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Dokumentenidentifikation DE19737206C2 02.06.1999
Titel Verfahren zum Regeln des Kraftstoffverbrauchs bei Ottomotoren sowie Nockenwelle dafür
Anmelder Wilke, Johannes, 78345 Moos, DE
Erfinder Wilke, Johannes, 78345 Moos, DE
Vertreter Hiebsch Peege Behrmann, 78224 Singen
DE-Anmeldedatum 27.08.1997
DE-Aktenzeichen 19737206
Offenlegungstag 11.02.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.06.1999
IPC-Hauptklasse F02D 15/04
IPC-Nebenklasse F02D 13/04   F01L 1/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Kraftstoffverbrauchs bei Ottomotoren mit wenigstens einer Nockenwelle für Einlass- und Auslassventilen unter Erzeugen einer Kompression vor dem Zünden eines Kraftstoffes, wobei die Kompression durch Verlängern der Öffnungszeit der Einlassventile vermindert wird. Zudem erfaßt die Erfindung eine Nockenwelle zur Durchführung des Verfahrens.

Der größte Widerstand für einen motorgetriebenen Personenkraftwagen ist der durch die Kompression - das Verdichten von Gasen od. dgl. im Verbrennungsmotor vor dem Zünden - bedingte Innenwiderstand seines Motors. Dieser Widerstand ist schon im Leerlauf, also auch bei stehendem Fahrzeug, vorhanden und steigt dann mit der Motordrehzahl - unabhängig von der abgegebenen Leistung - in linearer Abhängigkeit von Hubraum und Drehzahl an. Der Motor benötigt beispielsweise eine Kompression von 9 : 1 um seine volle Leistung abzugeben; bei einer geringeren Kompression ist die abgegebene Leistung geringer, aber auch der Innenwiderstand.

Ein Personenkraftwagen der gehobenen Mittelklasse wird seine volle oder annähernd volle Motorleistung höchstens beim Beschleunigen oder bei hoher Geschwindigkeit benötigen, für einen Großteil der Fahrten im Stadt- und Vorstadtbereich bzw. auf der Landstraße reicht zur Überwindung des Luft- und des Rollwiderstandes ein Bruchteil der vollen Motorleistung aus. Wird unter solchen Teillastbedingungen die Kompression heruntergeregelt, verringert sich der Innenwiderstand des Motors, was selbst unter der Annahme einer gleichzeitigen ungünstigen Veränderung des Wirkungsgrades zu einer Kraftstoffeinsparung ohne Verringerung der Drehzahl führt.

Eine Vorrichtung zur drosselfreien Laststeuerung eines Ottomotors über die Hubfunktion eines oder mehrerer Einlassventile pro Zylinder, mit einer Einrichtung zum Abtasten der Nockenkonturen von zwei - sich normalerweise mit gleicher Drehzahl drehenden, in gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordneten - Nockenwellen in Art eines Addierers, einem Betätigungshebel, an dem die Abtasteinrichtung beweglich geführt ist und der die Bewegung der Abtasteinrichtung zur Betätigung des Einlassventils auf dieses überträgt, und einer Einrichtung zum Verändern der Phasenlage zwischen den Nockenwellen zur Veränderung von Hub und/oder Öffnungsdauer des Einlassventils beschreibt die DE 196 00 536 A1.

Dort ist die eine Nockenwelle als Auslassnockenwelle mit wenigstens einer Auslassnockenscheibe zur Steuerung des Auslassventils und mit einer weiteren Öffnungsnockenscheibe ausgebildet, die das Öffnen des Einlassventils steuert und deren Nockenkontur einen Grundbereich und einen Erhebungsbereich aufweist, die über einen Öffnungsbereich ineinander übergehen; die andere Nockenwelle ist mit einer Schließnockenscheibe ausgebildet, die das Schließen des Einlassventils steuert und deren Nockenkontur einen Erhebungsbereich und einen Grundbereich aufweist, die über einen Schließbereich ineinander übergehen. Die Abtasteinrichtung ist beim Öffnen des Einlassventils normalerweise mit dem Erhebungsbereich der anderen Nockenwelle und dem Öffnungsbereich der Auslassnockenwelle in Eingriff sowie beim Schließen des Einlassventils mit dem Erhebungsbereich der Auslassnockenwelle und dem Schließbereich der anderen Nockenwelle in Eingriff. Dabei sind die beiden Ventile senkrecht zu den Achsen der Nockenwellen voneinander beabstandet - das Auslassventil befindet sich auf der Seite der Auslassnockenwelle und das Einlassventil auf der Seite der anderen Nockenwelle, und der im Bereich der Achse des Einlassventils endende Betätigungshebel ist im Bereich der Achse des Auslassventils gelagert. Ein weiterer Betätigungshebel für das Auslassventil lagert im Bereich der Achse des Einlassventils und weist ein Abtastglied zum Abtasten der Auslassnockenscheibe auf.

Es handelt sich um eine äußerst komplizierte Mechanik, deren Umsetzung in den praktischen Betrieb sich schwierig gestalten dürfte.

Die diesem Stande der Technik vorgängigen beiden Schriften DE 43 01 453 A1 und DE 44 46 725 A1 befassen sich ebenfalls mit der Steuerung der Einlassventile durch zwei Nockenwellen mit veränderbarer Phasenlage.

Nach der DE 41 04 872 A1 werden mindestens zwei Einlassventile je Zylinder von zwei Nockenwellen betätigt, deren Stellung zueinander einer variablen Zylinderfüllung halber verändert zu werden vermag.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, Verfahren zur Verringerung des Kraftstoffverbrauches bei Ottomotoren der eingangs beschriebenen Art zu verbessern sowie eine dies ermöglichende Vorrichtung einfachen Aufbaus anzubieten; da viele Verkehrssituationen kurzzeitig eine hohe Motorleistung erfordern, muss die Verringerung der Kompression allerdings genau regelbar und in Sekundenbruchteilen aufhebbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängigen Ansprüche; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß wird zur Änderung der Schließzeiten die Nockenwelle axial verschoben und die Öffnungszeit der Einlassventile stufenlos verändert, wonach die Kompression nach Unterbrechung des Minderungsvorgangs auf ihren Ausgangswert zurückgeführt wird.

Die Änderung der Schließzeiten wird also durch axiales Verschieben der Nockenwelle bewirkt sowie durch speziell geformte Nocken; während die Nocken der Auslaßventile - im Vergleich zu üblichen Nockenscheiben - lediglich axial länger sind, damit sie bei der Verschiebung der Nockenwelle ihre Funktion unverändert beibehalten können, sind die Nockenkörper der Einlaßventile zusätzlich so geformt, daß sie bei jenem Verschieben der Nockenwelle die Ventile länger geöffnet halten. Hierzu ist der Nockenkörper einends mit einer Nase versehen, die eine gekrümmte Führungs- oder Nockenfläche begrenzt. Letztere wird von einer achsparallelen Mantellinie des Nockenkörpers sowie von einer Geraden begrenzt, die von einer Flanken- oder Kammlinie des Nockenkörpers in einem Winkel von etwa 45° ausgeht.

Sowohl das Verschieben der Nockenwelle als auch die Menge des einzuspritzenden Benzins werden zweckmäßig elektronisch geregelt.

Ein eventuelles Aufladen durch Turbolader oder Kompressor kann in Abhängigkeit von der Kompression geregelt werden. Da sichergestellt werden muß, daß beim Verzögern und Bremsen stets die volle Kompression des Motors genutzt wird, wird durch Verzögerungsfühler beim Bremsen die Kompressionsverringerung aufgehoben.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer erheblichen Verminderung des Kraftstoffverbrauches unter Teillastbedingungen und zu Einsparungen vor allem bei großvolumigen Motoren - unter Beibehaltung ihrer Leistungsreserven. Das Regeln von Leistung und Verbrauch - mit einer leicht modifizierbaren elektronischen Regelung - geschieht ohne ein Absenken der Drehzahl.

Als günstig hat sich zudem erwiesen, daß eine Nachrüstung älterer Modelle von Ottomotoren möglich ist.

Auf Dieselmotoren ist das beschriebene Prinzip nicht anwendbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1: eine seitliche Schrägsicht auf einen Teil einer Nockenwelle;

Fig. 2: die Untersicht zu Fig. 1;

Fig. 3, 4: zwei Stirnansichten zu Fig. 1 nach deren Pfeilen III und IV.

Auf einer Nockenwelle 10 des Durchmessers d eines nicht weiter dargestellten Ottomotors ist - statt üblicher Nockenscheiben - ein Nockenkörper 12 der axialen Länge a zu erkennen, der einem nicht erkennbaren Ventilstößel zugeordnet ist.

Die in Fig. 1 linke Stirnfläche 14 des Nockenkörpers 12 entspricht etwa den üblichen Stirnflächen von Nockenscheiben mit einem sich über einen Stirnwinkel w von etwa 240° erstreckenden Ringteil 15 einer Schichtdicke b von hier etwa 5% jenes Durchmessers d sowie einer anschließenden Dreieckskontur 16, die eine gerundete Nockenspitze 17 ergibt; die Winkelschenkel S, S1 des Stirnwinkels w bestimmen am Umfang 18 des Ringteils 15 gemäß Fig. 3, links, zwei Tangenten Q, Q1, die in jene Dreieckskontur fallen. Durch ihre Schnittpunkte 20, 22 mit jenen Winkelschenkeln S, S1 verlaufen Mantellinien M, M1 des Nockenumfangs 18.

Von der Nockenspitze 17 als Scheitelpunkt geht in Fig. 1 eine - ebenfalls zur Wellenachse A parallele - Flankenlinie N aus, die an der anderen - rechten Stirnfläche 24 des Nockenkörpers 12 am Schnittpunkt 26 mit der dort verlaufenden hinteren Tangente Q2 des Nockenumfangs 18 den Beginn einer Teilkreiskontur K bestimmt. Diese endet an einer parallelen unteren Tangente Q3, mit der sie einen Schnittpunkt 28 erzeugt. Diese Stirnfläche 24 stellt einen Abschnitt einer Teilringfläche - gegenüber dem Ringteil 15 - größerer Breite dar.

Vom unteren Schnittpunkt 28 verläuft zur oberen Nockenspitze 17 eine geneigte Gerade G, zwischen der und jener unteren Mantellinie M1 eine in Pfeilrichtung x zunehmend gekrümmte Führungsfläche F aufgespannt ist. Eine anschließende, in sich synklastisch gekrümmte Außen- oder Dreiecksfläche E wird von jener Geraden G, der Flankenlinie N und der Teilkreiskontur K bestimmt.

Im übrigen begrenzt die in Fig. 1 obere Mantellinie M mit der Flankenlinie N und den beiden Firsttangenten Q, Q2 eine etwa rechteckige Oberfläche H.

Jene Führungsfläche F dient der Führung des nicht gezeigten Ventilstößels od. dgl. Betätigungsstranges für das nicht erkennbare Ventil; bei axialem Verschieben der Nockenwelle 10 in Pfeilrichtung x - oder gegen sie - wird die Ventilschließzeit gesteuert; während die Nocken der Auslaßventile - im Vergleich zu üblichen Nocken - lediglich axial breiter sind, damit sie bei der Verschiebung der Nockenwelle ihre Funktion unverändert beibehalten können, sind die Nockenkörper 12 der Einlaßventile zusätzlich so geformt, daß sie beim Verschieben der Nockenwelle 10 die Ventile länger geöffnet halten. Dies geschieht dank der am Nockenkörper 12 einends vorgesehenen Nockenspitze oder Nase 17, an die jene gekrümmte Führungsfläche F anschließt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Regeln des Kraftstoffverbrauches bei Ottomotoren mit wenigstens einer Nockenwelle für Einlass- und Auslassventile unter Erzeugung einer Kompression vor dem Zünden eines Kraftstoffes, wobei die Kompression durch Verlängern der Öffnungszeit der Einlassventile vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung der Schließzeiten die Nockenwelle axial verschoben und die Öffnungszeit der Einlassventile stufenlos verändert wird, wonach die Kompression nach Unterbrechung des Minderungsvorgangs auf ihren Ausgangswert zurückgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Nockenwelle elektronisch geregelt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang der Kompressionsverringerung während eines Bremsvorganges unterbrochen wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Kraftstoffmenge geregelt wird.
  5. 5. Nockenwelle zum Führen von Ventilen eines Ottomotors zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (10) axial verschiebbar gelagert ist, sowie zum Steuern der Einlassventile auf der Nockenwelle (10) wenigstens ein Nockenkörper (12) einer axialen Länge (a) vorgesehen und mit einer gekrümmten Führungsfläche (F) ausgestattet ist, die sich von einer nockenartigen Stirnfläche (14) bis zur anderen Stirnfläche (24) an einer zur Wellenachse (A) geneigten Geraden (G) erstreckt.
  6. 6. Nockenwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (F) von einer achsparallelen Mantelfläche (M1) des Nockenkörpers (12) sowie von einer Geraden (G) begrenzt ist, die von einer Flankenlinie (N) des Nockenkörpers in einem Winkel von etwa 45° ausgeht.
  7. 7. Nockenwelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Geraden (G), der Flankenlinie (N) und einer Teilkreiskontur (K) eine an die Führungsfläche (F) anschließende Dreiecksfläche (E) bestimmt ist.
  8. 8. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine teilellipsoide Führungsfläche (F).






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