der Einwirkung des Federelementes 10 in Kontakt mit der Rampe 11 und wird demzufolge wieder nach links verschoben.

[0009] Das der Rampe 11 gegenüberliegende Ende 8b des Bolzens 8 kann mit einer Koppel 13 in Kontakt kommen, die ihrerseits fest mit dem Verstellkolben 5 der Nockenwellen-Verstellvorrichtung 4 verbunden ist. Dies hat zur Folge, daß dann, wenn der Verstellkolben 5 und somit die Koppel 13 die gezeigte Position einnimmt, der Bolzen 8 ausgehend von der gezeigten Position nicht nach rechts verschoben werden kann, da die Koppel 13 einen diese Verschiebebewegung verhindernden Anschlag darstellt. Da somit der Bolzen 8 nicht verschoben werden kann, kann ausgehend von der gezeigten Position auch keine Verdrehung der Exzenterwelle 3 erfolgen, die ja - wie oben geschildert - eine Verschiebung des Bolzens 8 auslösen würde. Bei der gezeigten Position der Nockenwellen-Verstellvorrichtung 4 (bzw. der Nockenwelle 2) ist somit zunächst keine andere als die gezeigte Position für die Exzenterwelle 3 möglich.

[0010] Wird jedoch von einer Antriebsvorrichtung für die Exzenterwelle 3 ein so hohes Drehmoment aufgebracht, daß eine Verdrehung dieser Exzenterwelle 3 möglich ist, und hierbei der Bolzen 8 ausgehend von der gezeigten Position nach rechts verschoben wird, so wird über die Koppel 13 gleichfalls der Verstellkolben 5 nach rechts verschoben. Dies bewirkt, daß die Nockenwelle 2 einen anderen Phasenwinkel gegenüber dem Nockenwellen-Antriebsrad 7 einnimmt, wodurch wiederum der gewünschte Effekt erzielt wird, nämlich verhindert wird, daß bei gewissen Positionen der Exzenterwelle 3 die Nockenwelle 2 bestimmte Phasenwinkelstellungen einnimmt.

[0011] Das soeben beschriebene Verschieben der Koppel 13 gemäß Pfeilrichtung 12 nach rechts unter Einfluß einer Verdrehung der Exzenterwelle 3 bewirkt in dem dem Verstellkolben 5 beaufschlagenden Hydrauliksystem 6 eine Druckerhöhung, die grundsätzlich durch ein nicht dargestelltes Steuerventil, welches für die Einstellung des jeweils erforderlichen Druckes im Hydrauliksystem 6 sorgt, um die Nockenwelle 2 wie gewünscht zu positionieren, durch Öffnen einfach abgebaut werden kann. Um auch bei einem Funktionsausfall dieses Steuerventiles oder bei einer Fehlansteuerung desselben einen Druckabbau im Hydrauliksystem 6 zu ermöglichen, wird ferner ein Druckbegrenzungsventil vorgeschlagen, das bei einer Druckerhöhung im Hydrauliksystem 6, die durch eine Verschiebung des Sperrelementes/Bolzens 8 in Folge einer Verdrehung der Exzenterwelle hervorgerufen wird, wirksam wird.

[0012] Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, daß sich selbstverständlich bei der gezeigten Position der Exzenterwelle 3 der Verstellkolben 5 der Nockenwellen-Verstellvorrichtung 4 beispielsweise auch an seinem rechtsseitigen Anschlag befinden kann, wenn ein anderer Phasenwinkel der Nockenwelle 2 erwünscht ist. Dann steht der Bolzen 8 nicht mit der Koppel 13 in Verbindung, da sich diese ebenfalls weiter rechts als dargestellt befindet. In diesem Fall kann ohne weiteres die Exzenterwelle 3 beliebig verdreht und als Folge davon der Bolzen 8 nach rechts verschoben werden. Selbstverständlich können die einzelnen Elemente auch Zwischenpositionen zwischen den soeben geschilderten Extrempositionen einnehmen.

[0013] Wesentlich ist somit, daß entweder bei einer bestimmten Phasenwinkel-Stellung der Nockenwelle 2 ein Verdrehen der Exzenterwelle 3 in bestimmte Positionen aufgrund des Sperrelementes bzw. Bolzens 8, das/der auf der Rampe 11 aufliegt, verhindert wird, oder daß dann, wenn die Antriebsvorrichtung für das Verdrehen der Exzenterwelle 3 stark genug ist, um den Widerstand dieses Sperrelementes zu überwinden, die Nockenwelle 2 durch Verschieben des Verstellkolbens 5 in eine andere Phasenwinkelstellung gebracht wird. Diese beiden Anforderungen werden durch das beschriebene Sperrelement in Form des auf der Rampe 11 der Exzenterwelle 3 aufliegenden Bolzens 8, der über die Koppel 13 an einem Anschlag der Nockenwellen-Verstellvorrichtung 4 anliegen kann, wobei die Koppel 13 selbst den Anschlag bildet und hierzu mit dem Verstellkolben 5 verbunden ist, wirkungsvoll erfüllt. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Veränderung des Hubverlaufes der von Nocken betätigten Gaswechsel-Ventile einer Brennkraftmaschine, mit einer bezüglich der Kurbelwelle in verschiedene Phasenwinkelstellungen verdrehbaren Nockenwelle (2), sowie mit einer unterschiedlichen positionierbaren Exzenterwelle (3), an deren Exzentern sich Ventilbetätigungselemente, auf die die Nocken einwirken, abstützen, sowie mit einer mechanischen Sperrvorrichtung, die die gleichzeitige Einnahme bestimmter Positionen der Exzenterwelle (3) und bestimmter Phasenwinkelstellungen der Nockenwelle (2) verhindert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwelle (3) stirnseitig eine wendelförmige Rampe (11) aufweist, auf der ein Sperrelement aufliegt, das positionsabhängig mit der Nockenwellen-Verstellvorrichtung (4) in Verbindung stehen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement ein in Parallelrichtung zur Exzenterwellenachse (3a) verschiebbarer Bolzen (8) ist, dessen der Rampe (11) gegenüberliegendes Ende (8a) über eine Koppel (13) an einem Anschlag der Nockenwellen-Verstellvorrichtung anliegen kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koppel (13) den Anschlag bildet und hierzu mit einem verschiebbaren Verstellkolben (5) der Nockenwellen-Verstellvorrichtung (4) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (8) mit Hilfe eines Federelementes (10) an der Rampe (11) anliegend gehalten ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einem Hydrauliksystem (6) zur Betätigung der Nockenwellen-Verstellvorrichtung (4),
dadurch gekennzeichnet, daß im Hydrauliksystem (6) ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist, das bei einer Druckerhöhung, ausgelöst durch eine Verschiebung des Sperrelementes in Folge einer Verdrehung der Exzenterwelle (3), wirksam wird.

Zeichnung