DE19907850A1 - Mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit von elektromagnetischen Aktuatoren betätigten Gaswechsel-Hubventilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit von elektromagnetischen Aktuatoren betätigten und den Einlaß sowie den Auslaß der Zylinder-Brennräume steuernden Gaswechsel-Hubventilen. Die senkrecht zur Achsrichtung der Hubventile liegende Querschnittsfläche der den Einlaß-Hubventilen zugeordneten Aktuatoren ist geringer als die Querschnittsfläche der den Auslaß-Hubventilen zugeordneten Aktuatoren. Wenn die Einlaß-Hubventile sowie die Auslaß-Hubventile jeweils in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse in Reihe hintereinander angeordnet sind, so ist die in der Ebene der Aktuator-Querschnittsfläche sowie senkrecht zur Brennkraftmaschinen-Längsachse gemessene Breite der Einlaß-Aktuatoren geringer ist als diejenige der Auslaß-Aktuatoren. Wenn jeweils zwei Einlaß-Hubventilen und Auslaß-Hubventilen je Zylinder vorgesehen sind, so ist der in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse gemessene Abstand zwischen den beiden Zylinder-Auslaß-Hubventilen gleich demjenigen zwischen den beiden Zylinder-Einlaß-Hubventilen. Eine zwischen der Ebene der Auslaß-Hubventile sowie der Ebene der Einlaß-Hubventile vorgesehene Zündkerze ist mit ihrer Längsachse zumindest geringfügig zu den Einlaß-Aktuatoren hin geneigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit von elek­ tromagnetischen Aktuatoren betätigten und den Einlaß sowie den Auslaß der Zylinder-Brennräume steuernden Gaswechsel-Hubventilen. Zum techni­ schen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 196 11 547 A1 verwiesen.

Eine elektromagnetische Hubventil-Betätigungsvorrichtung für eine Brenn­ kraftmaschine, auch elektromagnetischer Aktuator genannt, hat wegen der Freiheit hinsichtlich der Ventilsteuerzeiten, d. h. hinsichtlich des jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunktes der Hubventile immense Vorteile, jedoch müssen zum Betätigen, insbesondere zum Öffnen des Hubventiles relativ hohe Kräfte aufgebracht werden, was eine gewisse Mindestgröße von Ma­ gnetspulen und Anker erforderlich macht. Als Folge hiervon ist es äußerst schwierig, die grundsätzlich bekannten Aktuatoren überhaupt in einem heute üblichen Zylinderkopf beispielsweise einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine unterzubringen. Noch intensiver tritt dieses Problem bei Brennkraftmaschinen auf, die zwei oder mehr Einlaßventile oder Auslaßven­ tile je Zylinder besitzen.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen nun Maßnahmen aufgezeigt werden, die zur Lösung der soeben geschilderten Problematik beitragen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Achsrichtung der Hubventile liegende Querschnittsfläche der den Einlaß- Hubventilen zugeordneten Aktuatoren geringer ist als die dementsprechende Querschnittsfläche der den Auslaß-Hubventilen zugeordneten Aktuatoren. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird vom bisher üblichen Gleichteilekonzept abgewichen, d. h. es wird vorgeschlagen, anstelle der bisher üblichen Vorgehensweise, wobei für die Einlaß-Hubventile sowie die Auslaß-Hubventile gleich dimen­ sionierte Aktuatoren vorgesehen waren, nunmehr die Aktuatoren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und somit auch hinsichtlich ihrer insbesondere geo­ metrischen Dimensionen an die jeweils zu betätigenden Hubventile anzu­ passen. Es wurde nämlich erkannt, daß für eine Betätigung eines Einlaß- Hubventiles einer Brennkraftmaschine geringere Kräfte erforderlich sind als für eine Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Auslaß-Hubventiles. Dies hat die Ursache darin, daß eine Öffnungsbewegung der Einlaß-Hubventile mit einem Ansaugtakt der Brennkraftmaschine einhergeht, in welchem das Zy­ lindervolumen bspw. im Falle einer Hubkolben-Brennkraftmaschine durch den (sozusagen nach unten gerichteten) Saughub des Zylinder-Kolbens ver­ größert wird. Der dabei entstehende Unterdruck unterstützt eine Öffnungs­ bewegung der Einlaß-Hubventile. Hingegen müssen bei einer Öffnungsbe­ wegung der Auslaß-Hubventile diese gegen den zu diesem Zeitpunkt noch im Zylinder herrschenden Überdruck geöffnet werden, wodurch klar ver­ ständlich wird, daß mit dem Öffnen eines Auslaß-Hubventiles eine größere Arbeit verrichtet werden muß, als mit einem Öffnen des Einlaß-Hubventiles.

Das Arbeitsvermögen eines ein Hubventil betätigenden elektromagnetischen Aktuators wird direkt durch die Größe der im Aktuator angeordneten Magnet­ spulen (inklusive des Blechpaketes sowie des zwischen den Magnetspulen oszillierend bewegten Ankers, welcher letztlich auf das Hubventil einwirkt) bestimmt. Dies bedeutet, daß ein Aktuator, der eine geringere Arbeit ver­ richten muß, auch eine geringere Querschnittsfläche - senkrecht zur Achs­ richtung des zu betätigenden Hubventiles betrachtet - besitzen kann, als ein Aktuator, der eine demgegenüber größere Arbeit verrichten muß. Genau dieser Zusammenhang ist in den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 wiedergegeben.

Unter Ausnutzung dieser Kenntnis kann dann die Brennkraftmaschine bzw. genauer deren Zylinderkopf (bzw. ein Bestandteil desselben), in welchem die Hubventile sowie die diese betätigenden Aktuatoren angeordnet sind, weiter hinsichtlich einer raumsparenden Bauweise ausgebildet werden. Dies sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen geht auch aus dem im folgenden er­ läuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hervor, von wel­ chem Fig. 1 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf einer erfindungsge­ mäßen Brennkraftmaschine zeigt, während in Fig. 2 eine Aufsicht (gemäß Pfeil X aus Fig. 1) auf den Zylinderkopf dargestellt ist. Erfindungswesentlich können dabei sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein, wobei vorab ausdrücklich darauf hingewiesen sei, daß, wenngleich im folgenden die Er­ findung anhand einer vierzylindrigen Reihen-Brennkraftmaschine erläutert wird, selbstverständlich die vorliegende Erfindung auch an einer Brennkraft­ maschine einer anderen Bauart oder mit einer anderen Zylinderzahl reali­ sierbar ist.

Mit der Bezugsziffer 1 ist der Zylinderkopf einer hier vierzylindrigen Hubkol­ ben-Brennkraftmaschine bezeichnet, d. h. in Richtung der Längsachse 2 der Brennkraftmaschine (diese Längsachse 2 steht in Fig. 1 senkrecht zur Zei­ chenebene) sind vier Brennkraftmaschinen-Zylinder hintereinander angeord­ net. Jedem Zylinder sind zwei Einlaß-Hubventile 3 sowie zwei Auslaß- Hubventile 4 zugeordnet, über welche der Gaswechsel des Zylinders ge­ steuert wird, d. h. über die Einlaß-Hubventile gelangt Frischgas in die jeweili­ gen Zylinder-Brennräume, während das verbrannte Abgas über die Auslaß- Hubventile 4 abgeführt wird.

Sämtliche Einlaß-Hubventile 3 der Brennkraftmaschine sind in einer Reibe in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse 2 hintereinander angeord­ net, ebenso sind sämtliche Auslaß-Hubventile 4 der Brennkraftmaschine in einer weiteren Reihe in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse 2 hintereinander angeordnet. In der Darstellung nach Fig. 1 befinden sich die Einlaß-Hubventile 3 rechtsseitig und die Auslaß-Hubventile 4 linksseitig. In der Darstellung nach Fig. 2 befinden sich die Einlaß-Hubventile 3 in der obe­ ren Bildhälfte, d. h. oberhalb der durch die Mitte der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes 1 verlaufenden Längsachse 2, und die Auslaß-Hubventile in der unteren Bildhälfte, d. h. unterhalb der Längsachse 2. Dabei sind in der Darstellung nach Fig. 2 lediglich die Einlaß-Hubventile 3 und die Auslaß- Hubventile 4 des ersten (hier rechtsseitig außen) liegenden Zylinders der vierzylindrigen Brennkraftmaschine dargestellt, und auch das lediglich in vereinfachter Weise in Form der als Punkt (wegen der Aufsicht) dargestellten jeweiligen Ventilachse, die bzw. der der Einfachheit halber ebenfalls mit der jeweiligen Bezugsziffer 3 bzw. 4 bezeichnet ist. In der Darstellung nach Fig. 1 hingegen ist die Achsrichtung der Hubventile 3 bzw. 4 mit den Bezugsziffern 3' bzw. 4' versehen.

Betätigt werden die Hubventile 3, 4 durch diesen zugeordnete elektroma­ gnetische Aktuatoren 13, 14, deren detaillierter Aufbau hier nicht näher er­ läutert wird, da dieser einerseits dem Fachmann bekannt ist und anderer­ seits im wesentlichen so gestaltet sein kann, wie in der eingangs genannten DE 196 11 547 A1 gezeigt. Diese Aktuatoren 13, 14 befinden sich dabei oberhalb der jeweiligen Hubventile 3, 4 und sind ebenso wie diese gegen­ über der Hochachse 5 der Brennkraftmaschine, die auf dem dem nicht dar­ gestellten Brennkraftmaschinen-Kurbelgehäuse zugewandten Boden 1a des Zylinderkopfes 1 (sowie auf der Zeichenebene in der Darstellung nach Fig. 2) senkrecht steht, geringfügig nach außen geneigt angeordnet. Mit ihren Un­ terseiten 13a bzw. 14a stehen die Aktuatoren 13 bzw. 14 somit senkrecht auf den Achsrichtungen 3' bzw. 4' der Hubventile 3 bzw. 4.

Für die weiteren Erläuterungen wird eine sog. Querschnittsfläche 13b bzw. 14b der Aktuatoren 13 bzw. 14 definiert, die senkrecht zur Achsrichtung 3' bzw. 4' und somit parallel zur jeweiligen Unterseite 13a bzw. 13b eines Ak­ tuators 13 bzw. 14 verläuft. In Fig. 1 kann dabei selbstverständlich nur die senkrecht zur Brennkraftmaschinen-Längsachse 2 verlaufende Breite der Querschnittsfläche 13 bzw. 14 dargestellt werden. Dieses Maß der Breite der Querschnittsfläche 13 bzw. 14 ist in Fig. 2 mit dem Buchstaben B bezeichnet. Aus Fig. 2 wird daneben auch das in Richtung der Längsachse 2 gemessene Längsmaß L jedes Aktuators 13 bzw. 14 ersichtlich, der - wie ebenfalls Fig. 2 zeigt - eine im wesentlichen rechteckförmige Querschnittsfläche 13b bzw. 14b besitzt.

Wie Fig. 2 zeigt ist der in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse 2 gemessene Abstand x_a zwischen den beiden Zylinder-Auslaß-Hubventilen 4 gleich dem in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse 2 gemesse­ nen Abstand x_e zwischen den beiden Zylinder-Einlaß-Hubventilen 3. Dem­ zufolge ist es möglich, die Aktuatoren 14 der Auslaß-Hubventile 4 sowie die Aktuatoren 13 der Einlaß-Hubventile 3 derart auszubilden, daß die Aktuato­ ren 13 und 14 ein im wesentlichen gleiches Längsmaß L (in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse 2 gemessen) besitzen.

Wie besonders deutlich aus Fig. 1 aber auch aus Fig. 2 hervorgeht, ist das Breitenmaß B der den Einlaß-Hubventilen 3 zugeordneten Aktuatoren 13 jedoch geringer als das Breitenmaß B der den Auslaß-Hubventilen 4 zuge­ ordneten Aktuatoren 14. Demzufolge ist die Querschnittsfläche 13b der Ak­ tuatoren 13 geringer als die Querschnittsfläche 14b der Aktuatoren 14.

Wie vor Beginn der Figurenbeschreibung dieses bevorzugten Ausführungs­ beispieles bereits ausführlicher erläutert wurde, kann die Querschnittsfläche 13b der sog. Einlaß-Aktuatoren 13 geringer sein als diejenige der sog. Aus­ laß-Aktuatoren 14, nachdem die von den erstgenannten im Verlauf einer Öffnungsbewegung der Einlaß-Hubventile 4 zu erbringende Arbeit bzw. Lei­ stung geringer ist als die von den letztgenannten im Verlauf einer Öffnungs­ bewegung der Auslaß-Hubventile 4 zu erbringende Arbeit bzw. Leistung. Zwar wird mit dieser Maßnahme von einem grundsätzlich gewünschten Gleichteilekonzept abgewichen, d. h. die Auslaß-Aktuatoren 14 unterschei­ den sich von den Einlaß-Aktuatoren 13, jedoch werden andererseits mit die­ ser Maßnahme signifikante Vorteile hinsichtlich des benötigten Bauraumes erzielt.

Diese Vorteile liegen klar auf der Hand und bedürfen eigentlich keiner weite­ ren Erläuterung. Wesentlich ist, daß die den jeweiligen Hubventilen 3 bzw. 4 zugeordneten elektromagnetischen Aktuatoren 13 bzw. 14 jeweils im Hin­ blick auf die von ihnen zu erbringende Arbeit dimensioniert und insbesonde­ re auch hinsichtlich ihrer äußeren geometrischen Abmessungen, d. h. hier hinsichtlich ihrer Querschnittsflächen 13b bzw. 14b dimensioniert werden. Wird nun - wie oben sowie eingangs erläutert - für die eine kleinere Quer­ schnittsfläche 13b und insbesondere ein kleineres Breitenmaß B aufweisen­ den Einlaß-Aktuatoren 13 ein geringerer Bauraum benötigt als für die dem­ gegenüber größeren bzw. breiteren Auslaß-Aktuatoren 14, so kann dieser Gewinn von Bauraum anderweitig genutzt werden bzw. der gesamte von der Brennkraftmaschine als Ganzes benötigte Bauraum kann entsprechend re­ duziert werden.

In diesem Sinne ist auch eine weitere Maßnahme zu sehen, die am bevor­ zugten und in den Fig. 1, 2 dargestellten Ausführungsbeispiel realisiert ist. Ein zwischen der in Richtung der Brennkraftmaschinen-Längsachse 2 verlaufenden Ebene sämtlicher Auslaß-Hubventile 4 sowie der dementspre­ chenden Ebene sämtlicher Einlaß-Hubventile 3 vorgesehener Zündkerzen­ dom 6 zur Aufnahme einer figürlich nicht dargestellten Zündkerze ist nämlich mit seiner Längsachse 6a zumindest geringfügig zu den Einlaß-Aktuatoren 13 hin geneigt, wobei der Schnittpunkt dieser Längsachse mit dem nicht dargestellten Zylinder-Brennraum im wesentlichen im Zentrum des Brenn­ raumes liegt. Dabei weist selbstverständlich jeder Zylinder der mehrzylindri­ gen Brennkraftmaschine einen derartigen Zündkerzendom 6 auf, wenngleich ein solcher in Fig. 2 nur für den ersten (rechtsseitig liegenden) Zylinder dar­ gestellt ist. Die mit der Längsachse der nicht dargestellten, montierten Zünd­ kerze zur Deckung kommende Längsachse 6a des Zündkerzendomes 6 ist somit gegenüber der Hochachse 5 der Brennkraftmaschine geringfügig zu den Einlaß-Aktuatoren 13 hin geneigt, wie insbesondere aus Fig. 1 hervor­ geht. Dabei ist dieser Zündkerzendom 6 in Richtung der Brennkraftmaschi­ nen-Längsachse 2 betrachtet im wesentlichen zwischen den beiden Einlaß- Hubventilen 3 (sowie zwischen den beiden Auslaß-Hubventilen 4) jedes Brennkraftmaschinen-Zylinders angeordnet. Daß auch diese Maßnahme zu einer Verringerung der gesamten Breite der Brennkraftmaschine (in Fig. 2 senkrecht zur Längsachse 2 und in Fig. 1 senkrecht zur Hochachse 5 ge­ messen) führt, liegt auf der Hand.

Mit der beschriebenen kompakten und raumsparenden Anordnung im Zylin­ derkopf 1 der Brennkraftmaschine, welche grundsätzlich äußerst vorteilhaft ist, kann es jedoch erforderlich sein, für eine ausreichende Kühlung der Ak­ tuatoren 13, 14 zu sorgen, die selbstverständlich im Betrieb eine erhebliche Menge von Abwärme erzeugen. Eine reine Luftkühlung der elektromagneti­ schen Aktuatoren 13, 14 dürfte in den wenigsten Fällen ausreichend sein, weshalb hier unterstützende Maßnahmen vorgesehen sind. Diese Maßnah­ men bestehen darin, daß im wesentlichen in Richtung der Brennkraftmaschi­ nen-Längsachse 2 im Zylinderkopf 1 verlaufende Druckölkanäle 7 nahe der Unterseite 13a bzw. 14a der Aktuatoren 13 bzw. 14, mit welcher diese auf dem Zylinderkopf 1 aufliegen, vorgesehen sind. Die in den Aktuatoren 13, 14 anfallende Wärmemenge wird somit größtenteils über deren Unterseite 13a bzw. 14a an den Zylinderkopf 1 abgegeben und in diesem über das in den Druckölkanälen 7 geführte Schmieröl der Brennkraftmaschine abgeführt. Dabei kann ein Teil dieses in den Druckölkanälen 7 geführten Schmieröles auch durch die elektromagnetischen Aktuatoren 13, 14 hindurch geführt werden, und zwar nicht nur zu Schmierzwecken, sondern auch zu einer ver­ stärkten Kühlung derselben (figürlich nicht dargestellt).

Ebenfalls figürlich nicht dargestellt sind weitere Maßnahmen zur verstärkten Kühlung der Aktuatoren, die noch kurz erwähnt werden. So kann nahe der Unterseite 13a bzw. 14a der Aktuatoren 13 bzw. 14, mit welcher diese auf dem Zylinderkopf 1 aufliegen, eine relativ große Anhäufung von den Zylin­ derkopf 1 bildendem Material vorliegen, so daß dieses eine große Menge von an den Aktuatoren anfallender Abwärme aufnehmen kann. Weiterhin können nahe der Unterseite 13a bzw. 14a der Aktuatoren 13 bzw. 14, mit welcher diese auf dem Zylinderkopf 1 aufliegen, im Zylinderkopf 1 Kühlmittel­ räume für ein den Zylinderkopf durchströmendes Kühlmittel vorgesehen sein. Daneben können selbstverständlich eine Vielzahl weiterer Details insbeson­ dere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbei­ spiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Zylinderkopf

1

a Boden von

1

2

Längsachse der Brennkraftmaschine

3

Einlaß-Hubventil

3

' Achsrichtung von

3

4

Auslaß-Hubventil

4

' Achsrichtung von

4

5

Hochachse der Brennkraftmaschine

6

Zündkerzendom

6

' Längsachse von

6

7

Druckölkanal

13

Aktuator für

3

(= Einlaß-Aktuator)

13

a Unterseite von

13

13

b Querschnittsfläche von

13

14

Aktuator für

4

(= Auslaß-Aktuator)

14

a Unterseite von

14

14

b Querschnittsfläche von

14

B Breite/Breitenmaß von

13

b bzw.

14

b
L Länge/Längsmaß von

13

b bzw.

14

b
x_a

Abstand zwischen den beiden Auslaß-Hubventilen

4

eines Zylinders
x_e

Abstand zwischen den beiden Einlaß-Hubventilen

3

eines Zylinders

Claims (7)

1. Mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit von elektromagnetischen Ak­ tuatoren (13, 14) betätigten und den Einlaß sowie den Auslaß der Zy­ linder-Brennräume steuernden Gaswechsel-Hubventilen (3, 4), dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Achsrichtung (3', 4') der Hubventile (3, 4) liegende Querschnittsfläche (13b) der den Ein­ laß-Hubventilen (3) zugeordneten Aktuatoren (13) geringer ist als die dementsprechende Querschnittsfläche (14b) der den Auslaß- Hubventilen (4) zugeordneten Aktuatoren (14).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Einlaß-Hubventile (3) sowie die Auslaß-Hubventile (4) jeweils in Richtung der Brennkraftma­ schinen-Längsachse (2) in Reihe hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Ebene der Aktuator- Querschnittsfläche (13b, 14b) sowie senkrecht zur Brennkraftmaschi­ nen-Längsachse (2) gemessene Breite (B) der Einlaß-Aktuatoren (13) geringer ist als die dementsprechende Breite (B) der Auslaß- Aktuatoren (14).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, mit jeweils zwei Einlaß- Hubventilen (3) und Auslaß-Hubventilen (4) je Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß der in Richtung der Brennkraftmaschi­ nen-Längsachse (2) gemessene Abstand (x_a) zwischen den beiden Zylinder-Auslaß-Hubventilen (4) gleich dem entsprechenden Abstand (x_e) zwischen den beiden Zylinder-Einlaß-Hubventilen (3) ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen der Ebene der Auslaß- Hubventile (4) sowie der Ebene der Einlaß-Hubventile (3) vorgesehe­ ner Zündkerzendom (6) zur Aufnahme einer Zündkerze mit seiner Längsachse (6a) zumindest geringfügig zu den Einlaß-Aktuatoren (13) hin geneigt ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen in Richtung der Brenn­ kraftmaschinen-Längsachse (2) im Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf (1) verlaufende Druckölkanäle (7) nahe der Unterseite (13a, 14a) der Aktuatoren (13, 14), mit welcher diese auf dem Zylinderkopf (1) auflie­ gen, vorgesehen sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Unterseite (13a, 14a) der Ak­ tuatoren (13, 14), mit welcher diese auf dem Zylinderkopf (1) auflie­ gen, eine relativ große Anhäufung von den Zylinderkopf (1) bildendem Material vorliegt.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Unterseite (13a, 14a) der Ak­ tuatoren (13, 14), mit welcher diese auf dem Zylinderkopf (1) auflie­ gen, im Zylinderkopf (1) Kühlmittelräume für ein den Zylinderkopf (1) durchströmendes Kühlmittel vorgesehen sind.