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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2009 020 100 A1 ist ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt, der sich durch eine im Wesentlichen dreieckige Querschnittsform auszeichnet. Der Zylinderkopf hat eine ebene Einlassflanschfläche, sowie eine gegenüberliegende, ebene Auslassflanschfläche. Die beiden Flanschflächen sind so zu einander geneigt, dass eine gedachte Schnittgerade der beiden Flanschflächen sich oberhalb des Zylinderkopfes befindet. Dadurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Zylinderköpfen eine abzudichtende Flanschfläche zwischen Zylinderkopf und einer Zylinderkopfhaube sowie die Zylinderkopfhaube selbst entfallen. Der Aufwand zum Abdichten und der Montageaufwand verringern sich somit.
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Aus der
DE 10 2007 037 745 A1 ist eine Ventiltriebumschaltvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Betätigungseinheit für Gaswechselventile der Brennkraftmaschine bekannt. Die Betätigungseinheit umfasst mindestens eine Betätigungsvorrichtung zur Betätigung der Gaswechselventile. Zum Steuern und/oder Regeln der Betätigungseinheit für die Gaswechselventile ist eine aus mindestens einem Aktuator bestehende Aktuatoreinheit vorgesehen, die zumindest teilweise außerhalb eines Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei dem Aktuator handelt es sich um einen Stift. Ein radiales Eintauchen des Stiftes in die als Schaltkulisse ausgeführte Betätigungsvorrichtung, die vorzugsweise an einer Nockenwelle ausgebildet ist, ermöglicht eine axiale Verschiebung der Nockenwelle. Die axiale Verschiebung wird durch mindestens eine, an der Betätigungsvorrichtung ausgebildete Schaltkulisse erreicht. Die Nockenwelle weist mindestens zwei direkt benachbarte Nocken, mit verschiedenen Nockenformen auf. Durch die axiale Verschiebung der Nockenwelle können somit die Ventilöffnungszzeiten sowie die Höhe der Ventilöffnung durch die verschiedenen Nockenformen verändert werden. Die Betätigungseinheit ist an einem konventionellen Zylinderkopf ausgeführt.
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Dem gegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit einem im Querschnitt dreiecksförmigen Zylinderkopf bereitzustellen, der eine Ventiltriebumschaltvorrichtung aufweist.
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Die Brennkraftmaschine weist mindestens einen Zylinderkopf auf, dessen Einlasskanäle an einer Einlassflanschfläche und dessen Auslasskanäle an einer gegenüberliegenden Auslassflanschfläche münden, wobei die Flanschflächen zueinander geneigt angeordnet sind, so dass eine gedachte Schnittgerade der beiden Flanschflächen oberhalb des mindestens eines Zylinderkopfes liegt und der mindestens eine Zylinderkopf einen zumindest im Wesentlichen dreiecksförmigen Querschnitt aufweist, wobei je eine Nockenwellenlagergasse für eine Nockenwelle in der Einlassflanschfläche und in der Auslassflanschfläche ausgebildet ist und ein Ölraum für eine Betätigungseinheit für Gaswechselventile vorgesehen ist, die mindestens eine Betätigungsvorrichtung umfasst. Erfindungsgemäß ist eine zumindest einen Aktuator umfassende Aktuatoreinheit zum Steuern und/oder Regeln der Betätigungseinheit für Gaswechselventile zwischen den Nockenwellenlagergassen der Nockenwellen im Ölraum vorgesehen. Aus der erfindungsgemäßen Bauform der Brennkraftmaschine ergeben sich ein geringer Abdichtungs-, sowie Montageaufwand und eine prozesssichere und kostengünstige Herstellung bei gleichzeitiger Möglichkeit der Veränderung der Öffnungszeiten und/oder Hubhöhen der Gaswechselventile.
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Die Betätigungseinheit umfasst mindestens eine Betätigungsvorrichtung und ist mit einer Aktuatoreinheit versehen, die wiederum aus mindestens einem Aktuator besteht. Bei der Betätigungseinheit handelt es sich um einen kompletten Ventiltrieb für alle Zylinder einer Brennkraftmaschine, das heißt alle wesentlichen Elemente für das öffnen und Schließen der Gaswechselventile auf der Einlass- und/oder Auslassseite. Dazu gehören die Nockenwellen und sämtliche zwischen den Nockenwellen und den Gaswechselventilen liegenden Elemente, wie beispielsweise Hebel, deren Abstützelemente oder gegebenenfalls Vorrichtungen zum Verändern des Ventilhubs. Die Betätigungsvorrichtung umfasst den Ventiltrieb für mindestens einen Zylinder einer Brennkraftmaschine. Bei der Aktuatoreinheit handelt es sich um eine Vorrichtung, die eine Kraft oder ein Moment auf die Betätigungsvorrichtung ausübt und sie somit steuert und/oder regelt. Die Regelung und/oder Steuerung erfolgt über die Verstellung und/oder Verschiebung der Elemente der Betätigungseinheit, wie beispielsweise der Nockenwelle, Teile der Nockenwelle oder des Ventils. Bei den Elementen der Betätigungseinheit kann es sich beispielsweise um die Nockenwelle handeln, die entlang ihrer Längsachse verschoben wird, oder auch beispielsweise um mindestens einen Nocken, der auf der Nockenwelle axial verschoben wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform steht eine Wirkachse der Aktuatoreinheit senkrecht zu einer Längsachse der Nockenwelle. Die Aktuatoreinheit ist dabei im Raum zwischen den Nockenwellen angeordnet, Dies ermöglicht einen störkraftfreien Eingriff des Aktuators, mit zum Beispiel einem ausfahrbaren Stift in die an einer Nockenwelle oder einem Nocken ausgebildete Betätigungseinheit bzw. Betätigungsvorrichtung. Dadurch kann die Aktuatoreneinheit jeweils individuell und wirkungsoptimiert im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet werden. Durch diese Anordnung zwischen den Nockenwellen benötigt die Aktuatoreneinheit keinen zusätzlichen Bauraum außerhalb der Zylinderkopfkontur.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Aktuatoreinheit im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet, die durch die Längsachsen der Nockenwellen aufgespannt ist. Diese Ausführungsform bietet eine sehr platzsparende und vom Kraftfluss her günstige Möglichkeit der Anordnung der Aktuatoreinheit, um damit eine wirkungsvolle Verstellmöglichkeit auf kleinstem Bauraum zu erreichen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Aktuatoreinheit mittig in Längsrichtung des Zylinderkopfes angeordnet. Die Aktuatoreinheit kann prinzipiell auch außermittig platziert werden, Die mittige Platzierung hat jedoch den Vorteil einer guten Momenten- und Kraftverteilung über die Länge der Nockenwelle. Damit kann die Aktuatoreinheit unabhängig von der Bauform des Zylinderkopfes und der vorgesehenen Zylinderanzahl immer optimal platziert werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Aktuatoreinheit angepasst an den Energiebedarf, die Energiequelle und die Energieversorgung innerhalb der Brennkraftmaschine hydraulisch, pneumatisch und/oder elektromagnetisch betätigbar ist. Die Ansteuerung der Aktuatoreinheit erfolgt je nach Platzbedarf und Temperaturempfindlichkeit durch Fluiddruck, elektrisch und/oder elektromagnetisch. Auf diese Weise wird eine hohe Flexibilität und Effizienz während des Betriebs der Brennkraftmaschine, sowie ihrer Montage erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform, ist genau ein Aktuator für die Betätigungseinheit, also den kompletten Ventiltrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen. Der Aktuator kann in mindestens eine Richtung wirken. So ist ein Aktuator denkbar, der zwei gegenüberliegende Stifte, zum Eingreifen in die an beiden Nockenwellen ausgebildeten Betätigungsvorrichtungen aufweist. Die Stifte sind unabhängig von einander aus- und wieder einfahrbar. Ist der Aktuator zwischen zwei Nockenwellen im Ölraum befestigt, so können die zwei Stifte jeweils unabhängig in die an den Nockenwellen ausgebildeten Betätigungsvorrichtungen eingreifen und die Nockenwellen somit unabhängig voneinander axial verschieben. Diese Ausführungsform bietet eine kosten-, gewichts-, und platzsparende Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Erhebungskurven der Gaswechselventile.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist bei einer hydraulisch betätigbaren Aktuatoreinheit, die Aktuatoreinheit mit Öl aus einem Längsölkanal im Zylinderkopf versorgbar und/oder ansteuerbar. Auf diese Weise kann eine separate Leitung und somit Kosten sowie Montageaufwand eingespart werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Aktuatoreinheit in oder an einer Längswand zwischen den Nockenwellenlagergassen angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Aktuatoreinheit in oder an einer Längswand im Ölraum angeordnet ist. Die Längswand ist im Ölraum des Zylinderkopfes, zwischen den beiden Nockenwellen der Länge nach, etwa in der Mitte angeordnet und dient zur Versteifung des Zylinderkopfes sowie zur Schwingungs- und Geräuschdämpfung. Durch eine oder mehrere in der Längswand angeordnete Ölkanäle ist es möglich, die Aktuatoreinheit, die Lagerstellen der Nockenwelle und weitere Schmierstellen mit Schmieröl oder gegebenenfalls mit Drucköl zum Ansteuern des Aktuators zu versorgen. Im Falls, dass die Längswand nicht durchgängig über die gesamte Länge und/oder Höhe des Zylinderkopfes ausgeführt ist, kann die Aktuatoreinheit noch zusätzlich an einem weiterem Abstützelement, wie beispielsweise einem Lagerstuhl der Nockenwellenlager, einem Zündkerzenschacht oder Ähnlichem angeordnet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigen:
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1 der Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Querschnitt
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2 den Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer Schrägansicht.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 für eine nicht näher gezeigte Brennkraftmaschine in einem Querschnitt Der Querschnitt des Zylinderkopfes 1 weist eine im Wesentlichen dreiecksförmige Form auf, die durch eine Einlassflanschfläche 2, eine Auslassflanschfläche 3 und einen Zylinderkopfboden 4 gebildet wird. Vom im Zylinderkopfboden angeordneten Brennraum 5 führen Einlasskanäle 6 zur Einlassflanschfläche 2 und Auslasskanäle 7 zur Auslassflanschfläche 3. Die gedachte Schnittgerade der Einlassflanschfläche 2 mit der Auslassflanschfläche 3 befindet sich oberhalb des Zylinderkopfes 1.
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Oberhalb des Zylinderkopfbodens 4 und des Brennraums 5 ist ein Kühlmittelraum 8 angeordnet, durch den zumindest teilweise die Einlasskanäle 6 und Auslasskanäle 7 führen. Oberhalb des Kühlmittelraumes ist durch eine in der Zeichnung ungefähr horizontale Wand 9 abgetrennt der Ölraum 10 angeordnet, in dem sich die Betätigungseinheit 11 für die nicht gezeigten Gaswechselventile befindet. Der Ölraum 10 wird durch jeweils einen nicht gezeigten, auf der Ein- und Auslassflanschfläche 2, 3 montierten Deckel verschlossen. Der nicht gezeigte Deckel auf der Einlassflanschfläche 2 ist einstückig mit einer Ansauganlage oder zumindest einem Teilabschnitt einer Ansauganlage ausgeführt. Der nicht gezeigte Deckel auf der Auslassflanschfläche 3 ist einstückig mit einem Auspuffkrümmer oder zumindest mit einem Teilabschnitt eines Auspuffkrümmers ausgeführt. Auf diese Weise wird durch die zu Deckeln erweiterte Ansauganlage und Auspuffkrümmer der Ölraum 10 verschlossen, ohne dass noch zusätzlich eine Zylinderkopfhaube oder dergleichen vorgesehen werden muss. Die Betätigungseinheit 11 im Ölraum 10 setzt sich unter anderem aus jeweils einer Einlassnockenwelle 12 und einer Auslassnockenwelle 13 und weiteren nicht gezeigten Hebeln, Druckstücken und/oder sonstigen nicht gezeigten Übertragungselementen zusammen. Dabei sind die Längsachse 14 der Einlassnockenwelle 12 in der Einlassflanschfläche 2 und die Längsachse 15 der Auslassnockenwelle 13 entsprechend in der Auslassflanschfläche 3 angeordnet.
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Im Ölraum 10 ist eine Aktuatoreinheit 16 angeordnet, die aus einem Aktuator 17 besteht, dessen Mittenachse 18 auf einer von den beiden Längsachsen 14, 15 der beiden Nockenwellen 12, 13 aufgespannten Ebene 19 liegt. Die einlassseitige Betätigungsvorrichtung 20 besteht aus dem Aktuator 17, einem ausfahrbaren Stift 21, der aus dem Aktuator 17 in die Einlassnockenwelle 12 greift und dort die gesamte oder gegebenenfalls nur Teilabschnitte der Einlassnockenwelle 12 verschiebt, und weiterhin aus der Einlassnockenwelle 12 an sich und nicht gezeigten Zwischenelementen, wie beispielsweise Hebel und den ebenfalls nicht gezeigten Einlassventilen. Die auslassseitige Betätigungsvorrichtung 22 besteht aus dem Aktuator 17, einem ausfahrbaren Stift 23, der aus dem Aktuator 17 in die Auslassnockenwelle 13 greift und dort die gesamte oder gegebenenfalls nur Teilabschnitte der Auslassnockenwelle 13 verschiebt, und weiterhin aus der Auslassnockenwelle 13 an sich und nicht gezeigten Zwischenelementen, wie beispielsweise Hebel und den ebenfalls nicht gezeigten Auslassventilen. Durch das Verschieben von Teilabschnitten oder der der gesamten Nockenwellen 12, 13 kann damit die Betätigungseinheit des Ventiltriebs auf verschiedene Nockenformen der Nockenwellen 12, 13 geführt werden. Damit ist ein einfaches, schnelles und betriebsicheres Verfahren gegeben, um beispielsweise bei unterschiedlichen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine jeweils angepasste Steuerzeiten der Gaswechselventile zur Verfügung zu haben.
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Die Aktuatoreinheit 16 weist eine Wirkachse 24 auf, die identisch mit der Mitte der ausfahrbaren Stifte 21, 23 ist und die in der Ebene 19 liegt und senkrecht auf den Längsachsen 14, 15 der Nockenwellen 12, 13 steht.
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Weiterhin befindet sich im Ölraum 10 eine Längswand 25, die zur Versteifung des Zylinderkopfes 1 dient. In oder an dieser Längswand 25 sind Zwei Längsölkanäle 26 angeordnet, die zur Ölversorgung sämtlicher Schmierstellen im Zylinderkopf 1 dienen. Dazu zählen insbesondere die Betätigungsvorrichtungen 20, 22, der Aktuator 17, Schmierstellen der Nockenwellen 12, 13 und nicht gezeigte hydraulische Spielausgleichselemente. Sofern der Aktuator 17 hydraulisch betätigbar ist, kann einer der beiden Längsölkanäle 26 zur Druckölversorgung und der andere zur Versorgung mit Steueröl dienen, mit dem der Aktuator 17 gesteuert wird.
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Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 in einer Schrägansicht auf die Einlassflanschfläche 2. Im unteren Bereich der Einlassflanschfläche 2 sind die Einlasskanäle 6 gezeigt. Im oberen Bereich der Einlassflanschfläche 2 ist die Nockenwellenlagergasse 27 mit den Nockenwellenlagern 28 gezeigt, die dafür vorgesehen sind, die nicht gezeigte Einlassnockenwelle auf zu nehmen. Im Ölraum ist der Längsölkanal 26 angeordnet, der über Bohrungen in den Nockenwellenlagern 28 die Schmierung und Ölversorgung der Einlassnockenwelle 12 sicherstellt. Auf der nicht gezeigten Auslassseite des Zylinderkopfes 1 verhält es sich sinngemäß genauso. Die Nockenwellenlager 28 sind jeweils etwa in der Mitte der einzelnen Zylinderkopfabschnitte angeordnet, so dass sich zwischen dem zweiten und dritten Zylinder, entsprechend zwischen zweitem und dritten Nockenwellenlager, ausreichend Freiraum befindet, um dort einen Aktuator 17 vorzusehen. Dieser Aktuator 17 greift mit seinen ausfahrbaren Stiften 21 in eine nicht gezeigte Einlassnockenwelle und verschiebt damit die Einlassnockenwelle als Ganzes oder in Teilbereichen entlang ihrer Längsachse 14. Sinngemäß das Gleiche befindet sich auf der nicht gezeigten, weil rückseitigen Auslassseite des Zylinderkopfes 1. Der Aktuator 17 wird ebenfalls vom Längsölkanal 26 mit Öl versorgt. Zwischen den einzelnen Nockenwellenlagern 28 ist ungefähr in Zylindermitte eine Längswand 25 zur Versteifung des Zylinderkopfes 1 vorgesehen, die den Ölraum 10 trennt, jedoch Durchtritte 29 aufweist, um ein störungsfreies Ablaufen des überschüssigen Schmieröls aus dem Zylinderkopf 1 in jedem Betriebszustand und Lage zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Einlassflanschfläche
- 3
- Auslassflanschfläche
- 4
- Zylinderkopfboden
- 5
- Brennraum
- 6
- Einlasskanal
- 7
- Auslasskanal
- 8
- Kühlmittelraum
- 9
- horizontale Trennwand
- 10
- Ölraum
- 11
- Betätigungseinheit
- 12
- Einlassnockenwelle
- 13
- Auslassnockenwelle
- 14
- Längsachse der Einlassnockenwelle
- 15
- Längsachse der Auslassnockenwelle
- 16
- Aktuatoreinheit
- 17
- Aktuator
- 18
- Mittenachse des Aktuators
- 19
- Ebene
- 20
- Betätigungsvorrichtung Einlassseite
- 21
- Stift Aktuator Einlassseite
- 22
- Betätigungsvorrichtung Auslassseite
- 23
- Stift Aktuator Auslassseite
- 24
- Wirkachse Aktuatoreinheit
- 25
- Längswand
- 26
- Längsölkanal
- 27
- Nockenwellenlagergasse
- 28
- Nockenwellenlager
- 29
- Durchtritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009020100 A1 [0002]
- DE 102007037745 A1 [0003]