DE69204751T2

DE69204751T2 - Variable Nockenwellenzeitsteuerung für Brennkraftmaschine.

Info

Publication number: DE69204751T2
Application number: DE69204751T
Authority: DE
Inventors: Thomas J Becker; Roger P Butterfield; Stanley K Dembosky; Franklin R Smith
Original assignee: Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1992-04-29
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: EP0518472B1; CA2062354C; DE69204751D1; JP3469257B2; US5107804A; JPH05106412A; EP0518472A1; CA2062354A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, bei der die Nockenwelle bei einem Motor mit nur einer Nockenwelle oder eine oder beide Nockenwellen bei einem Motor mit doppelter Nockenwelle zeitlich gegenüber der Kurbelwelle gesteuert wird, um eine oder mehrere Betriebseigenschaften des Motors zu verbessern.
Es ist bekannt, die Leistung eines Motors mit einer doppelten Nockenwelle zu verbessern, wobei eine die Einlaßventile und die andere die Auslaßventile betätigt. Dabei wird eine Nockenwelle von der Kurbelwelle über einen Ketten- oder Riementrieb angetrieben und die andere Nockenwelle über eine zweite Kette oder Riemen von der ersten Nockenwelle aus. Alternativ können beide Nockenwellen von der Kurbelwelle über Kette oder Riemen angetrieben sein. Ferner sind weitere Verbesserungen hinsichtlich der Leerlaufqualität, Brennstoff-Verbrauch, verringerten Emissionen oder größeren Drehmoment bekannt, wenn man die Drehlage einer der Nockenwellen verändert, gewöhnlich der Nockenwelle, welche die Einlaßventile betätigt, also um die Steuerzeiten der Einlaßventile hinsichtlich der Auslaßventile oder hinsichtlich der Ventile gegenüber der Kurbelwelle zu ändern. Bisher hat man die Ventilsteuerzeiten für gewöhnlich mit einem eigenen hydraulischen Motor verändert, dem man Motorschmieröl zugeführt hat. Damit wird jedoch zusätzliche Energie verbraucht und dies vergrößert auch die Schmierölpumpe, da das Stellglied für die Steuerzeit schnell ansprechen soll. Ferner war man typischerweise auf eine Gesamtphaseneinstellung von 20º zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle beschränkt und außerdem handelt es sich um Zweipunkt-Anordnungen, d.h. entweder EIN, also in einer Lage auf volle Phase gestellt, oder AUS, d.h. in einer zweiten Lage keine Phaseneinstellung.
Es ist auch bekannt, die Leistung eines Motors mit nur einer Nockenwelle zu verbessern, indem man die Drehlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle verändert. Aber auch hier benötigen die bekannten Systeme zur Einstellung der Nockenwelle eine getrennte hydraulische Pumpe, oder die Schmierölpumpe muß den Anforderungen genügen, wobei es sich ferner wiederum um Zweipunkt-Systeme handelt, die auf eine maximale Phaseneinstellung von etwa 20º zwischen Drehlage der Kurbelwelle und der Nockenwelle beschränkt sind.
EP-A-388 244 (Melchior) offenbart allgemein eine interne Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist die vorgenannte Brennkraftmaschine durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.
Die Erfindung ist insofern vorteilhaft, als die mit den bekannten veränderlichen Nockenwellen-Steuerungen verbundenen Probleme gemeistert sind, indem eine selbstwirkende, veränderliche Nockenwellen-Steuerung vorgesehen ist, die keine Energie von außen zur Betätigung benötigt, die nicht zur Vergrößerung der Schmierölpumpe beiträgt, um vorübergehende hydraulische Betriebsanforderungen der Nockenwellen-Steuerung zu erfüllen, die eine ständig veränderliche Phasenbeziehung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle innerhalb der Betriebsbereiche liefert und die mehr als 20% Phaseneinstellung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Lage der Nockenwelle bzw. die Lagen einer oder beider Nockenwellen bei doppelter Nockenwelle der Phase nach gegenüber der Kurbelwelle eingestellt, d.h. gegenüber der Kurbelwelle voreilend oder nacheilend, mit Hilfe einer Stelleinrichtung, die beispielsweise von einem Mikroprozessor gesteuert wird, um eine oder mehrere wichtige Motorbetriebseigenschaften, wie den Leerlauf, Brennstoff- Verbrauch, Emissionen oder Drehmoment zu verbessern.
Bei der bevorzugten Ausführungsform macht die Stelleinrichtung von einem oder mehreren radialen Flügeln Gebrauch, die gegenüber der Nockenwelle am Umfang befestigt und in Ausnehmungen eines Kettenradgehäuses aufgenommen sind, das auf der Nockenwelle schwenkbar ist. Hydraulikfluid wird auf eine oder die andere Seite der Flügel gepumpt, um die Lage der Nockenwelle zum Kettenrad vor- oder nacheilen zu lassen und das Pumpen erfolgt in Reaktion auf Drehmomentimpulse in der Nockenwelle. Ist das Antriebsrad ein an der Kurbelwelle befestigtes und/oder an einer zweiten unabhängig einstellbaren Nockenwelle befestigtes Kettenrad oder Zahnriemenrad, so kann die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle in Frühoder Spätstellung verbracht werden und die Verstellung erfolgt kontinuierlich in einem entsprechenden Bereich der Nockenwellen-Phaseneinstellung.
EP-A-0 424 103 (Borg-Warner) offenbart eine Phaseneinstellung, bei der die Stelleinrichtung zwei entgegengesetzt wirkende hydraulische Zylinder aufweist, um die Winkellage der Nockenwelle zur Kurbelwelle in Früh- oder Spätstellung zu bringen. Hydraulikfluid, nämlich Motoröl, strömt zwischen den Zylindern entsprechend Änderungen der Drehmomentbelastung an der Nockenwelle, wenn die jeweiligen Erhebungen ihren Kontaktwinkel mit dem Ventilkipphebel ändern. Diese Strömung zwischen den Zylindern ist entweder abgesperrt oder in einer Richtung von einem Steuerventil und Rückschlagventilen möglich und die Betätigung des Steuerventils wird vom Mikroprozessor gesteuert, um sicherzustellen, daß die Früh- und Spätstellung der Nockenwelle nur erfolgt, wenn gewünscht. Weil die Strömung zwischen den Zylindern von Drehmomentänderungen an einer Nockenwelle herrührt, ist keine getrennte Pumpe oder andere Stelleinrichtung erforderlich. Weil ferner die Nockenwelle in die Früh- oder Spätstellung mit Hilfe von Fluid verbracht wird, das bereits in dem einen oder anderen der Zylinder vorhanden ist, muß das Fluid nicht über die Hauptschmierölpumpe während der kurzen Zeitspanne strömen, in der die Phaseneinstellung erfolgt. So macht die veränderliche Nockenwellensteuerung keine erheblich größere Motorschmierölpumpe erforderlich, wie es sonst der Fall wäre und die Stellgeschwindigkeit der Nockenwellensteuerung ist nicht von der Leistung der Schmierölpumpe begrenzt.
Eine hydraulisch betätigte variable Nockenwellen-Steuerung gemäß der Erfindung ist mechanisch und hydraulisch vereinfacht, im Vergleich zu Anordnungen, die zwei hydraulisch verbundene entgegengesetzt wirkende hydraulische Zylinder verwenden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1A bis 1D schematische Ansichten, die den Kontakt zwischen einem Nocken und einem Tassenstößel während einer vollen Umdrehung der Nockenwelle darstellen;
Fig. 2 ein Kurvenbild der Drehmomentänderungen in der Nockenwelle infolge des Kontaktes zwischen einem Nocken und einem Tassenstößel entsprechend den Fig.1A bis 1D;
Fig. 3 eine Teilansicht eines Motors mit doppelter Nockenwelle mit einer Stelleinrichtung zur Nockenwellen-Steuerung, die nicht Bestandteil der Erfindung ist und die in der vorgenannten EP-A-0 424 103 geschildert ist, dargestellt in einer Ebene quer zur Kurbelwelle und den Nockenwellen, wobei die Einlaßventil-Nockenwelle in Spätstellung zur Kurbelwelle und der Auslaßventil-Nokkenwelle ist;
Fig. 4 eine Teilansicht ähnlich Fig. 3, in der die Einlaßventil-Nockenwelle in Frühstellung gegenüber der Auslaßventil-Nockenwelle ist;
Fig. 5 eine Teilansicht ähnlich Fig. 3 mit weggelassenen Teilen zur Darstellung der Spätstellung;
Fig. 6 eine Teilansicht ähnlich Fig. 5 mit der Einlaßventil-Nockenwelle in Frühstellung gegenüber der Auslaßventil-Nockenwelle;
Fig. 7 eine Teilansicht der Rückseite von Teilen der Anordnung in Fig. 3;
Fig. 8 eine Teilansicht längs der Linie 8-8 in Fig. 6;
Fig. 9 eine Teilansicht längs der Linie 9-9 in Fig. 3;
Fig.10 einen Schnitt längs der Linie 10-10 in Fig. 3;
Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie 11-11 in Fig. 3;
Fig. 12 eine schematische Darstellung der Hydraulikanlage der Steueranordnung einer weiteren Ausführungsform, die ebenfalls keinen Bestandteil der Erfindung bildet und in der vorgenannten EP-A-0 424 103 erläutert ist und den Zustand zeigt, in dem die Nockenwelle in Richtung der Spätstellung in der Anordnung gemäß Fig. 3 verstellt wird;
Fig. 13 eine schematische Ansicht ähnlich den Fig. 12 und 13 in dem Zustand, in dem die Nokkenwelle in die Frühstellung der in Fig. 4 dargestellten Anordnung verstellt wird;
Fig. 14 eine schematische Ansicht ähnlich den Fig. 12 und 13 in dem Zustand, in dem die Nokkenwelle in einer Lage zwischen der Frühund Spätstellung gehalten wird;
Fig. 15 eine Teilansicht eines Motors mit doppelter Nockenwelle und einer Nockenwellen- Steuerung, die ebenfalls keinen Bestandteil der Erfindung bildet und in der vorgenannten EP-A-0 424 103 geschildert ist;
Fig. 16 einen Schnitt längs der Linie 16-16 in Fig. 15;
Fig. 17 eine Teilansicht einer Nockenwellen-Steuerung für einen Motor mit einer Nockenwelle, ebenfalls geschildert in der vorgenannten EP-A-0 424 103;
Fig. 18 einen Schnitt längs der Linie 18-18 in Fig. 17;
Fig. 19 einen Schnitt längs der Linie 19-19 in Fig. 17;
Fig. 20 eine Stirnansicht einer Nockenwelle mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Nockenwellensteuerung gemäß der Erfindung;
Fig. 21 eine Ansicht ähnlich Fig. 20 mit entfernten Teilen zur besseren Darstellung;
Fig. 22 einen Schnitt längs der Linie 22-22 in Fig. 21;
Fig. 23 einen Schnitt längs der Linie 23-23 in Fig. 21;
Fig. 24 einen Schnitt längs der Linie 24-24 in Fig. 21;
Fig. 25 eine Stirnansicht eines Elementes der Nokkenwellen-Steuerung der Fig. 20 bis 24;
Fig. 26 eine Stirnansicht eines Elementes der Fig. 25 von der entgegengesetzten Seite;
Fig. 27 eine Seitenansicht des Elementes der Fig. 25 und 26;
Fig. 28 eine Seitenansicht des Elementes der Fig. 27 von der anderen Seite;
Fig. 29 eine vereinfachte schematische Darstellung der Nockenwellen-Steuerung gemäß den Fig. 20-28.
Die Fig. 1A bis 1D zeigen den Abrollvorgang zwischen einem Nocken L und der Platte C eines Ventils V im Uhrzeigersinn, also in Pfeilrichtung R mit einer Andrückfeder S. Der Nokcken hat einen halbkreisförmigen Teil H und eine vorstehende Nase N. Im Kontaktpunkt P1, also in der Lage des Nockens gemäß Fig. 1A wirken die Kräfte längs einer Geraden durch die Drehachse A und dem Ventilschaft, so daß kein Drehmoment auf die Nockenwelle ausgeübt wird.
Kontaktiert die Nase N des Nockens L die Platte C im Punkt P2, so ergibt sich für die Kräfte ein Hebelarm D1 gemäß Fig. 1B, und damit wird auf die Nockenwelle ein Moment in Größe der Kraft F1 multipliziert mit dem Abstand D1 ausgeübt. Während der weiteren Drehung gerät der Nocken in die in Fig. 1D dargestellte Lage und damit ergibt sich für den Kontaktpunkt P4 ein im Vergleich zu Fig. 1B entgegengesetztes Moment auf die Nockenwelle entsprechend dem Produkt der Kraft F2 und dem Hebelarm D2. In Fig. 1C ist das Moment 0 für den Kontaktpunkt P3. Fig. 2 zeigt den Verlauf des Drehmoments T während einer vollen Nockenwellenumdrehung. Der Verlauf ist etwa sinusförmig.
Die dabei auftretenden Drehmomentveränderungen dienen als Betätigungskraft für die Nockenwellensteuerung in den Systemen der Fig. 3 bis 29. In der Ausführungsform der Fig. 3 bis 14 sitzt auf einer Kurbelwelle 22 ein Kettenrad 24, das über eine Kette 28 und ein auf einer Nockenwelle 26 für die Auslaßventile des Motors sitzendes Kettenrad 30 die Nockenwelle 26 antreibt. Kettenspanner können vorgesehen sein. Das Kettenrad 30 ist zweimal so groß wie das Kettenrad 24, so daß die Nockenwelle 26 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 22 rotiert, wie dies für eine Viertaktmaschine nötig ist. Anstelle der Kette 28 kann auch ein Riemen treten.
Auf der Nockenwelle 26 sitzt ein weiteres Kettenrad 32 (Fig. 5 und 6) und zwar so gelagert, daß es hinsichtlich eines begrenzten Schwenkwinkels gegenüber der Nockenwelle 26 drehbar ist. Eine Kette 36 überträgt die Drehung der Nockenwelle 26 auf die Nockenwelle 34 für die Einlaßventile. Die Kettenräder 32 und 38 sind durchmessergleich. Wiederum kann ein Riemen verwendet werden.
Fig. 8 zeigt, daß die Enden der Nockenwellen 26 und 34 in Lagern 42 und 44 eines Kopfteils 50 gelagert sind, das am Motorblock mit Schrauben 48 befestigt ist. Die anderen nicht gezeigten Enden der Nockenwellen sind in entsprechender Weise am Kopfteil 50 gelagert. Das Kettenrad 38 auf der Nockenwelle 34 liegt außerhalb des Kopfteils 50, ebenso die Kettenräder 30 und 32.
Das Kettenrad 32 hat ein bogenförmiges Gehäuse 52 (Fig. 10) angeformt, das durch eine kreisbogenförmige Öffnung 30a im Kettenrad 30 nach außen greift. Am Kettenrad 30 ist ein kreisbogenförmiges Gehäuseteil 46 angeschraubt, in dem verschiedene hydraulische Komponenten untergebracht sind, die in den Fig. 12 bis 14 gezeigt sind. Das Gehäuseteil nimmt schwenkbar jeweils ein Ende zweier entgegengesetzt wirkender und einfach wirkender hydraulischer Zylinder 54 und 56 auf, die an entgegengesetzten Seiten der Längsachse der Nockenwelle 26 liegen. Die Kolbenenden der Zylinder 54 und 56 sind schwenkbar an einem kreisbogenförmigen Bügel 58 angebracht und der Bügel 58 ist am Kettenrad 32 mit Schrauben 60 befestigt. Wenn also einer der Zylinder 54 und 56 ausfährt und gleichzeitig der andere einfährt, so ändert sich die Drehlage des Kettenrades 32 gegenüber dem Kettenrad 30, um das Kettenrad 32 vorzuschieben, wenn der Zylinder 54 ausfährt und der Zylinder 56 einfährt, wie dies in den Fig. 4, 6 und 13 gezeigt ist, oder das Kettenrad 32 gegenüber dem Kettenrad 30 nach hinten verdreht, wenn der Zylinder 56 aus- und der Zylinder 54 einfährt, wie dies in den Fig. 3, 5, 9, 10 und 12 gezeigt ist. Durch die Verdrehung des Kettenrades 32 gegenüber dem Kettenrad 30 gelangt also die Nockenwelle 34 gegenüber der Nockenwelle 26 mittels des Kettentriebes in Frühstellung bzw. Spätstellung. Man vergleiche hierzu in den Fig. 3 und 5 die Markierung 30b am Kettenrad 30 und die Markierung 38a am Kettenrad 38 in der Spätstellung der Nockenwelle 34 bzw. in den Fig. 4 und 6 für die Frühstellung der Nockenwelle 34.
Die dazugehörige Strömung des hydraulischen Fluids, hier Motorschmieröl, ist in den Fig. 12 bis 14 dargestellt. Eine für beide Zylinder gemeinsame Einlaßleitung 82 ist über je ein Rückschlagventil 84 und 86 und Leitungen 88, 90 an die Zylinder 54 bzw. 56 angeschlossen. Die von je einer Feder 84c, 86c an Ventilsätze 84a, 86a angedrückten Ventilkugeln 84b, 86b öffnen in Richtung Zylinder 54 bzw. 56, um diese anfänglich zu füllen und die Leckage zu kompensieren, und sperren in der anderen Richtung. Die Leitung 82 erhält Fluid von einem Schieberventil 92 innerhalb der Nockenwelle 26 in der Ausführungsform der Fig. 3 bis 11 und das Fluid strömt zum Ventil 92 von den Zylindern 54, 56 durch die Leitungen 94, 96 zurück.
Das Ventil 92 besitzt ein zylindrisches Gehäuse 98 und einen darin gleitenden Kolbenschieber 100, der zylindrische Bunde 100a, 100b besitzt, die so angeordnet sind, daß der Bund 100b die Rückleitung 96 gemäß Fig. 12 absperrt, wenn die Nockenwelle 34 in Spätstellung verdreht wird, während der Bund 100a die Rückleitung 94 gemäß Fig. 13 absperrt, wenn die Nockenwelle 34 in Frühstellung verdreht wird, bzw. sperrt der Bund 100b beide Rückleitungen 94, 96 gemäß Fig. 14 ab, wenn die Nockenwelle 34 in der Zwischenstellung liegt.
Die Lage des Schiebers 100 im Gehäuse 98 wird von einer Feder 102 beaufschlagt, die den Kolben 100 nach rechts drückt. Ferner ist der Kolben 100 vom Druck in einer Kammer 98a nach links beaufschlagt. Die rechte Endstellung ist von einer Anschlaghülse 98b festgelegt.
Das Ein- und gleichzeitige Ausfahren jeweils eines Zylinders 54, 56 erfolgt durch Freigeben entweder der Rückleitung 94 oder 96 und über die Zuleitung 82 mit Hilfe des Ringraums 104 zwischen den beiden Bunden 100a, 100b des Kolbenschiebers 100. Damit erfolgt die Betätigung der Zylinder 54 und 56 durch Fluidaustausch und hierfür ist die Schmierölpumpe nicht erforderlich.
Der Druck in der Kammer 98a des Ventils ist von einem Druckregelventil 106 gesteuert, das vorzugsweise impulsbreitenmoduliert ist, abhängig von einem Steuersignal der elektronischen Motorsteuerung 108. So kann Schmieröl des Motors über einen Einlaß 110 und eine Leitung 112 in die Kammer 98a strömen und nicht mehr benötigtes Öl wird durch eine Auslaßleitung 114 in ein Niederdruckregelventil 116 geführt, das auch an die Einlaßleitung 110 angeschlossen ist und aus dem Ventil 116 Öl über eine Auslaßleitung 118 zum Schmierölsumpf zurückgeführt wird. Dabei ist der Auslaß 118 von einem Kolbenbund 116b am Schieberkolben 116a des Ventils 116 abgesperrt, außer der Druck in der Leitung 114 ist größer als die Kraft der Feder 116c. So dient das Ventil 116 zum Aufrechterhalten eines Mindestdruckes, beispielsweise 1 bar (15 psig) im Raum 98a, auch wenn das Steuergerät 106 elektrisch oder anderswie ausfällt, um für die Leckage in den Zylindern aufzukommen. Wegen des minimalen Öldruckes ist die Leckage ohnehin gering, so daß kostspielige Abdichtungen für die Zylinder entfallen. Die Nachspeisung erfolgt aus der Kammer 98a über eine kleine Durchgangsbohrung 120 im Kolben 100 in den Ringraum 104. Ein Rückschlagventil 122 sperrt den Austritt von Öl in Richtung Kammer 98a ab. In den Fig. 3 bis 11 sind die den Fig. 12 bis 14 entsprechenden Bauteile mit einem Apostroph versehen, also ist die Einlaßleitung 82' in den Fig. 3 bis 11 mit der Einlaßleitung 82 der Fig. 12 bis 14 identisch. Die Rückschlagventile 84' und 86' in den Fig. 3 bis 11 sind vom Scheibentyp, während in den Fig. 12 bis 14 Ventilkugeln dargestellt sind.
Die Zylinder 54 und 56 widerstehen den positiven und negativen Momenten-Impulsen in der Nockenwelle 34 und werden von diesen abwechselnd druckbeaufschlagt, da jeder Kraft eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete Reaktionskraft entgegenwirkt. Das zyklische Unterdrucksetzen der Zylinder 54 und 56 äußert sich in einer hydraulischen Strömung und in einer Änderung der Drehlage des Kettenrades 32 gegenüber dem Kettenrad 30 entsprechend der gesteuerten Lage des Kolbenschiebers 100 im Ventil 92 und abhängig von den Rückschlagventilen 84 und 86.
In Fig. 12 erhält der Zylinder 54 bei positiven Drehmoment- Impulsen in der Nockenwelle 34 Druck und der Zylinder 56 erhält Druck während negativer Drehmoment-Impulse. In der Lage des Schiebers 100 kann Fluid aus dem Zylinder 54 (bei einem positiven Drehmomentimpuls) über den Kanal 88 und 64, den Ringraum 104, die Zuleitung 82, das Rückschlagventil 86 und die Leitung 90 in den ausfahrenden Zylinder 56 gelangen. Wird der Impuls negativ, so wird der Zylinder 56 unter Druck gesetzt, aber kein Fluid kann ausströmen, weil das Rückschlagventil 86 sperrt und ebenso der Bund 100b. Wenn also der Zylinder 54 einfährt und der Zylinder 56 nur ausfährt, verdreht der Nockenwellen-Versteller die Nockenwelle 34 in die Spätstellung.
Fig. 13 zeigt die Frühstellung der Nockenwelle 34 gegenüber der Kurbelwelle 22. Während eines negativen Momenten-Impulses strömt Fluid aus dem einfahrenden Zylinder 56 über die Leitung 96 und den Ringraum 104 und das sich öffnende Rückschlagventil 84 in den ausfahrenden Zylinder 54. Sobald das Drehmoment der Kurbelwelle 34 positiv wird, erhält der Zylinder 54 Druck, kann aber nicht ausströmen, da das Rückschlagventil 84 geschlossen ist und der Bund 100a absperrt. Deshalb kann der Zylinder 56 einfahren und der Zylinder 54 nur ausfahren und die Verstellung bringt die Nockenwelle 34 in die Frühstellung gegenüber der Kurbelwelle 22.
Fig. 14 zeigt den Zustand mit dem Kolbenschieber 100 in Ruhelage. Dabei sperrt das Ventil 98 ab und nur aus der Kammer 98a kann Fluid über die Rückschlagventile in die Zylinder 54, 56 strömen, um Leckage auszugleichen. Infolge des fehlenden Fluidaustausches zwischen den Zylindern können diese nicht einfahren und die Nockenwelle ist in dieser Zwischenlage "blockiert".
Die Fig. 12 und 13 zeigen den Kolbenschieber 100 ganz offen, so daß sich eine maximale Strömungsmenge ergibt. Gewünschtenfalls kann der Kolbenschieber 100 aber auch nur teilweise geöffnet werden und damit läßt sich die Größe der Änderung der Drehlage begrenzen. Die Nockenwellenverstellung sowie die Größe der Verstellung werden also vom gleichen Ventil gesteuert.
Die Fig. 15 und 16 zeigen eine Abwandlung, bei der das Prinzip der Fig. 3 bis 14 auf eine von oder beide Nockenwellen eines Motors mit doppelter Nockenwelle übertragen wird. Hier umschlingt eine von einer Kurbelwelle angetriebene Kette 228 ein Kettenrad 232, das schwenkbar in einem begrenzten Winkel auf einer Auslaßventil-Nockenwelle 226 gelagert ist und eine in entsprechender Weise auf einer Einlaßventil-Nockenwelle 234 gelagertes Kettenrad 324. Die Gehäuseenden einfach wirkender Zylinder 254 und 256 sind schwenkbar am Kettenrad 232 an den anderen Seiten der Nockenwelle 226 befestigt und die kolbenseitigen Enden der Zylinder sind in der Weise hydraulisch steuerbar, wie dies in den Fig, 3 bis 18 dargestellt ist. Somit gelangt durch die Gegenbewegung der Zylinder 254, 256 die Nockenwelle 226 gegenüber der nicht dargestellten Kurbelwelle in Früh- bzw. Spätstellung. Die zylinderseitigen Enden der einfach wirkenden Zylinder 354, 356 sind am Kettenrad 324 an entgegengesetzten Seiten der Nockenwelle 234 befestigt und die kolbenseitigen Enden sind an einem Bügel 330 befestigt, der fest auf der Nockenwelle 234 sitzt. Die Zylinder 354, 356 sind hydraulisch wie die Zylinder 54 und 56 in den Fig. 3 bis 14 angeschlossen und arbeiten gemeinsam, aber unabhängig von den Zylindern 254, 256. Auf diese Weise gelangt die Nockenwelle 234 gegenüber der Kurbelwelle in Früh- bzw. Spätstellung. Abhängig von der gesteuerten Betätigung der Zylinder 254 und 256 einerseits und der Zylinder 354 und 356 andererseits erfolgt das Verstellen der Nockenwelle 234 nach vorwärts und rückwärts, aber unabhängig von der Verstellung der Nockenwelle 226 vorwärts und rückwärts. Das hydraulische System für diese Ausführungsform ist nicht dargestellt, entspricht aber dem System der Fig. 3 bis 14.
Fig. 17 bis 19 zeigen die Anwendung des Prinzips der Fig. 3 bis 14 und 15 bis 16 auf die Drehstellung einer einzelnen Nockenwelle eines Motors gegenüber der Kurbelwelle. Die Fig. 17 bis 19 zeigen die Anwendung bei einem Motor mit O.C., doch gilt dies auch bei Unterbringung der einzigen Nockenwelle im Block.
So ist eine endlose Kette 338 von einer nicht gezeigten Kurbelwelle angetrieben und umschlingt ein Kettenrad 232, das auf einer Nockenwelle 326 um einen bestimmten Winkel drehbar angeordnet ist und mit dieser rotiert. Die zylinderseitigen Enden der einfach wirkenden Zylinder 454 und 456 sind schwenkbar an einem hydraulischen Gehäuse 334 befestigt, das fest auf der Nockenwelle 326 sitzt und die kolbenseitigen Enden der Zylinder 454 und 456 sind schwenkbar an einem Bügel 336 befestigt, der am Kettenrad 332 angebracht ist. Das Gehäuse 334 hat innere Fluidkanäle entsprechend dem Gehäuse 334 der Ausführungsform in den Fig. 3 bis 14 und ist von einem Deckel 350 abgeschlossen, der am Gehäuse 334 mit Schrauben 352 befestigt ist. Das System der Ausführungsform in den Fig. 17 bis 19 ist das gleiche wie das System in den Fig. 3 bis 14 und gleiche Elemente außer den Zylindern 454 und 456 sind mit Doppelapostroph versehen. Beispielsweise trägt die Einlaßleitung in den Fig. 18 und 19 das Bezugszeichen 82".
Im Betrieb dieser Ausführungsform treten Drehmomentimpulse in der Nockenwelle 326 auf, die also auf das Gehäuse 334 wirken und damit sucht sich der Umfangsteil des Gehäuses 334 gegenüber der Nockenwelle 332 in Früh- bzw. Spätstellung zu verdrehen. Wiederum läßt sich auf diese Weise die Nockenwelle 336 gegenüber der Kurbelwelle in Früh- bzw. Spätstellung verdrehen, oder das elektronische Steuergerät des Motors kann das Ventil so verstellen, daß beide Zylinder 454 und 456 abgesperrt sind, um das Gehäuse 334 in einer bestimmten Drehlage zu halten.
Die Fig. 20 bis 29 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Gehäuse in Form eines Kettenrades 432 schwenkbar auf einer Nockenwelle 426 gelagert ist. Die Nockenwelle 426 steht stellvertretend für eine einzige, oben liegende oder unten liegende Nockenwelle eines Motors oder bei einer Maschine mit doppelter Nokkenwelle für die die Einlaßventile oder Auslaßventile antreibende Nockenwelle. Stets sind das Kettenrad 432 und die Nockenwelle 426 zusammen verdrehbar und werden von einem Kettenrad 432 über eine endlose Rollenkette 438 angetrieben, die auch die nicht dargestellte Kurbelwelle umschlingt. Das Kettenrad 432 ist auf der Nockenwelle 426 um einen bestimmten Drehwinkel schwenkbar gelagert, so daß die Drehlage der Nockenwelle 426 zur Kurbelwelle einstellbar ist.
Ein Pumpenflügelrad 460 sitzt fest auf der Nockenwelle 426 und hat zwei diametral entgegengesetzte, nach außen reichende Nocken 460a, 460b und ist am vergrößerten Ende 426a der Nockenwelle 426 mit Schrauben 462 befestigt, die durch das Flügelrad 460 in das Endteil 426a reichen. Diesbezüglich ist die Nockenwelle 426 mit einer Schulter 426b versehen, um die Nockenwelle genau gegenüber einem Motorblock (nicht dargestellt) zu positionieren. Das Flügelrad 460 liegt mit Hilfe eines Paßstiftes 464 genau am Endteil 426a. Die Nocken 460a, 460b liegen in radial nach außen reichenden Ausnehmungen 432a, 432b des Kettenrades 432, wobei das Umfangsmaß der Ausnehmungen etwas größer ist als das Maß der Nocken 460a, 460b, um eine Schwenkbewegung des Kettenrades 432 gegenüber dem Flügelrad 460 zu ermöglichen. Die Ausnehmungen 432a, 432b umschließen die Nocken 460a, 460b mit beabstandeten ringförmigen Platten 466, 468 in Querrichtung, die relativ zum Flügelrad 460 und damit relativ zur Nockenwelle 460 mit Bolzen 470 befestigt gind, die jeweils durch den gleichen Nocken 460a bzw. 460b greifen. Ferner ist der Innendurchmesser 432c des Kettenrades 432 gegenüber dem Außendurchmesser des Teils 460d des Flügelrades 460 zwischen den Nocken 460a, 460b abgedichtet und die Spitzen der Nocken 460a, 460b sind mit dichtungsaufnehmenden Schlitzen 460e, 460f versehen. So ist jede Ausnehmung 432a, 432b hydraulisch druckfest und in jeder Ausnehmung 432a, 432b auf jeder Seite des Nockens 460a, 460b kann hydraulischer Druck aufgebaut sein.
Die Betriebsweise der in den Fig. 20 bis 28 dargestellten Ausführungsform wird anhand der Fig. 29 erläutert. Fluid, hier Motorschmieröl, strömt über eine gemeinsame Einlaßleitung 482 in die Ausnehmungen 432a, 432b. Die Einlaßleitung 482 mündet an zwei Wechselventilen 484, 486, die mit Zuführleitungen 488, 490 zu den Ausnehmungen 432a, 432b, mit ringförmigen Sitzen 484a, 486a, Kugeln 484b, 486b und Federn 484c, 486c versehen sind. So ermöglichen die Rückschlagventile 484, 486 das anfängliche Füllen der Ausnehmungen 432a, 432b und ergänzen die unvermeidliche Leckage. Das Fluid gelangt in die Zuleitung 482 über ein Kolbenschieberventil 492, das innerhalb der Nockenwelle 426 angeordnet ist und Fluid wird aus den Ausnehmungen 432a, 432b über Rückführleitungen 494, 496 zum Ventil 492 zurückgeführt.
Das Ventil 492 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 498 und einem darin verschiebbaren Kolben 500, der zylindrische Bunde 500a und 500b an beiden Enden hat, die so angeordnet sind, daß der Bund 500b die Rückführleitung 496 bzw. der Bund 500a die Rückführleitung 494 sperrt, oder beide Bunde 500a, 500b beide Rückführleitungen 494 und 496 gemäß Fig. 29 sperren, so daß die Nockenwelle 426 in einer bestimmten Zwischenlage gegenüber der Kurbelwelle des Motors festgehalten wird.
Die Lage des Kolbens 500 im Gehäuse 498 wird von zwei Federn 502, 504 beeinflußt, von denen die Feder 502 den Kolben 500 nach links und die Feder 504 nach rechts drückt. Die Lage des Kolbens 500 bestimmt sich ferner durch den Druck in einer Kammer 498a an dem Bund 500a, die den Kolben 500 nach links drückt. Die Kammer 498a erhält Druckmittel (Motoröl) direkt vom Ölverteiler ("MOG") 530 des Motors; das Öl dient auch zum Schmieren eines Lagers 532, in dem die Nockenwelle 426 dreht.
Die Lageeinstellung des Kolbens 500 im Gehäuse 498 ist abhängig vom hydraulischen Druck in einem Druckzylinder 534, dessen Kolben 534a auf eine Verlängerung 500c des Kolbens 500 wirkt. Die Fläche des Kolbens 534a ist größer als die Fläche am Stirnende des Kolbens 500, die vom Druck in der Kammer 498 beaufschlagt ist, und ist vorzugsweise doppelt so groß. Damit sind die auf den Kolben 500 gegensinnig einwirkenden Drücke gleich, wenn der Druck im Zylinder 534 halb so groß ist wie der Druck in der Kammer 498a. Dies erleichtert die Steuerung der Lage des Kolbens 500, da bei gleichen Kräften der Federn 502 und 504 der Kolben 500 in der in Fig. 29 gezeigten Mittellage bei einem geringeren Druck als dem vollen Motoröldruck im Zylinder 534 ist, und damit der Kolben 500 in jede Richtung durch Vergrößern oder Verkleinern des Druckes im Zylinder 534 verschiebbar ist.
Der Druck im Zylinder 534 wird von einem vorzugsweise impulsbreiten modulierten Magnetventil 506 abhängig von einem Signal der elektronischen Motorsteuerung 508 gesteuert. Ist der Kolben 500 in der Neutralstellung, wobei der Druck im Zylinder 534 halb so groß ist wie der Druck in der Kammer 498a, so haben die Ein-/Aus-Impulse des Magnetventils 506 gleiche Länge. Verlängert oder verkürzt man die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit, so steigt oder fällt der Druck im Zylinder 534 gegenüber diesem hälftigen Wert und schiebt den Kolben 500 nach rechts oder nach links. Das Magnetventil 506 erhält Motoröl aus dem Ölverteiler 530 über einen Einlaß 540 und liefert Motoröl zum Zylinder 534 über eine Zuleitung 538. Wie die Fig. 22 und 23 zeigen, kann der Zylinder 534 an einem freien Ende der Nockenwelle 426 angeordnet sein, so daß der Kolben 534a gegen ein freies Ende 500c des Kolbens 500 wirkt. In diesem Fall ist das Magnetventil 508 vorzugsweise in einem Gehäuse 534b angeordnet, das auch den Zylinder 534a aufnimmt.
Um die Leckage in den Ausnehmungen 432a, 432b des Kettenrades 432 zu kompensieren, ist eine kleine Innenbohrung 520 im Kolben 500 zwischen der Kammer 498a zum Ringraum 498b vorgesehen, von wo es in den Einlaß 482 gelangt. In der Innenbohrung liegt ein Rückschlagventil 522, um den Austritt von Öl aus dem Ringraum 498b in die Kammer 498a zu sperren.
Das Flügelrad 460 wird abwechselnd von den Drehmomentpulsen in der Nockenwelle 426 im und gegen den Uhrzeigersinn beaufschlagt, um das Flügelrad 460 zu oszillieren und damit auch die Nockenwelle 426 gegenüber dem Kettenrad 432. In der in Fig. 29 dargestellten Lage des Kolbens 500 im Gehäuse 498 ist diese Schwingung durch das hydraulische Fluid in den Ausnehmungen 432a, 432b verhindert, da kein Fluid aus einer der Ausnehmungen austreten kann, wenn beide Rückführleitungen 494, 496 vom Kolben 500 abgesperrt sind. Wenn es beispielsweise gewünscht wird, daß sich die Nockenwelle 426 und das Flügelrad 460 im Gegenuhrzeigersinn gegenüber dem Kettenrad 432 verdrehen, so ist es nur nötig, den Druck im Zylinder 434 auf einen Wert größer als die Hälfte des Druckes in der Kammer 498a zu bringen. Dann wird der Kolben 500 nach rechts verschoben und öffnet die Rückführleitung 494. In diesem Zustand pumpen im Gegenuhrzeugersinn gerichtete Drehmomentimpulse in der Nockenwelle 426 Fluid aus der Ausnehmung 432a heraus, so daß der Nocken 460a des Flügelrades 460 in den Teil der Ausnehmung gelangt, aus der Fluid verdrängt wurde. Eine Drehung des Flügelrades im Gegensinn erfolgt aber nicht, da die Drehmomentimpulse in der Nockenwelle entgegengerichtet sind, wenn nicht und bis der Kolben 500 nach links schiebt, und zwar wegen der Absperrung der Strömung durch die Rückführleitung 496 mit Hilfe des Bundes 500b des Kolbens 500. Während Fig. 29 eine getrennte, in sich geschlossene Leitung zeigt, ist am Umfang des Flügelrades 460 ein offener Ölschlitz, das Element 460c in den Fig. 20, 21, 25, 26 und 27 vorgesehen, durch den Öl von der rechten Seite des Nockens 460a zur rechten Seite des Nockens 460b übertreten kann, die nämlich die nicht aktiven Seiten der Nocken darstellen. So erfolgt eine Bewegung des Flügelrades 460 relativ zum Kettenrad 432 im Gegenuhrzeigersinn, wenn die Rückführleitung 494 offen ist, und im Uhrzeigersinn, wenn die Rückführleitung 496 offen ist.
Ferner ist der Durchgang 482 mit einer Verlängerung 482a zur nicht aktiven Seite eines der Nocken 460a, 460b - hier der Nocken 460b - versehen, um ständig Öl auf die nicht aktiven Seiten der Nocken 460a, 460b zu führen und damit das Drehverhalten, die Dämpfung der Flügelradbewegung und die Schmierung der Lager des Flügelrades 460 zu verbessern.
Die in den Fig. 20 bis 28 aufgeführten Elemente, die den Elementen in der Fig. 29 entsprechen, besitzen die gleichen Bezugszahlen. Die Rückschlagventile 484 und 486 sind in den Fig. 20 bis 28 mit Scheiben versehen, in Fig. 29 mit Kugeln. Für die Ausführungsform der Fig. 20 bis 28 werden scheibenförmige Rückschlagventile bevorzugt, doch können auch andere Rückschlagventiltypen Verwendung finden.

Claims

Brennkraftmaschine mit einer um eine Achse drehbaren Kurbelwelle, einer um eine zweite, zur vorgenannten Achse parallel liegende Achse drehbaren Nockenwelle (426), die bei Rotation Drehmomentwechselbelastungen erfährt, einem mit einem ersten und zweiten am Umfang beabstandeten Nocken (460a,460b) versehenen Flügelrad (460), das an der Nockenwelle (426) befestigt ist, mit der Nockenwelle (426) rotiert und gegenüber der Nockenwelle (426) nicht oszillierbar ist, mit einem mit der Nockenwelle (426) rotierenden Gehäuse (432), das gegenüber der Nockenwelle (426) verdrehbar ist und erste und zweite am Umfang beabstandete Ausnehmungen (432a,432b) aufweist, von denen je eine Ausnehmung (432a,432b) je einen ersten bzw. zweiten Nocken (460a,460b) aufnimmt und eine Pendelbewegung des ersten und zweiten Nockens (460a,460b) ermöglicht, mit einer Übertragungseinrichtung (438) zum Übertragen der Drehbewegung von der Kurbelwelle auf das Gehäuse (433) und mit Mitteln (482, 488,480,492,494,496,500), die auf die Drehmoment-Wechselbelastungen der Nockenwelle (432) ansprechen und die Lage des Gehäuses (432) gegenüber der Nockenwelle (426) verändern, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Ausnehmung (432a,432b) von ersten und zweiten nicht ausgenommenen Abschnitten (432c) des Gehäuses (432) getrennt sind, jeder der ersten und zweiten, nicht ausgenommenen Abschnitte (432c) im wesentlichen bogenförmig verläuft und das Gehäuse (432) auf der Nockenwelle (426) von dem ersten und zweiten nicht ausgenommenen Abschnitt (432c) gelagert ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, bei der die Mittel (482, 488,490,492,494,496,500), die auf die Drehmoment-Wechselbelastungen ansprechen, Steuermittel (492,498,500) aufweisen, die eine Bewegung des Gehäuses (432) in einer ersten Richtung gegenüber der Nockenwelle (426) infolge eines Drehmomentimpulses auf die Nockenwelle (426) in einer ersten Richtung zulassen und in einer zweiten Richtung gegenüber der Nockenwelle (426) infolge eines Drehmomentimpulses auf die Nockenwelle (426) in einer zweiten Richtung verhindern.
3. Maschine nach Anspruch 2, bei der der erste bzw. zweite Nocken (460a,460b) jeweils eine erste bzw. zweite Ausnehmung (432a,432b) in einen ersten und einen zweiten Raum unterteilt und bei der die Steuermittel (492,498,500) Mittel (488,490) zum Beaufschlagen des ersten bzw. zweiten Raums der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) mit Hydraulikfluid aufweisen, wobei jeder erste bzw. zweite Raum der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) in der Lage ist, hydraulischen Druck zu halten.
4. Maschine nach Anspruch 3, bei der die Steuermittel (492,498,500) ferner Mittel (460c) zum gleichzeitigen Überführen von Hydraulikfluid aus dem ersten bzw. zweiten Raum der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) aufweisen.
5. Maschine nach Anspruch 4, bei der der erste bzw. zweite Raum der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) in der Lage ist, hydraulischen Druck zu halten und bei der die Steuermittel (492,498,500) umsteuerbar sind, um Hydraulikfluid aus dem ersten bzw. zweiten Raum der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) abzuführen und Hydraulikfluid in den ersten bzw. zweiten Raum der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) einzuleiten, wobei die Maschine ferner eine Motorsteuerung (508) aufweist, die auf mindestens eine Motorbetriebsbedingung anspricht, um die Betriebsweise der Steuermittel (492,498,500) wahlweise umzusteuern.
6. Maschine nach Anspruch 5, bei der das Hydraulikfluid aus Motor-Schmieröl besteht und mit Leitungen (540) zum Zuführen von Motor-Schmieröl aus einem Bereich (530) des Motors zu den Steuermitteln (492,498,500) und mit zweiten Leitungen (510) zum Überleiten von Motor-Schmieröl von den Steuermitteln (492,498,500) zu einem anderen Bereich (536) des Motors.
7. Maschine nach Anspruch 5, bei der die Durchgänge (460c) einen ersten bzw. zweiten Raum der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) mit dem ersten bzw. zweiten Raum jeweils der anderen ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) verbinden, so daß Hydraulikfluid zwischen dem ersten bzw. zweiten Raum einer ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) und dem ersten bzw. zweiten Raum der jeweils anderen ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) strömen kann.
8. Maschine nach Anspruch 7, bei der die Steuerung ferner ein Schieberkolben-Ventilgehäuse (498) aufweist, einen im Gehäuse (498) verschiebbaren Kolben (500) mit einem ersten und zweiten beabstandeten Kolbenabschnitt (500a,500b), einer ersten Rückführleitung (494), die von der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) zum Ventilkörper (498) führt, wobei der erste oder zweite Kolbenabschnitt (500a,500b) in einem ersten Lagebereich des Kolbenschiebers (500) in Ventilkörper (498) eine Strömung durch die erste Rückführleitung (494) sperrt und in einem zweiten Lagebereich des Schieberkolbens (500) im Ventilkörper (498) eine Strömung durch die erste Leitung (494) zuläßt, mit einer zweiten Rückführleitung (496), die von jeweils der anderen ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a, 432b) zum Ventilkörper (498) zurückführt, wobei jeweils der andere erste bzw. zweite Kolbenabschnitt (500a,500b) die Strömung durch die zweite Rückführleitung (496) im zweiten Lagebereich des Kolbenschiebers (500) im Ventilkörper (498) absperrt, Srömung durch die zweite Rückführleitung (496) in einem ersten Teil des ersten Lagebereichs des Kolbenschiebers (500) im Ventilkörper (498) zuläßt und eine Strömung durch die zweite Rückführleitung (496) in einem zweiten Teil des ersten Lagebereichs des Kolbenschiebers (500) im Ventilkörper (498) absperrt und mit Einlaßmitteln (482,488, 490), die vom Ventilkörper jeweils zu der ersten Ausnehmung (432a) und der zweiten Ausnehmung (432b) führen, wobei die Einlaßmittel (482,488,499) zwischen dem ersten und zweiten Kolbenabschnitt (500a,500b) in jeweils dem ersten Lagebereich und dem zweiten Lagebereich des Kolbenschiebers (500) angeordnet sind und eine Strömung von Hydraulikfluid vom Ventilkörper (498) zu jeweils der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) ungeachtet der Lage des Schieberkolbens (500) erlauben, wobei die Einlaßmittel (482,488,490) mit Rückschlagventilmitteln (484,486) versehen sind, um die Strömung von Hydraulikfluid aus jeweils der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a,432b) zum Ventilkörper (498) zu sperren.
9. Maschine nach Anspruch 8, bei der mindestens einer der Kolbenabschnitte (500a,500b) des Kolbenschiebers (500) einen inneren Durchgang (520) aufweist, durch den Hydraulikfluid zu den Einlaßmitteln (482,488,490) strömen kann, wobei der Durchgang (520) zweite Rückschlagventilmittel (522) aufweist, um Strömung von Hydraulikfluid aus den Einlaßmitteln (482,488,490) durch den Kolbenschieber (498) zu sperren.
10. Maschine nach Anspruch 8, bei der die Motorsteuerung (508) Mittel (534) zum Verschieben des Kolbenschiebers (500) im Ventilkörper (498) aufweist.
11. Maschine nach Anspruch 8, bei der die Einlaßmittel (482,488,490) zum Zuführen von Hydraulikfluid aus dem Ventilkörper (498) zur ersten bzw. zweiten Ausnehmung (432a, 432b) dienen, die Zuführleitungsmittel einen zur ersten Ausnehmung (432a) führenden ersten Zweig (488) und einen zur zweiten Ausnehmung (432b) führenden zweiten Zweig (490) aufweisen und ferner mit ersten Rückschlagventilmitteln (484) im ersten Zweig (488) zum Sperren der Strömung aus der ersten Ausnehmung (432a) in den Ventilkörper (498) und zweite Rückschlagventilmittel (486) im zweiten Zweig (490) zum Sperren von Strömung aus der zweiten Ausnehmung (432b) in den Ventilkörper (498).