DE102006015887A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1), in dem ein hubvariabler Ventiltrieb (2) angeordnet ist, und einem Kurbelgehäuse (3), wobei für den hubvariablen Ventiltrieb (2) eine erste Stellvorrichtung (10) zum Öffnen und Schließen eines Gaswechselventils (9) und eine zweite Stellvorrichtung (12) zur Einstellung eines Gaswechselventilhubes vorgesehen sind, wobei die zweite Stellvorrichtung (12) zumindest einen ersten Einstellbereich für einen Teilhub und einen zweiten Einstellpunkt für einen Vollhub des Gaswechselventils (9) aufweist, wobei in dem Kurbelgehäuse (3) ein in Richtung zum hubvariablen Ventiltrieb (2) lageveränderbarer Kurbeltrieb (4) angeordnet ist, wobei für den lageveränderbaren Kurbeltrieb (4) eine dritte Stellvorrichtung (13) zur Lageveränderung einer Kurbelwelle (14) vorgesehen ist, wobei an die dritte Stellvorrichtung (13) ein Blockierelement (15) angeordnet ist, das mit der zweiten Stellvorrichtung (12) derart in Wirkverbindung steht, dass bei einer ventiltriebnahen Stellung der Kurbelwelle (14) nur der erste Einstellbereich betätigbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Hubkoben-Brennkraftmaschine wird deren Wirkungsgrad verbessert, bei gleichzeitiger Minimierung des Schadstoffausstoßes.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 23 186 A1 aus. In dieser ist eine Ventiltriebsvorrichtung zur variablen Hubverstellung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine beschrieben. Bei der Ventiltriebsvorrichtung steht das Gaswechselventil unter Zwischenschaltung der Rolle eines Rollenschlepp- oder Rollenkipphebels mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung, der gaswechselventilseitig eine Steuerbahn mit einer Teilhubkurve und einer Hubkurve aufweist. Auf der dem Gaswechselventil abgewandten Seite ist der Schwenkhebel über eine Rolle auf einer Kulisse schiebebeweglich gelagert. Der Schwenkhebel ist einerseits kulissennah über eine Rolle von einer Stellvorrichtung entlang der Kulissenbahn verschiebbar, um einen Ventilhub einzustellen. Auf der der Stellvorrichtung abgewandten Seite steht der Schwenkhebel kulissenfern über eine zweite Rolle mit einem Nocken einer Nockenwelle in Wirkverbindung zur Betätigung des Gaswechselventils, wobei die Gaswechselventilbetätigung gegen die Federkraft einer Feder erfolgt. Zur Erzielung einer rein rotatorischen Bewegung des Schwenkhebels um seinen Schwing-/Drehpunkt, den Rollenmittelpunkt, der auf der Kulisse abgestützten Rolle, ist die Kulisse eine Kreisbahn mit einem Radius „R" um die Drehachse der Rolle des Rollenschlepp- oder Rollenkipphebels. Die beschriebene Ventiltriebsvorrichtung kann allen gleichwirkenden Gaswechselventilen (Einlass- und/oder Auslassgaswechselventilen) sämtlicher Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet werden. Um einen möglichst guten Füllgrad der Brennkraftmaschine für einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, weist der Kolben auf seiner Kolbenoberfläche Aussparungen (Ventiltaschen) auf, in die die Ventilteller der Gaswechselventile bei einem Vollhub eintauchen können.
  • Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit hubvariablem Ventiltrieb weist bereits einen deutlich besseren Wirkungsgrad, insbesondere bei Teillast, auf, als eine Brennkraftmaschine mit einem konventionellen, nicht hubvariablen Ventiltrieb, da die Gaswechselverluste minimiert sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine zu noch besserem Wirkungsgrad hin weiterzuentwickeln.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Durch die Zusammenführung eines gattungsgemäßen hubvariablen Ventiltriebs mit einer variablen Verdichtung ist es möglich, die Ventiltaschen in einer gattungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine kleiner auszuführen. In vorteilhafter Weise wird insbesondere bei einer niedrigen Last bzw. niedrigen abgegebenen Leistung der Hubkolben-Brennkraftmaschine die Verdichtung erhöht, bei gleichzeitig reduziertem Ventilhub. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad der Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillastbereich, wesentlich erhöht. Damit es jedoch bei einer Fehlfunktion nicht zu einem Hubkolben-Brennkraftmaschinenschaden kommt, ist das erfindungsgemäße Blockierelement vorgesehen, um eine fail-safe-Funktion zu ermöglich. Durch die vorgeschlagene mechanische Verriegelung ist es nicht möglich, dass bei einer größeren Verdichtung das Gaswechselventil auf dem Kolben auftrifft. In vorteilhafter Weise wird durch die Verringerung der Tiefe der Ventiltaschen bzw. deren Entfall die Anzahl von Kanten bzw. Unebenheiten im Brennraum reduziert. Hierdurch wird die Verbrennung wesentlich homogener, wodurch der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß deutlich reduziert werden.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine.
  • Die Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 3 und 4 sind besonders praxisbewährte Ausführungsvarianten.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 ist eine besonders robuste Ausführungsvariante.
  • Die Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 6 und 7 sind eine besonders einfach zu realisierende Möglichkeit einer variablen Verdichtung.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine. Die Hubkolben-Brennkraftmaschine weist einen an ein Kurbelgehäuse 3 angeordneten Zylinderkopf 1 mit einem hubvariablen Ventiltrieb 2 auf. Im Kurbelgehäuse 3 ist ein Zylinder 20 angeordnet. Ein Kurbel trieb 4, bestehend aus einer exzentrisch gelagerten Kurbelwelle 14 und einem Pleuel 18 sorgen für eine Auf- und Abbewegung eines Kolbens 19 in dem Zylinder 20. Der Kolben 19, der Zylinderkopf 1 und das Kurbelgehäuse 3 schließen einen Brennraum 21 ein. Zylinderkopfseitig im Brennraum 21 ist ein von einem einlassseitig angeordneten, hubvariablen Ventiltrieb 2 angetriebenes hubbewegliches Gaswechselventil 9 angeordnet.
  • Der Kurbeltrieb 4 ist von einem Exzenter 17, in dem die Kurbelwelle 14 gelagert ist, in Richtung des Zylinderkopfes 1 hubbeweglich verschiebbar. Zur Höhenverstellung des Kurbeltriebes 4 ist eine dritte Stellvorrichtung 13 vorgesehen, mit einem Stellelement 16. Das Stellelement 16 ist in dem Ausführungsbeispiel ein Zahnrad, welches mit einer Zahnstange des Exzenters 17 kämmt. Bei einer Verstellung des Exzenters 17 wird der Kurbeltrieb 4 in Richtung zum Zylinderkopf 1 oder in Richtung weg vom Zylinderkopf 1 verschoben, wodurch das Verdichtungsverhältnis im Brennraum 21 der Hubkolben-Brennkraftmaschine verändert wird. Bei einer Verschiebung des Kurbeltriebs 4 in Richtung Zylinderkopf 1 wird die Verdichtung erhöht, bei einer Verschiebung des Kurbeltriebs 4 weg vom Zylinderkopf 1 wird die Verdichtung erniedrigt. Insbesondere bei einer Teillast der Hubkolben-Brennkraftmaschine erhöht ein höheres Verdichtungsverhältnis den Wirkungsgrad der Hubkolben-Brennkraftmaschine.
  • Zylinderkopfseitig weist die Hubkolben-Brennkraftmaschine einlassseitig den hubvariablen Ventiltrieb 2 auf, ein auslassseitiger Ventiltrieb ist nicht dargestellt. Für den hubvariablen Ventiltrieb 2 ist eine erste Stellvorrichtung 10, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Nockenwelle, zum Öffnen und Schließen eines Gaswechselventils 9, vorgesehen. Ferner ist eine zweite Stellvorrichtung 12, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Exzenterwelle mit einem Anschlag, vorgesehen, die zumindest einen ersten Einstellbereich für einen Teilhub sowie einen zweiten Einstellpunkt für einen Vollhub des Gaswechselventils 9 aufweist. Die erste Stellvorrichtung 10 und die zweite Stellvorrichtung 12 wirken im vorliegenden Ausführungsbeispiel beide auf einen Zwischenhebel 5 ein. Der Zwischenhebel 5 ist einerseits mit einer Kulissenbahn 6' auf einem Zwischenelement 8 zu dem Gaswechselventil 9 abgestützt. Das Zwischenelement 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Schlepphebel, der von der Kulissenbahn 6' betätigt wird. Dies erfolgt durch ein Betätigen des Zwischenhebels 5 durch das erste Stellelement 10 entgegen einer Federkraft eines Federelementes 11. Andererseits ist der Zwischenhebel 5 mit einem Rollenelement gegen eine Kulissenbahn 6' einer Kulisse 6 abgestützt. Das zweite Stellelement 12 verschiebt zur Einstellung eines Ventilhubes den Zwischenhebel 5 an seinem kulissennahen Schwing-/Drehpunkt entlang der Kulissenbahn 6'. Das Zwischenelement 8 ist einerseits auf dem Gaswechselventil 9 und andererseits auf einem Abstützelement 22 im Zylinderkopf 1, einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement abgestützt.
  • Um im Falle einer hohen Verdichtung der Hubkolben-Brennkraftmaschine, d. h. der Kurbeltrieb 4 ist zylinderkopfnah eingestellt, ein vollständiges Öffnen des Gaswechselventils 9 zu verhindern, ist erfindungsgemäß ein Blockierelement 15 vorgesehen, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl im Kurbelgehäuse als auch im Zylinderkopf 1 gelagert ist. Das Blockierelement 15 ist mit der dritten Stellvorrichtung 13 derart gekoppelt, dass für den Fall einer hohen Verdichtung der Hubkolben-Brennkraftmaschine die zweite Stellvorrichtung 12 derart blockiert ist, dass ein Vollhub des Gaswechselventils 9 ausgeschlossen ist.
  • Nutzt man eine gattungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb 2 zur Realisierung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit gleichzeitiger variabler Verdichtung (z. B. Verlagerung der Kurbelwelle mittels exzentrischer, von einem Stellelement betätigter Lagerschalen), entsteht ein Problem aufgrund der – bedingt durch die bei hoher Verdichtung weiter zylinderkopfseitig liegende Lage des oberen Tot punktes des Kolbens 19 – tiefen Ventiltaschen im Kolben 19. Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb 2 benötigt aufgrund der großen Überschneidungen der Gaswechselventile 9 besonders tiefe Ventiltaschen, insbesondere einlassseitig. Verfügt diese Hubkolben-Brennkraftmaschine über einen variablen Ventilhub 2, bei dem die Hubeinstellung gattungsgemäß mechanisch erfolgt, lässt sich die Tiefe der im allgemein großen Einlassgaswechselventiltaschen erfindungsgemäß deutlich verringern.
  • Da die hohe Verdichtung nur bei niedriger Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine anliegt, ist der lastbestimmende Gaswechseleinlassventilhub ebenfalls verringert und der Abstand Kolben-Gaswechseleinlassventil wäre auch mit weniger tiefen Ventiltaschen gegeben. Aufgrund der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen ist es jedoch nicht akzeptabel, dass ein Fehler in der Ansteuerung die Hubkolben-Brennkraftmaschine mechanisch zerstören kann. Daher kann erfindungsgemäße Möglichkeit, die Kombination eines hubvariablen Ventiltriebs 2 mit einer variablen Verdichtung, nur genutzt werden, wenn zuverlässig, d. h. mechanisch sichergestellt ist, dass bei entsprechend geringer Verdichtung ein großer Ventilhub eingestellt werden kann.
  • Genau das ist Zweck der vorliegenden Erfindung: Eine mechanische Verbindung, das Blockierelement 15, des dritten Stellelementes 13 bis in die Nähe der zweiten Stellvorrichtung 12 bildet einen verdichtungsabhängig stehenden Anschlag für die zweite Stellvorrichtung 12, der große Gaswechselventilhübe bei gleichzeitig hohen Verdichtungen verhindert. Umgekehrt kann dieser Anschlag je nach Ausführung hohe Verdichtung bei gegebenem großen Gaswechselventilhub mechanisch zuverlässig verhindern, d. h. den Stellweg des zweiten Stellelementes 12 begrenzen, wenngleich das aufgrund der Kraftverhältnisse eher der unwahrscheinlichere Fall ist.
  • Wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, kann der Anschlag als eine mit der dritten Stellvorrichtung 13 verbundene, bewegliche Stange zum Zylinderkopf 1 ausgeführt sein, deren zylinderkopfseitiges Ende je nach Stellung des dritten Stellelementes 13 verschieden hoch steht und in Verbindung mit einer geeigneten Kurvenscheibe auf der zweiten Stellvorrichtung 12 den verdichtungsabhängigen Anschlag für die zweite Stellvorrichtung 12 bildet.
  • Im normalen Betrieb findet vorzugsweise kein Kontakt zwischen der zweiten Stellvorrichtung 12 und dem Blockierelement 15 statt, dieser wird nur im Notfall als mechanisch zuverlässige Schutzfunktion wirksam und erlaubt so die Nutzung des Zusammenwirkens von hoher Verdichtung mit kleinem Gaswechselventilhub und umgekehrt und somit die Verkleinerung der Tiefe der Gaswechselventiltaschen auf das wirklich notwendige Maß. Durch die kleineren Gaswechselventiltaschen im Kolben 19 ergibt sich eine günstigere Brennraumform, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen der Hubkolben-Brennkraftmaschine deutlich reduziert werden. Weiter ist die Kombination eines hubvariablen Ventiltriebs 2 mit einer variablen und insbesondere hohen Verdichtung möglich. Hierdurch ist eine bessere Kolbenauslegung realisierbar.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die dritte Stellvorrichtung 13 ein von einem Stellelement 16 verdrehbarer Exzenter, wobei das Stellelement elektrisch, mechanisch oder hydraulisch betätigbar ist. Anstelle eines Exzenters können jedoch auch noch andere Hubverstellungen für den Kurbeltrieb 4 der Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen werden.
  • Weiter kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einer mechanischen „Frühverstellung" eines Ketten- oder Riementriebs, z. B. durch Eindrücken einer Rolle in ein Zugtrum des Ketten- oder Riementriebs kombiniert werden. Diese mechanische Frühverstellung ist vorzugsweise direkt mit der dritten Stellvorrichtung 13 mechanisch gekoppelt. Damit würde ein Öffnen der Gas wechselauslassventile nach „früh" und die Gaswechseleinlassventile stärker zu kleineren Gaswechselventilhüben verstellt, so dass ein optimaler Kompromiss der Tiefen bezüglich der Gaswechseleinlass- zu den Gaswechselauslassventiltaschen gefunden werden kann.
    • 1
    Zylinderkopf
    2
    hubvariabler Ventiltrieb
    3
    Kurbelgehäuse
    4
    Kurbeltrieb
    5
    Zwischenhebel
    6
    Kulisse
    6'
    Kulissenbahn
    7
    Arbeitskurve
    8
    Zwischenelement
    9
    Gaswechselventil
    10
    erste Stellvorrichtung
    11
    Federelementes
    12
    zweite Stellvorrichtung
    13
    dritte Stellvorrichtung
    14
    Kurbelwelle
    15
    Blockierelement
    16
    Stellelement
    17
    Exzenter
    18
    Pleuel
    19
    Kolben
    20
    Zylinder
    21
    Brennraum
    22
    Abstützelement

Claims (7)

  1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) in dem ein hubvariabler Ventiltrieb (2) angeordnet ist und einem Kurbelgehäuse (3), wobei für den hubvariablen Ventiltrieb (2) eine erste Stellvorrichtung (10) zum Öffnen und Schließen eines Gaswechselventils (9) und eine zweite Stellvorrichtung (12) zur Einstellung eines Gaswechselventilhubes vorgesehen ist, wobei die zweite Stellvorrichtung (12) zumindest einen ersten Einstellbereich für einen Teilhub und einen zweiten Einstellpunkt für einen Vollhub des Gaswechselventils (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kurbelgehäuse (3) ein in Richtung zum hubvariablen Ventiltrieb (2) lageveränderbarer Kurbeltrieb (4) angeordnet ist, wobei für den lageveränderbaren Kurbeltrieb (4) eine dritte Stellvorrichtung (13) zur Lageveränderung einer Kurbelwelle (14) vorgesehen ist, wobei an die dritte Stellvorrichtung (13) ein Blockierelement (15) angeordnet ist, das mit der zweiten Stellvorrichtung (12) derart in Wirkverbindung steht, dass bei einer ventiltriebnahen Stellung der Kurbelwelle (14) nur der erste Einstellbereich betätigbar ist.
  2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hubvariable Ventiltrieb (2) einen Zwischenhebel (5) aufweist, der einerseits schiebebeweglich auf einer Kulissenbahn (6') einer Kulisse (6) gelagert ist und andererseits eine Arbeitskurve (7) aufweist, wobei die Arbeitskurve (7) über ein Zwischenelement (8) mit dem Gaswechselventil (9) in Wirkverbindung steht, wobei die erste Stellvorrichtung (10) zum Drehen des Zwischenhebels (5) um einen kulissennahen Punkt gegen eine Federkraft eines Federelementes (11) vorgesehen ist, zum Öffnen und Schließen des Gaswechselventils (9), wobei der Zwischenhebel (5) mit der zweiten Stellvorrichtung (12) entlang der Kulissenbahn (6') verschiebbar ist, zur Veränderung des Gaswechselventilhubes.
  3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellvorrichtung (10) eine Nockenwelle ist.
  4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stellvorrichtung (12) eine Exzenterwelle ist.
  5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockierelement (15) eine in dem Kurbelgehäuse (3) und/oder dem Zylinderkopf (1) gelagerte Schubstange ist.
  6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Stellvorrichtung (13) ein von einem Stellelement (16) verdrehbarer Exzenter (17) ist.
  7. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (16) elektrisch, mechanisch oder hydraulisch betätigbar ist.
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