DE3543537A1 - Valve timing device for reciprocating piston engines with variable valve timings - Google Patents
Valve timing device for reciprocating piston engines with variable valve timingsInfo
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Abstract
Description
Ventilsteuereinrichtung für Hubkolbenmotoren mit variablenValve control device for reciprocating engines with variable
Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung, die in gegebenen Grenzen eine Veränderung der Phasenlage und der Phasenlänge (Fig.4) des Ventilerhebungswinkels ohne Ventilhubverlust ermöglicht, indem zwischen zwei Steuernocken (1/2), die auf ein Ventil arbeiten, mit den extremen Phasenlängen (längste, kürzeste Phasenlänge) und unterschiedlichen Phasenlagen, als gegebene Grenzventilerhebungsprofile (Fig.4), mit Hilfe zweier, diese Nocken abtastenden Stößel (la/2a), die untereinander durch hydraulische Polster (3/4) veränderbarer Stärke kinematisch gekoppelt werden, oder mit Hilfe zweier Schlepphebel (lb/2b), die jeweils in ihren Gegenlagern hydr. so gelagert und geführt werden, daß ihre Kinematik den Erfordernissen anpassbar wird (lb.l/2b.l), weich (übergangslos) hin- und hergeschaltet werden kann, so daß auch Zwischenphasenlagen und -längen erreichbar sind.The invention relates to a valve control which, within given limits a change in the phase position and the phase length (Fig. 4) of the valve lift angle made possible without valve lift loss by placing between two control cams (1/2) that work on one valve with the extreme phase lengths (longest, shortest phase length) and different phase positions, as given limit valve elevation profiles (Fig. 4), with the help of two, these Cam-scanning plungers (la / 2a), which are kinematically coupled to one another by hydraulic cushions (3/4) of variable strength, or with With the help of two rocker arms (lb / 2b), each in their counter bearings hydr. be stored and guided in such a way that their kinematics can be adapted to requirements becomes (lb.l / 2b.l), soft (seamlessly) can be switched back and forth so that intermediate phase positions and lengths can also be achieved.
Für einen hohen Wirkungsgrad der Kolbenmotore sind u.a. der Füllungsgrad, d.h. der Verbrennungsenddruck, sowie im Fahrbetrieb das Drehmomentverhalten im gesamten (insbes. auch unteren) Drehzahlbereich (Drehzahlniveau) von merklicher, optimierender Bedeutung.For a high degree of efficiency of the piston engines, among other things, the degree of filling, i.e. the final combustion pressure as well as the torque behavior during driving in the entire (especially lower) speed range (speed level) of noticeable, optimizing importance.
Der Füllungsgrad und das Drehmomentverhalten wird kennzeichnend durch die Anpassung der Ein/Auslassventilsteuerzeiten an die Erfordernisse der instationären Strömungsvorgänge beim Ladungswechsel beeinflußt.The degree of filling and the torque behavior is characterized by the Adaptation of the inlet / outlet valve timing to the requirements of the transient Influenced flow processes during gas exchange.
Es ist bekannt, daß dazu tendenziell mit steigender Drehzahl eine Verlängerung der Ventilöffnungsphasenlänge bzgl. des Drehwinkels (Fig.4) notwendig wird, ebenso eine Frühverschiebung der Phasenlage der Ventilbewegung. Zur Minimierung der an den Ventilen unvermeidlichen Drosselverluste, ist es günstig, einen möglichst großen Ventilhub zu realisieren.It is known that this tends to be an extension with increasing speed the valve opening phase length with respect to the angle of rotation (Fig. 4) becomes necessary, as well as an early shift in the phase position of the valve movement. To minimize the unavoidable throttle losses at the valves, it is advantageous to realize the largest possible valve lift.
Um bei der heute in der Großserie üblichen starren Ventilsteuerung dennoch eine relativ gute Füllung in großen Drehzahlbereichen zu realisieren, werden Resonanzeffekte im Ansaug- und Auspufftrakt überlappend und verstärkend in ihren Resonanzdrehzahlen zu den optimalen Ventilsteuerzeitdrehzahlen eingesetzt. Gaswechseldrosselverluste begegnet man mit großen Ventilöffnungsquerschnitten (z.B. Vierventiler, V-förmige Ventilanordnung) und Querstromzylinderköpfen. Diese Maßnahmen Können nur als Kompromiss, als kleiner Schritt in die richtige Richtung betrachtet werden.Nevertheless, with the rigid valve control that is common today in large-scale production to realize a relatively good filling in large speed ranges, resonance effects in the intake and exhaust tracts overlap and reinforce their resonance speeds to the optimal valve timing speeds used. Gas exchange throttling losses are countered with large valve opening cross-sections (e.g. four-valve valve, V-shaped valve arrangement) and cross-flow cylinder heads. These measures can only be viewed as a compromise, as a small step in the right direction will.
Eine der bekannten Lösungen für Ventilsteuerungen mit variablen Steuerzeiten ist in OS 25 14 727 dargelegt, die in der DE-OS 30 04 396 dazu in-One of the known solutions for valve controls with variable timing is set out in OS 25 14 727, which in DE-OS 30 04 396 for this purpose
is direkt bezogene Stellungsnahme auf eine diesbezgl. explizite Ausführung, berücksichtigt in ihrer Kritik nicht das Problem, daß die axiale Verschiebung bei angestrebter kompakter Motorbauweise mit einer Nockenwelle aus geometrischen Gründen (die Nocken überschneiden sich axial!) kaum realisierbar ist.is a directly related opinion on a related explicit execution, In their criticism does not take into account the problem that the axial displacement with the desired compact engine design with a camshaft for geometric reasons (the cams overlap axially!) is hardly feasible.
zo Die in der OS 30 41 864 und OS 27 47 884 vorgelegten Lösungen, sowie eine Reihe ähnlicher OS verändern legiglich die Ventilsteuerphasenlagen, womit ihre Effiziensverbessernde Wirkung prenzipbedingt eingeschränkt bleibt. Sowohl in DE-OS 21 01 542, als auch in DE-OS 30 04 396 wird die Änderung der Ventilsteuerphasenlänge durch entsprechenden, prenzipbedingten Hub-zo The solutions presented in OS 30 41 864 and OS 27 47 884, as well as a A series of similar OSs change the valve timing phase positions, which means their efficiency-improving effect remains limited due to the principle. Both in DE-OS 21 01 542, as well as in DE-OS 30 04 396, the change the valve control phase length by corresponding, prenzip-related stroke
" verlust erkauft, zudem kann die Ventilsteuerphasenlage, ebenfalls prenzipbedingt, kaum verändert werden."A loss is bought, and the valve control phase position, also due to prenzip, can can hardly be changed.
Der OS 01 12 644 zufolge entstehen, wie in Fig.2 dieser OS anschaulich dargestellt, erhebliche oszillierende Momentenschwankungen, die speziell im oberen Drehzahlbereich zu zerstörenden Torosionsschwingungen im Antriebsstrang führen können.According to OS 01 12 644, this OS arises as clearly shown in FIG shown, considerable oscillating torque fluctuations, the torsional vibrations in the drive train that are destructive especially in the upper speed range being able to lead.
Die durch DE-OS 34 06 100 vorgeschlagene Lösung beinhaltet im Anspruch a) ein in seiner Wirkung ähnliches Prenzip wie z.B. OS 27 47 884, so daß die in Anspruch b) angeführte Schlepphebelmodifikation auch zu allen mit der letztgenannten OS artverwandten Lösungen anwendbar ist.The solution proposed by DE-OS 34 06 100 is contained in the claim a) a principle similar in its effect to e.g. OS 27 47 884, so that the rocker arm modification mentioned in claim b) can also be used for all of the solutions related to the last-mentioned OS.
Ein ungelöstes Problem der Erfindug nach Anspruch b) ist, daß zumindest in der Ventilschließbewegung, je nach Schlepphebelverstellung ein vom sogen. "Ruckfreien Nocken" verschiedenes Bewegungsgesetz vorliegt, so daß mit erhöhtem Verschleiß gegenüber heute üblichen Steuereinrichtungen zu rechnen ist, wobei akustische Nachteile unberücksichtigt sind. Prinzipiell mit ähnlichen Problemen ist die OS 01 25 096 behaftet, zusätzlich treten hier unnötig hohe oszillierende Massen auf.An unsolved problem of the invention according to claim b) is that at least in the valve closing movement, depending on the rocker arm adjustment, a from sucked "Jerk-free cams" different laws of motion exist, so that with increased wear compared to control devices that are customary today is to be expected, whereby acoustic disadvantages are not taken into account. In principle, OS 01 25 096 is afflicted with similar problems, in addition unnecessarily high oscillating masses occur here.
In der DE-OS 28 22 147 (VW AG) wird ein in beliebige Lage aufspreitzbarer Doppelnocken als Steuerelement für variable Steuerzeiten ( und -lagen) eingesetzt, was abesehen vom enormen Bauaufwand (Wirtschaftlichkeit) auch noch den Nachteil eines unveränderlichen Ventilöffnungs/Schließdifferenzwinkels; denn die auf- und ablaufende Nockenflanke bleibt ja durch die Aufspreitzung zweier Nockenhälften in ihrer Form unverändert, und damit auch die dieser Form folgende Ventilöffnungs/Schließkinematik, so daß entweder schleppende Ventilsteuerung bei niedrigen Drehzahlen, oder zu harte (schlagende) Ventilsteuerung bei hohen Drehzahlen zu erwarten ist. Versuche, eine vollelektronische Ventilsteuerung mit elektrischem (DE-OS 30 24 042), oder hydr. Antrieben zu realisieren, scheitert i.d.R. an den für PKW-Motoren erforderlichen hohen Beschleunigungen bei den entsprechenden Frequenzen, denn die für elektronische Steuerung erforderliche Antriebsenergiebevorratung ist im Zusammenhang mit den erziehlbaren Antriebsaggregatwirkungsgraden so stark verlustbehaftet, daß der erhoffte Effiziensverbesserungseffekt sehr stark beschränkt, wenn nicht sogar ins Gegenteil verkehrt wird (Versuche Mitte der 70er Jahre in den USA). Auch aus diesem Grunde wird allgemein auf dem mit relativ gutem Wirkungsgrad versehenen Nocken-Stößel Prenzip zur Ventilsteuerung aufgebaut.In DE-OS 28 22 147 (VW AG) a can be spread open in any position Double cams used as a control element for variable timing (and positions), apart from the enormous construction costs (economic efficiency) nor the disadvantage of a fixed valve opening / closing differential angle; because the rising and falling cam flank remains unchanged in its shape due to the spreading of two cam halves, and thus also the valve opening / closing kinematics following this form, so that either sluggish valve control at low speeds, or too hard (beating) valve control at high speeds is to be expected. Attempts to have a fully electronic valve control with electrical (DE-OS 30 24 042), or hydr. Realizing drives usually fails because of the high accelerations required for car engines at the corresponding frequencies, because the drive energy storage required for electronic control is so lossy in connection with the achievable drive unit efficiency that it was hoped for Efficiency improvement effect is very limited, if not ins The opposite is wrong (trials in the USA in the mid-1970s). For this reason, too, is generally based on the with relatively good efficiency provided cam-tappet Prenzip for valve control.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrer Phaselage und -länge veränderliche Ventilsteuerung zu entwickeln, die eine optimale Anpassung an die Erfordernisse der Strömungsverhältnisse beim Gaswechsel, zwecks Erzielung eines optimierten Füllungsgrades, ermöglicht, ohne dabei wirtschaftliche Aspekte zu vernachlässigen, d.h. in vorhandenen Motoren ohne zu grossen Bauaufwand realisieren zu können.The invention is based on the object of a phase position and -to develop variable length valve control that optimally adapts to the requirements of the flow conditions during gas exchange, for the purpose of achieving an optimized degree of filling, made possible without neglecting economic aspects, i.e. in existing engines without being able to realize too much construction effort.
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Oiese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen zwei Steuernocken mit den extremen Steuerzeiten und unterschiedlichen Phasenlagen (1/2) durch geeignete Abtastsysteme nach den Patentansprüche?! 1. bis 16. stufenlos und weich hin- und hergeschaltet wird , so daß auch Zwischenphasenlagen und -längen der Steuerzeiten(winkel) erreichbar sind.This object is achieved according to the invention in that between two Control cam with the extreme control times and different phase positions (1/2) through suitable scanning systems according to the claims ?! 1. to 16. is continuously and smoothly switched back and forth, so that intermediate phase positions and lengths of the control times (angle) can also be achieved.
Um ein weiches Überwechseln von einer Steuernocke zur anderen zu gewährro leisten, sind die beiden entsprechenden Stößel/Schlepphebel untereinander durch hydraulische Polster veränderlicher Stärke kinematisch gekoppelt, so daß der bei jedem Ventilhubzyklus auftretende Oifferenzhub zwischen den zwei Stößeln/Schlepphebeln bestrebt ist, diese Polster (3a/3b) zu verkleinern, was bei niedrigen Drehzahlen trotz der Drossel im Ölkanal is auch gelingen soll, denn in dieser Betriebsphase sollte die Nocke mit der kürzeren Phasenlänge die Steuerzeit bestimmen.To ensure a smooth changeover from one control cam to the other perform, the two corresponding tappets / rocker arms are one below the other kinematically coupled by hydraulic cushions of variable strength, so that the differential stroke occurring in each valve lift cycle between The aim of the two tappets / rocker arms is to make these pads (3a / 3b) smaller, which at low speeds despite the throttle in the oil channel is also supposed to succeed, because in this operating phase the cam with the shorter phase length determine the control time.
Mit steigender Drehzahl jedoch, wird die Zeit, die während der Ventilandrückphase mit Differenzhub zur Verringerung der Polsterstärke zur ver-0 fügung steht, immer kürzer, so daß mit Hilfe einer verstärkten Drosselwirkung das Polster zwischen den Stößeln (3a), bzw. das Polster des Schlepphebels (3b) ständig (drehzahl- und lastabhängig) anwächst, bis der Nocken mit der längsten Steuerphase (und verschobenen -) völlig die Steuerzeiten bestimmt. Die Lage der Ölversorgungsnut (5a/5b) bestimmt ab 5 welchem Hub keine nennenswerte Veränderung der hydr. Polster (3a/3b) möglich wird (Fig.1/Fig.2).As the speed increases, however, the time that is spent during the valve pressure phase increases with a differential stroke to reduce the padding thickness is available, always shorter, so that with the help of an increased throttling effect the cushion between the tappets (3a) or the cushion of the rocker arm (3b) grows continuously (speed and load dependent) until the Cam with the longest control phase (and shifted -) completely the control times certainly. The position of the oil supply groove (5a / 5b) determines from 5 which stroke no significant change in the hydr. Cushions (3a / 3b) possible (Fig.1 / Fig.2).
Dies ist neben der Drossel und den Ölkanaldrosselwirkungen ein mitbestimmender Parameter für das dynamische Übernahmeverhalten im Betrieb. Als Schutz für die Ölversorgung vor den hohen Druckspitzen der Ölpolster 0 (3) ist das Rückschlagventil (6) zu betrachten, außerdem definiert es den Rückfluß der Polster (3) durch die Drossel (7). Der hinter der Drossel angeordnete, federbelastete Druckspeicher nimmt die Volumenschwankungen des Ölpolsters (3) auf.In addition to the throttle and the oil channel throttle effects, this is one of the determining factors Parameters for the dynamic takeover behavior in operation. As protection for the oil supply from the high pressure peaks of the oil cushions 0 (3) the check valve (6) is to be considered, it also defines the Backflow of the cushion (3) through the throttle (7). The spring-loaded pressure accumulator located behind the throttle absorbs the fluctuations in volume of the oil pad (3).
Im mittleren Drehzahlbereich hebt somit der Nocken mit den langen Steuerzeiten das Ventil an, bis dann die andere Nocke auf ihrer Flanke übernimmt und den vollen Hub sicherstellt. Diese Übernahme stellt jedoch ein Sprung in der Ventilgeschwindig dar, d.h. es entsteht ein Ruck, der erfindungsgemäß durch die hydr. Polster (3/4) der Stößel (2a.l/2a.2) bzw. der Schlepphebel (lb/2b) soweit abgedämpft wird, daß ein aktzeptables Übernahmeverhalten erreicht wird. Dazu ist es notwendig, daß die StößelIn the medium speed range, the cam with the long control times therefore lifts the valve on until the other cam takes over on its flank and ensures the full stroke. However, this takeover is discontinued Jump in the valve speed, i.e. there is a jolt that, according to the invention through the hydr. Pad (3/4) of the tappet (2a.l / 2a.2) or the rocker arm (lb / 2b) is dampened to such an extent that an acceptable Takeover behavior is achieved. For this it is necessary that the plunger
ίο (2a.1/la)/Schlepphebel (lb/2b) ständig an der Nockenflanke anliegen, damit die Dämpfung über genügend Dämpfungsweg verfügt.ίο (2a.1 / la) / rocker arm (lb / 2b) are constantly in contact with the cam flank so that the damping has sufficient damping path.
Die erzielbaren Vorteile durch die Erfindung liegen in der Anpassungsfähigkeit der Steuerzeiten an die gegebenen Bedürfnisse des Betriebszu-Standes des jeweiligen Motors, so daß praktisch ein deutlich flacherer Drehmomentverlauf auf hohem Niveau in sehr weiten Drehzahlgrenzen gegenüber heutigem Standart möglich wird, mit den entsprechenden Folgen für den Kraftstoffkonsum unter gleichen Leistungsbedingungen. Die Drehzahlgrenzen für den flachen Drehmomentverlauf werden durch die 0 beiden Steuernockenkonturen betimmt.The advantages that can be achieved by the invention are adaptability the timing of the given needs of the operating state of the respective engine, so that practically a much flatter Torque curve at a high level in very wide speed limits today's standard is possible, with the corresponding consequences for fuel consumption under the same performance conditions. The speed limits for the flat torque curve are determined by the two control cam contours.
Ausführungsbeispiel ist die Stößelversion mit konzentrischer Stößelanordung, da diese Version auf einfache Weise für einige Motortypen direkt anwendbar ist. In der Zeichnung Fig.l sind die entsprechenden 5 Teile dargestellt. Die hierbei notwendige Verdrehführung (18) des Stößels (2a.1) resultiert aus der zylinderförmigen Abrundung desselben Stößels, die wegen des geringen Durchmessers dieses Stößels nötig ist, um Kantenpressung der Nocke auszuschließen. Dies kann selbstverständlich enfallen, wenn durch einen ensprechenden Durchmesser, oder eine andere Kontur 0 dieses Stößels, Kantenpressung auch bei flacher Berührungsebene zur Nocke ausgeschlossen wird.The exemplary embodiment is the ram version with a concentric ram arrangement, as this version can easily be used directly for some engine types. In the drawing Fig.l are the corresponding 5 parts shown. The necessary twisting guide (18) of the plunger (2a.1) results from the cylindrical rounding of the same ram, which is necessary because of the small diameter of this tappet in order to exclude edge pressure on the cam. This can of course be omitted, if by a corresponding diameter or another contour 0 of this ram, edge pressure even with a flat contact plane to the cam is excluded.
Die am Stößel (la) angebrachten Ölkanäle sichern die Versorgung der hydr. Polster sowohl für den Stößel im Zentum als Dämfung, als auch zwischen den Stößeln (la) und (2a).The oil channels attached to the tappet (la) ensure the supply of the hydr. Pad both for the ram in the center as a cushioning, as well as between the tappets (la) and (2a).
Aus dynamischen Gründen ist es zweckmäßig, die Ölzufuhr zur Ölversorgungsnut (5), durch eine andere Bohrung vorzunehmen, als die Bohrung, welche zur Drossel führt.For dynamic reasons it is advisable to switch the oil supply to the oil supply groove (5), to be carried out through a different hole than the hole that leads to the throttle.
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