DE19814803A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren in Reihe angeordneten Zylindern, die jeweils zwei Einlaßventile und mindestens ein Auslaßventil haben, die alle über elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß für die Auslaßseite eines Zylinders nur ein Aktuator vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der folgenden Beschreibung wird nur auf gattungsmäßige Brennkraftmaschinen bezug genommen. Bei diesen wird der La­ dungswechsel im Zylinder durch Gaswechselventile gesteuert, nämlich Einlaßventile und Auslaßventile. Es ist bekannt, die Gaswechselventile durch elektromagnetische Aktuatoren zu öffnen und zu schließen. Die Öffnungszeitpunkte und Schließzeitpunkte und damit die Öffnungsintervalle der einzelnen Gaswechselventi­ le können dadurch unabhängig voneinander eingestellt und gezielt an gewünschte Anforderungen angepaßt werden. Insbeson­ dere können die Füllung und/oder das Mischungsverhältnis der Zylinderladung durch Veränderung der Öffnungszeitpunkte und/oder der Schließzeitpunkte für bestimmte Betriebsbereiche variabel gesteuert werden, beispielsweise indem im Teillastbe­ reich die Einlaßventile vollständig jedoch nur kurze Zeit geöffnet und/oder durch vorzeitiges Schließen der Auslaßventile Abgase im Zylinder zurückbehalten werden. Bei Brennkraftmaschi­ nen mit einer Quantitätsregelung kann eine Drosselklappe entfallen und die damit im Teillastbereich auftretenden Dros­ selverluste verringert werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch sinkt. Aber auch bei Brennkraftmaschinen mit einer Qualitätsre­ gelung ist es günstig, die Gaswechselventile schnell vollstän­ dig zu öffnen, um die Ladungswechselverluste gering zu halten.

Um die Gaswechselventile bei kurzen Öffnungsintervallen mög­ lichst lange vollständig geöffnet zu halten, sind hohe Öff­ nungs- und Schließgeschwindigkeiten mit entsprechend großen Stellkräften erforderlich. Allerdings ist der Bauraum begrenzt, um entsprechende Aktuatoren mit deren Magnetspulen und dem Anker unterzubringen. Außerdem bestimmt die Größe der Aktuato­ ren die Dimensionen des Zylinderkopfs und vergrößert das Gewicht der Brennkraftmaschine. Zudem werden oft trotz der damit verbundenen größeren Teilevielfalt mehrere Gaswechselven­ tile je Zylinder vorgesehen, um möglichst große Gaswechselquer­ schnitte und kleine Drosselverluste zu erreichen. Die Gaswech­ selquerschnitte werden durch den Umfang der Sitze der Ein­ laß- bzw. Auslaßventile eines Zylinders und den Öffnungshub be­ stimmt. Da der Umfang des Ventilsitzes linear, die Fläche aber quadratisch mit dem Durchmesser zunimmt, ist das Verhältnis von Ventilfläche zum Umfang bei mehreren Ventilen mit einem kleine­ ren Durchmesser günstiger als bei einem Ventil mit einem entsprechend größeren Umfang. Hinzukommt, daß die Masse der Ventile in erster Näherung proportional der Flächen ist und somit die für die Betätigungskräfte mitbestimmenden Massenkräf­ te bei einem großen Ventil ungünstiger sind als bei mehreren kleinen. Das Problem ist allerdings, mehrere Aktuatoren neben­ einander in einem begrenzten Bauraum unterzubringen.

In der EP 0 796 981 A1 wird ein Aktuatorgehäuse vorgeschlagen, dessen Außenwände in Längsrichtung des Zylinderkopfs kreiszy­ lindrische Segmente aufweisen und dessen Außenwände quer zur Längsrichtung eben ausgebildet sind. Durch die ebenen Außenwän­ de können die Aktuatoren nahe in Längsrichtung nebeneinander angeordnet werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist, den Bauraum für die Aktuatoren zu reduzieren und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und der Aktuatoren zu ermöglichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß beim Einlaßvor­ gang nur ein geringer Unterdruck im Zylinder herrscht, während beim Auslaßvorgang ein hoher Druck im Zylinder besteht. Daraus ergibt sich zum einen, daß der Einlaßvorgang nur durch einen leichten Unterdruck, während der Auslaßvorgang durch einen hohen Druck unterstützt wird. Zum zweiten werden die Einlaßven­ tile durch den Unterdruck beim Öffnen unterstützt während die Auslaßventile gegen den hohen Druck geöffnet werden müssen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird mit zwei Einlaßventilen ein großer Einlaßquerschnitt erreicht. Der Zylinder kann schnell, wirkungsvoll, ohne wesentliche Verluste gefüllt werden. Die Einlaßventile werden aufgrund der wirkenden Druck­ verhältnisse mit separaten, kleinen, platzsparenden Aktuatoren geöffnet und geschlossen, so daß je Zylinder die Einlaßventile je nach Last auch unterschiedlich angesteuert werden können. Dadurch können insbesondere Teillastbereiche feinstufiger und stabiler mit einem hohen Wirkungsgrad geregelt werden. Aller­ dings reicht für viele Einsatzfälle auch ein großer Aktuator aus, der zwei Ventile gleichzeitig betätigt. Ein großer Aktua­ tor besitzt grundsätzlich einen besseren Wirkungsgrad als mehrere kleinere Aktuatoren mit einer entsprechenden Leistung und kann dadurch bei gleicher Leistung kleiner ausgeführt werden und benötigt weniger Energie. Ferner sind insgesamt weniger Aktuatoren erforderlich, wodurch Kosten und Montageauf­ wand eingespart werden. Jedoch nimmt mit der Anzahl der Aktua­ toren die Flexibilität der Ventilsteuerung ab.

Auf der Auslaßseite, auf der große Kräfte zum Öffnen der Auslaßventile aufgebracht werden müssen, weil auf das Auslaß­ ventil bzw. die Auslaßventile noch der aus der Verbrennung sich ergebende Restdruck wirkt, ist vorteilhaft nur ein Aktuator pro Zylinder angeordnet, der durch seinen hohen Wirkungsgrad bei der erforderlichen Leistung relativ klein ausgeführt werden kann. Im übrigen kann er sich über die gesamte Längsseite des Zylinderkopfs erstrecken. Erfindungsgemäß erreicht man eine frei zügige Anordnung der Aktuatoren, so daß man bei einem hohen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch mehrere Einlaßventile mit einem kleineren Bauraum für die Aktuatoren durch einen wirkungsvollen größeren Aktuator auf der Auslaßseite und durch einen größeren oder mehrere kleinere Aktuatoren auf der Einlaß­ seite auskommt.

Der Aktuator auf der Auslaßseite kann über ein Joch mehrere Auslaßventile gemeinsam öffnen und schließen. Zwar ist mit mehreren Auslaßventilen ein größerer Auslaßquerschnitt möglich, jedoch reicht meist ein Auslaßventil aus, da der Ausstoßvorgang der Abgase durch das Druckgefälle vom Zylinder zum Abgasrohr unterstützt wird. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei­ spielsweise mit einem Turbolader oder einem Kompressor, ist der Druck beim Ausstoßvorgang noch höher als bei konventionell nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen, wodurch sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einem Auslaßventil insbeson­ dere für aufgeladene Brennkraftmaschinen besonders eignet. Mit nur einem Auslaßventil pro Zylinder sind insgesamt weniger Auslaßventile und kein Joch erforderlich, das die Auslaßventile untereinander triebmäßig verbindet. Weniger Bauteile führen zu geringeren Kosten und Montagezeiten. Allerdings sind mehrere gemeinsam betätigte Auslaßventile in bezug auf die Öffnungs­ querschnitte, die Massenkräfte und die in Schließrichtung wirkenden Druckkräfte der Abgase günstiger.

Ferner wird vorgeschlagen bei drei Gaswechselventilen, und zwar bei zwei Einlaßventilen und einem Auslaßventil pro Zylinder, Zündkerzen bei Benzinmotoren und Glühkerzen bei Dieselmotoren und bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen Einspritzdü­ sen seitlich neben dem Auslaßventil anzuordnen. Bei mittig angeordneten Zündkerzen, Glühkerzen und/oder Einspritzdüsen, ist für diese und deren Montage und Demontage ein Bauraum zwischen den Aktuatoren erforderlich, der durch die erfindungs­ gemäße Anordnung frei wird. Die Gaswechselventile und deren Aktuatoren können dichter und insbesondere senkrechter angeord­ net werden. Der Bauraum wird besser genutzt und insgesamt reduziert. Bei einem Abgasventil pro Zylinder können zwei Zündkerzen neben dem Abgasventil angeordnet werden, um an zwei Stellen des Brennraums eine Zündung einzuleiten. Die Zündung des Kraftstoffluftgemisches und die Druckverteilung im Zylinder wird gleichmäßiger und wirkungsvoller.

Der Aktuator der Auslaßventile und dessen Magnetspule, Kern und Anker können eine runde Querschnittfläche haben. Durch die runde Form der Magnetspule, des Kerns und des Ankers kann sich ein Magnetfeld günstig aufbauen, was zu einem hohen Wirkungs­ grad beiträgt. Der runde Anker kann sich drehen ohne zu ver­ kannten, wodurch Reibungsverluste und Verschleiß vermieden werden. Dies führt bei gleicher Leistung zu einem kleineren Aktuator und damit zu einem kleineren Bauraum. Ferner können runde Aktuatoren günstig mit einer großen Kontaktfläche in runde Ausnehmungen eingesetzt werden, die einfach zu fertigen sind, beispielsweise im Zylinderkopf oder in einem Aktuatoren­ träger. Die große Kontaktfläche führt zu einem guten Wärmeüber­ gang und ermöglicht eine gute Kühlung des Aktuators. Er wird zweckmäßigerweise in einer mittleren, zwischen den Einlaßventi­ len liegenden Querschnittebene angeordnet, um den Bauraum nutzen zu können, der entsteht, wenn die Einlaßventile durch getrennte Aktuatoren betätigt werden.

Möglich ist auch Aktuatoren mit im wesentlichen eckigen, insbesondere rechteckigen Querschnittflächen für die Auslaßven­ tile zu verwenden, die zwar einen geringeren Wirkungsgrad als runde Aktuatoren besitzen, mit denen jedoch der vorhandene Bauraum besser ausgenutzt werden kann. Sie können dichter nebeneinander und dichter zu den Aktuatoren der Einlaßventile angeordnet werden, insbesondere wenn sie ihre längste Erstrec­ kung in Längsrichtung der Zylinderreihe aufweisen.

Für die Einlaßventile können ebenfalls Aktuatoren mit runden Querschnittflächen und mit eckigen bzw. rechteckigen Quer­ schnittflächen verwendet werden. Mit runden Aktuatoren kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Mit eckigen Querschnittflä­ chen kann der Bauraum besser ausgenutzt werden, insbesondere wenn die Einlaßventile durch separate Aktuatoren betätigt werden. Vorteilhaft besitzen die Aktuatoren der Einlaßventile ihre kleinste Erstreckung in Längsrichtung der Zylinderreihe. Dadurch können sie besonders dicht auf kleinem Raum nebeneinan­ der angeordnet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen zu entnehmen. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßiger­ weise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine mit runden Aktuatoren auf der Auslaßseite und auf der Einlaßseite,

Fig. 2 einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine mit runden Aktuatoren auf der Auslaßseite und rechteckigen Aktuatoren auf der Einlaßseite,

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine mit rechtecki­ gen Aktuatoren auf der Auslaßseite und auf der Einlaßseite und

Fig. 4 zwei Gaswechselventile, die durch einen Aktuator betä­ tigt werden.

In Fig. 1 sind zwei Zylinder 1, 2 einer Brennkraftmaschine dargestellt, die hintereinander angeordnet sind und eine erste, sich in Längsrichtung 4 erstreckende Zylinderreihe bilden. Die Brennkraftmaschine hat neben der ersten Zylinderreihe in Richtung 17 eine zweite nicht näher dargestellte Zylinderreihe, die mit der ersten einen Winkel kleiner als 180° einschließt. Jeder Zylinder 1, 2 hat drei Gaswechselventile 7, 8, 9, 10, 11, 12, und zwar jeweils zwei Einlaßventile 7, 8, 9, 10 und ein Auslaßventil 11, 12. Die Einlaßventile 7, 8, 9, 10 sind zur Mittelachse 18 der Brennkraftmaschine und die Auslaßventile 11, 12 zur Außenseite 31 der Brennkraftmaschine angeordnet. Dadurch können heiße Abgase günstig nach außen von der Brennkraftma­ schine abgeführt werden.

Mit den zwei Einlaßventilen 7, 8, 9, 10 wird ein großer Ein­ laßquerschnitt erreicht. Der Zylinder 1, 2 kann schnell und wirkungsvoll gefüllt werden. Beim Öffnen herrscht ein geringer Druck im Zylinder 1, 2, so daß die Einlaßventile 7, 8, 9, 10 mit kleinen Aktuatoren 23, 24, 25, 26 geöffnet und geschlossen werden können. Das Auslaßventil 11, 12 muß gegen einen bedeu­ tend höheren Druck geöffnet werden. Dies wird mit jeweils einem größeren runden Aktuator 13, 14 je Zylinder 1, 2 auf der Auslaßseite 3 erreicht. Der größere Aktuator 13, 14 besitzt einen besseren Wirkungsgrad als mehrere kleinere Aktuatoren und kann dadurch bei gleicher Leistung kleiner ausgeführt werden. Die Aktuatoren 23, 24, 25, 26 der Einlaßventile 7, 8, 9, 10 und die Aktuatoren 13, 14 der Auslaßventile 11, 12 besitzen eine runde Querschnittfläche und damit einen guten Wirkungsgrad. Insbesondere die Aktuatoren 13, 14 der Auslaßventile 11, 12 können dadurch bei gleicher Leistung kleiner ausgeführt werden.

Bei einem Auslaßventil 11, 12 je Zylinder 1, 2 können zwei Zündkerzen 19, 20, 21, 22 seitlich neben dem Auslaßventil 11, 12 angeordnet werden. Die Einlaßventile 7, 8, 9, 10 und deren Aktuatoren 23, 24, 25, 26 und die Auslaßventile 11, 12 und deren Aktuatoren 13, 14 können dichter zueinander angeordnet werden, weil der mittlere Bereich zwischen den Gaswechselventi­ len 7, 8, 9, 10, 11, 12, frei von Zündkerzen ist. Ferner kann der Aktuator 13, 14 den Bauraum nutzen, der sich im Bereich einer mittleren Querebene zwischen den Aktuatoren 23, 24 bzw. 25, 26 ergibt, da er in diesem Bereich angeordnet ist. Außerdem ist es bei V-Motoren vorteilhaft, die Auslaßventile 11, 12 und deren Aktuatoren 13, 14 senkrechter auszurichten. Je weiter die Einlaßventile 7, 8, 9, 10 und deren Aktuatoren 23, 24, 25, 26 in Richtung 17 der Mittelachse 18 der Brennkraftmaschine geneigt werden, desto senkrechter können die Auslaßventile 11, 12 und deren Aktuatoren 13, 14 gestellt werden. Dadurch wird der Bauraum zur Mitte der Brennkraftmaschine genutzt. Die Aktuatoren 23, 24, 25, 26, 13, 14 benötigen keinen oder einen nur unwesentlich breiteren Bauraum als die Zylinder 1, 2, wodurch besonders bei V-Motoren ihre Breite reduziert wird. Die erfindungsgemäße Lösung kann jedoch auch bei sämtlichen anderen Anordnungsmöglichkeiten der Zylinder einer Brennkraftmaschine dazu genutzt werden, um einen kleinen Bauraum für die Aktuato­ ren zu erreichen, wie beispielsweise bei Einreihenmotoren usw.

Die Einlaßventile 7, 8, 9, 10 in Fig. 2 werden von Aktuatoren 27, 28, 29, 30 mit rechteckigen Querschnittflächen betätigt. Die Aktuatoren 27, 28, 29, 30 besitzen in Längsrichtung 4 der Zylinderreihe ihre kleinste Erstreckung 5 und können dadurch besonders dicht nebeneinander angeordnet werden. Der Bauraum wird besonders gut genutzt und kann klein ausgeführt werden. Für gleichbleibende Bauteile zu Fig. 1 werden die bereits eingeführten Bezugszeichen verwendet.

Ferner sind die Einlaßventile 7, 8, 9, 10 und deren Aktuatoren 27, 28, 29, 30 soweit in die Richtung 17 der Mittelachse 18 der Brennkraftmaschine verkippt, daß die Auslaßventile 11, 12 und deren Aktuatoren 13, 14 nahezu senkrecht angeordnet werden können. Der Bauraum der Brennkraftmaschine in Richtung 17 wird für die Aktuatoren 27, 28, 29, 30 der Einlaßventile 7, 8, 9, 10 genutzt. Es wird eine schmale Bauform erreicht.

Die Auslaßventile 11, 12 in Fig. 3 werden mit Aktuatoren 15, 16 mit rechteckigen Querschnittflächen betätigt, die ihre kleinste Erstreckung 6 in Richtung auf die Aktuatoren 27, 28, 29, 30 der Einlaßventile 7, 8, 9, 10 aufweisen. Durch die rechteckigen Aktuatoren 15, 16 der Auslaßventile 11, 12 kann der Bauraum besonders gut ausgenutzt werden. Ferner können die Auslaßventi­ le 11, 12 und die Aktuatoren 15, 16 besonders weit in Richtung der Aktuatoren 27, 28, 29, 30 der Einlaßventile 7, 8, 9, 10 verkippt werden, was eine schmale Bauform ermöglicht.

Fig. 4 zeigt zwei Einlaßventile 7 und 8, die von dem Aktuator 23 gemeinsam betätigt werden. Hierzu sind die Ventilschäfte 33 und 34 der Einlaßventile 7 und 8 über ein Joch 32 miteinander verbunden, an dem mittig der Aktuator 23 angreift.

Claims (9)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren in Reihe angeordne­ ten Zylindern, die jeweils zwei Einlaßventile und mindestens ein Auslaßventil haben, die alle über elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auslaßseite (3) eines Zylinders (1, 2) nur ein Aktuator (13, 14, 15, 16) vorgesehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder (1, 2) nur ein Auslaßventil (11, 12) auf­ weist und zumindest eine Zündkerze (19, 20, 21, 22) oder Glühkerze pro Zylinder (1, 2) seitlich neben dem Auslaßventil (11, 12) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Zylinder (1, 2) nur ein Auslaßventil (11, 12) aufweist und zumindest eine Einspritzdüse pro Zylinder (1, 2) seitlich neben dem Auslaßventil (11, 12) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (13, 14) der Auslaß­ seite (3) eine runde Querschnittfläche hat und in einer mittle­ ren, zwischen den zwei Einlaßventilen (7, 8 bzw. 9, 10) liegen­ den Querebene angeordnet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (15, 16) der Auslaßseite (3) eine im wesentlichen rechteckige Querschnittfläche hat, deren lange Seiten sich in Längsrichtung (4) der Zylinderreihe erstrecken.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (23, 24, 25, 26) der Einlaßventile (7, 8, 9, 10) eine runde Querschnittfläche aufweisen.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aktuatoren (27, 28, 29, 30) der Einlaßventile (7, 8, 9, 10) eine im wesentlichen rechteckige Querschnittflä­ che aufweisen, deren lange Seiten quer zur Längsrichtung (4) der Zylinderreihe liegen.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aktuator zwei Gaswechselventile (7, 8 bzw. 9, 10) eines Zylinders (1, 2) betätigt.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung (4) zwei Zylinder­ reihen in einem Winkel kleiner als 180° zueinander angeordnet sind und die Aktuatoren auf der Außenseite (31) der Zylinder­ reihen weniger zur Längsmittelebene der Zylinderreihe geneigt sind als die Aktuatoren auf der inneren Seite.