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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren und insbesondere Motoren mit zwei oder mehr Verbrennungszylindern, die in einer V-Konfiguration angeordnet sind.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren umfassen in der Regel Bohrungen, die oszillierende Kolben enthalten, die ein brennbares Gemisch aus Luft und Kraftstoff zur Verbrennung verdichten. Die Zufuhr von Luft und manchmal Kraftstoff in die Motorzylinder, und auch das Abziehen von Abgas, das als Nebenprodukt der Oxidation des brennbaren Gemischs innerhalb des Zylinders produziert wird, wird allgemein durch Tellerventile und Kraftstoffeinspritzdüsen gesteuert, deren Betrieb mechanisch und/oder elektrisch oder hydraulisch erfolgen kann. Für mechanische Ventilsysteme werden in der Regel Tellerventile verwendet, die auf oszillierende Weise durch eine Nockenwelle mit einem darauf wirkenden Nockenstößel aktiviert werden. In manchen Fällen kann auch eine Kraftstoffeinspritzdüse verwendet werden, um eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen und in den Zylinder einzuspritzen. Die Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs wird durch einen Kolben erreicht, der ebenfalls mechanisch durch einen Nockenstößel oder Heber aktiviert werden kann, der in Kontakt mit einer drehenden Nockenwelle steht. Eine mechanische Kraftstoffzufuhranordnung ist besonders vorteilhaft für bestimmte Schwerlastanwendungen, etwa Anwendungen für Schiffs- oder Lokomotivmotoren.
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Motoren, die mechanische Kraftstoffeinspritzsysteme verwenden, benötigen neben mechanischen Ventilbetätigungssystemen mindestens drei Nockenwellen-Steuernocken für jeden Motorzylinder. Wie bekannt ist ein Nocken ein exzentrisches Merkmal einer Nockenwelle, das die Drehbewegung der Nockenwelle in eine oszillierende axiale Bewegung eines Nockenstößels überträgt, der zur Betätigung anderer Motorkomponenten verwendet wird. Daher kann für einen Motor mit einem mechanischen Einspritzsystem ein Nocken verwendet werden, um die Kraftstoffeinspritzung zu betätigen, und die verbleibenden zwei Nocken können verwendet werden, um jeweils die Einlass- und Auslassventile zu betätigen. Für Motoren mit mehreren Einlass- und/oder Auslassventilen pro Zylinder, oder solchen vom Typ mit mehr als einer Kraftstoffeinspritzung, können zusätzliche Nocken pro Motorzylinder verwendet werden.
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Es dürfte klar sein, dass mehrere Nocken für jeden Motorzylinder Einschränkungen bezüglich des Bauraums schaffen können. Die Herausforderungen bezüglich des Bauraums werden bei Motoren mit Zylindern in gegenüberliegender Anordnung, etwa V-Motoren, noch größer, die in der Regel eine Nockenwelle pro Motorzylinderbank umfassen, die an der nach außen gerichteten oder nach innen gerichteten Seite des Motors platziert ist. In diesen bekannten Anordnungen führen nach außen angeordnete Nockenwellen zu einer komplexeren Getriebezuganordnung, um die Nockenwellen anzutreiben, und vergrößern daher die gesamte Motorbreite. In ähnlicher Weise können bereits vorgeschlagene, innenliegende Nockenwellenanordnungen die Komplexität des Antriebs-Getriebezugs erhöhen und auch die Verdrehsteifigkeit des Antriebsmechanismus verringern, was mit der Zeit zu einem ineffizienten Motorbetrieb und einem erhöhten Verschleiß an den verschiedenen, den Leistungszylindern zugeordneten Motorkomponenten führen kann.
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Ein Beispiel für eine bereits vorgeschlagene Motorkonfiguration, bei der zwei Nockenwellen in der Einbuchtung eines V-Motor-Zylindergehäuses platziert sind, ist aus dem
US-Patent Nr. 5,564,395 an Moser et al. („Moser“) ersichtlich. Moser beschreibt einen Motor mit einem V-förmigen Block, in dem zwei Nockenwellen angeordnet sind. Eine erste Nockenwelle betätigt Schubstangen, die mit Kipphebeln verbunden sind, welche die Einlass- und Auslassventile des Motors betätigen, und eine zweite Nockenwelle betätigt Walzenelemente, die Pumpenelementen zugeordnet sind, die ebenfalls in der Einbuchtung des V-förmigen Motorblocks angeordnet sind. Zum Antreiben der zwei Nockenwellen umfasst der von Moser beschriebene Motor ein erstes Zahnradgetriebe, das eine direkte Verbindung zwischen einer Kurbelwelle des Motors und der ersten Nockenwelle herstellt, die die Einlass- und Auslassventile antreibt, und ein zweites Zahnradgetriebe, das eine direkte Verbindung zwischen der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle, die die Pumpelemente antreibt. Während die Doppelnockenwellen-Anordnung, wie sie von Moser beschrieben wird, zumindest zum Teil effektiv ist, um Raumbeschränkungen abzumildern, kann der indirekte Antrieb der zweiten Nockenwelle durch die erste Nockenwelle die Drehelastizität des Ventil- und des Pumpenantriebssystems des Motors erhöhen, was auch die Leistungsschwankungen zwischen den Motoren und den Komponentenverschleiß über die Zeit erhöhen kann.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor umfasst ein Zylindergehäuse, das drehbar eine Kurbelwelle mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende umfasst. Ein erster Getriebezug ist an einem vorderen Ende des Zylindergehäuses angeordnet und mit einem ersten Antriebszahnrad verzahnend verbunden, das mit dem vorderen Ende der Kurbelwelle verbunden ist. Ein zweiter Getriebezug ist an einem hinteren Ende des Zylindergehäuses angeordnet und mit einem zweiten Antriebszahnrad verzahnend verbunden, das mit dem hinteren Ende der Kurbelwelle verbunden ist. Eine erste Nockenwelle ist relativ zu dem Zylindergehäuse drehbar gelagert und weist eine erste Drehachse und ein erstes angetriebenes Zahnrad auf, das mit einem vorderen Ende der ersten Nockenwelle verbunden ist. Das erste angetriebene Zahnrad ist verzahnend mit dem ersten Getriebezug verbunden. Eine zweite Nockenwelle ist relativ zu dem Zylindergehäuse drehbar gelagert. Die zweite Nockenwelle weist eine zweite Drehachse und ein zweites angetriebenes Zahnrad auf, das mit einem hinteren Ende der zweiten Nockenwelle verbunden ist. Das zweite angetriebene Zahnrad ist verzahnend mit dem zweiten Getriebezug verbunden. Die erste Drehachse und die zweite Drehachse sind parallel.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Verbrennungsmotor, der ein Zylindergehäuse umfasst, das eine Kurbelwelle mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende drehbar lagert. Ein erster Getriebezug ist dazu ausgestaltet, direkt durch die Kurbelwelle angetrieben zu werden. Eine erste Nockenwelle ist relativ zu dem Zylindergehäuse drehbar gelagert und weist eine erste Drehachse auf. Die erste Nockenwelle wird direkt durch den ersten Getriebezug angetrieben. Ein zweiter Getriebezug ist dazu ausgestaltet, direkt durch die Kurbelwelle angetrieben zu werden. Der zweite Getriebezug ist unabhängig von dem ersten Getriebezug. Eine zweite Nockenwelle ist relativ zu dem Zylindergehäuse drehbar gelagert. Die zweite Nockenwelle weist eine zweite Drehachse auf und wird direkt durch den zweiten Getriebezug angetrieben. Die erste Drehachse und die zweite Drehachse sind parallel.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Übersichtsdarstellung eines Motors in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
- 2 ist eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Motors.
- 3 und 4 sind Querschnittsansichten des in 1 dargestellten Motors.
- 5 ist eine Übersichtsdarstellung bestimmter Motorkomponenten des in 1 dargestellten Motors, die zur Veranschaulichung aus dem Motor entfernt dargestellt sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung betrifft Motoren mit mechanisch angetriebenen Einlass- und Auslassventil-Betätigungsmechanismen, und mechanisch angetriebenen Kraftstoffeinspritzdüsen. Ein Motor in Übereinstimmung mit der Offenbarung umfasst eine Vielzahl von Zylindern, die in einer V-Konfiguration mit zwei Zylinderreihen oder -bänken angeordnet sind, wobei jede Zylinderbank in einer Reihe angeordnet ist, die entlang einer jeweils gewinkelten Ebene vorgesehen sind. Die zwei gewinkelten Ebenen schneiden sich entlang einer Achse, die parallel zu einer Mittellinie einer Kurbelwelle des Motors ist, um auf bekannte Weise eine V-Form zu bilden, wenn er von einer Richtung parallel zu den gewinkelten Ebenen betrachtet wird. Die Ebenen können in einem beliebigen, für V-Motoren bekannten Winkel gewinkelt sein, und wenn der Winkel nicht 180 Grad ist, kann ein Einschnitt oder eine Einbuchtung zwischen den Zylinderbänken definiert sein. In einem Motor in Übereinstimmung mit der Offenbarung sind zwei Nockenwellen innerhalb der Einbuchtung angeordnet, so dass die jeweiligen Nockenwellen-Zentrallinien oder -Drehachsen parallel zueinander und zu der Mittellinie oder Drehachse der Kurbelwelle sind. Die Kurbelwelle umfasst Antriebszahnräder an der Vorderseite und der Rückseite des Motors, wobei jede eine jeweilige der in der Motoreinbuchtung angeordneten Nockenwellen antreibt.
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In einem weiten Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung daher einen Motor mit innenliegenden Doppelnockenwellen, die den Raum in der „Einbuchtung“ eines V-Zylindergehäuses eines Verbrennungsmotors ausnützen. Die zwei Nockenwellen treiben die Einlass- und Auslassventile des Motors und auch mechanische Kraftstoffeinspritzdüsen an. Eine Nockenwelle wird durch den hinteren Getriebezug des Motors angetrieben, und die andere Nockenwelle wird durch den vorderen Getriebezug des Motors angetrieben. Wenn während des Motorbetriebs die Einspritzdüsen-Antriebsfunktion nicht benötigt ist, zum Beispiel wenn der Motorkraftstoff abgeregelt wird, um den Motor zu verzögern, oder wenn ein Motor ein anderes Kraftstoffsystem umfasst, das nicht durch die Nockenwelle mechanisch angetrieben wird, können die entsprechende Einspritzdüsen-Nockenwelle und die zugehörigen Stößel entfallen. In der illustrierten Ausführungsform befindet sich die Einspritzungs-Nockenwelle über der Ventil-Nockenwelle, um den Einspritzmechanismus zu verkürzen und zu versteifen, und insbesondere Schubstangen, die die Bewegung von der Einspritzungs-Nockenwelle auf Kipphebel, die den Kraftstoffeinspritzdüsen zugeordnet sind, übertragen.
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Eine Umrissdarstellung eines Motors 100 in Übereinstimmung mit der Offenbarung ist in 1 aus einer Perspektive von hinten dargestellt, und verschiedene Querschnitte davon sind in 2 dargestellt, um interne Komponenten zu veranschaulichen. Diese zeigt einen Längsschnitt des Motors 100 durch den zentralen Einbuchtungsbereich der V-Anordnung, und 3 und 4 zeigen Querschnitte, die die vorderen und hinteren Getriebezüge des Motors 100 offenbaren. Unter Bezugnahme auf diese Figuren umfasst der Motor 100 ein Zylindergehäuse 102, das eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 104 umfasst, die entlang einer rechten Bank 106 und einer linken Bank 108 angeordnet sind. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Zylindergehäuse 102 in einer V-Anordnung angeordnet, bei der die rechten und linken Bänke 106 und 108 in einem spitzen Winkel relativ zueinander angeordnet sind und eine Einbuchtung 110 zwischen zwei Ebenen definieren, die entlang der Mittellinien der Bohrungen 104 angeordnet sind.
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Jede der rechten und linken Bänke 106 und 108 hat einen daran befestigten Zylinderkopf 112 (in 4 dargestellt), der verschiedene Fluiddurchgänge umfasst und verschiedene Motorkomponenten trägt, und umfasst des Weiteren eine Ölwanne 114, die an einem unteren Abschnitt davon befestigt ist und eine Bodenöffnung einer innenliegenden Galerie 116 verschließt (siehe 2). Die Ölwanne 114 bildet einen Sumpf 118, der während des Betriebs des Motors 100 Öl sammelt. Jeder Zylinderkopf 112 verschließt eine obere Öffnung der Zylinderbohrungen 104. Die Zylinderbohrungen 104 umfassen darin hin und her bewegbare Kolben (nicht dargestellt), die über Pleuelstangen (nicht dargestellt) mit einer Kurbelwelle (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden sind, die im Querschnitt von 2 zur Vereinfachung weggelassen wurden, aber bekannte Motorstrukturen darstellen.
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An jedem Zylinderkopf 112 sind Einlasskanäle 120, die Luft oder ein Gemisch aus Luft und Abgas an die Zylinder liefern, Abgaskanäle 122, Stößel 124, die Motorventilbetätigungskomponenten und Kraftstoffeinspritzkomponenten, und Ventildeckel 126 befestigt. Der Motor 100 umfasst ferner zwei Nockenwellen, eine erste Nockenwelle 202 und eine zweite Nockenwelle 204, die in der Einbuchtung 110 angeordnet sind. Insbesondere ist, wie in 2 dargestellt, die erste Nockenwelle 202 unter der zweiten Nockenwelle 204 entlang der Länge des Zylindergehäuses 102 und innerhalb der Einbuchtung 110 angeordnet. Jede der ersten und zweiten Nockenwellen 202 und 204 umfasst Lager 206 und Exzenternocken 208, und weist eine Längsdimension auf, die sich entlang einer ersten Drehachse 203 und einer zweiten Drehachse 205 erstreckt. Die erste und zweite Drehachse 203 und 205, und auch eine Drehachse 210 der Kurbelwelle (nicht dargestellt), sind parallel.
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Die erste und zweite Nockenwelle 202 und 204 werden durch zwei Getriebezüge 212 und 214 angetrieben, die jeweils in 3 und 4 dargestellt sind. Unter Bezugnahme auf 3, die einen Querschnitt an der Rückseite des Motors 100 veranschaulicht, wird dort der zweite Getriebezug 214 dargestellt, der verwendet wird, um die zweite Nockenwelle 204 anzutreiben. Der hintere Getriebezug 214 umfasst ein hinteres Antriebszahnrad 216 (ebenfalls im Querschnitt in 2 dargestellt), das mit einem hinteren Ende der Kurbelwelle 218 verbunden ist und davon angetrieben wird (nicht in 2 dargestellt). Das hintere Antriebszahnrad 216 ist mit einem ersten hinteren Zwischenrad 220, das eine gezahnte Laufbuchse 221 und ein Hohlrad 222 umfasst, verzahnt und treibt dieses an. Die gezahnte Laufbuchse 221 umfasst Zähne, die mit einem zweiten angetriebenen Zahnrad 224 verzahnt sind, das mit einem hinteren Ende 223 der zweiten Nockenwelle 204 durch Befestigungselemente 225 verbunden ist.
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Unter Bezugnahme auf 4, die einen Querschnitt an der Vorderseite des Motors 100 veranschaulicht, wird dort der erste Getriebezug 212 dargestellt, der verwendet wird, um die erste Nockenwelle 202 anzutreiben. Der vordere Getriebezug 212 umfasst ein vorderes Antriebszahnrad 226, das mit einem vorderen Ende der Kurbelwelle 218 verbunden ist und davon angetrieben wird. Das vordere Antriebszahnrad 226 ist mit zwei vorderen Zwischenrädern 228 verzahnt und treibt diese an. Diese sind miteinander und mit einem ersten angetriebenen Zahnrad 230 (in 2 dargestellt) verzahnt, das mit einem vorderen Ende 232 der ersten Nockenwelle 202 durch Befestigungselemente 233 verbunden ist. Jeder der ersten und zweiten Getriebezüge 212 und 214 wird von einem Gehäuse umschlossen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist kein vorderes Gehäuse dargestellt, sondern ein hinteres Gehäuse 234, das mit der Rückseite des Zylindergehäuses 102 verbunden dargestellt ist und das hintere Antriebszahnrad 216 und auch ein Schwungrad 236 des Motors 100 umschließt.
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Eine Umrissdarstellung der ersten und zweiten Nockenwellen 202 und 204 und der zugehörigen angetriebenen Komponenten, die von dem Motor 100 abgenommen dargestellt sind, werden in 5 zur Veranschaulichung gezeigt. Wie in dieser Veranschaulichung zu sehen ist, ist die erste Nockenwelle 202 unter der zweiten Nockenwelle 204 angeordnet und wird verwendet, um die Einlass- und Auslassventile des Motors 100 anzutreiben. In der illustrierten Ausführungsform weisen die Nocken 208 der ersten Nockenwelle 202 darauf aufsitzende Rollenstößel 302 auf, die einer oszillierenden Bewegung folgen, wenn sich die erste Nockenwelle 202 während des Motorbetriebs dreht. Jeder Rollenstößel 302 ist mit einer Pleuelstange 304 verbunden, die ihrerseits entweder mit einem Einlassventil-Kipphebel 306 oder mit einem Auslassventil-Kipphebel 308 verbunden ist, die jeweils betätigt werden, um ein entsprechendes Einlass- oder Auslassventil des Motors 100 in der bekannten strukturellen Anordnung zu öffnen und zu schließen. Diese umfassen jeweils Ventilschäfte, Rückstellfedern, Hubbegrenzer und dergleichen.
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In ähnlicher Weise umfasst die zweite Nockenwelle
204 Nocken 208, auf welchen die Rollen-Einspritzstößel
310 sitzen und einer oszillierenden Bewegung folgen, wenn die zweite Nockenwelle
204 sich während des Betriebs dreht. Es dürfte klar sein, dass die Drehrate sich zwischen den ersten und zweiten Nockenwellen
202 und
204 während des Motorbetriebs unterscheiden kann, je nach der Auswahl der verschiedenen Zahnräder, die den ersten und zweiten Getriebezug
212 und
214 bilden. Die Einspritz-Rollenstößel
310 umfassen Federn 312, die eine Rückstell- und Vorspannkraft bereitstellen, um den Kontakt der Einspritz-Rollenstößel
310 mit den Nocken
208 der zweiten Nockenwelle
204 aufrecht zu erhalten. Die Einspritz-Rollenstößel
310 sind mit Einspritzdüsen-Kipphebeln
314 verbunden, die die Kraftstoffeinspritzdüsen betätigen, zum Beispiel mechanisch betätigte, hydraulisch verstärkte Kraftstoffeinspritzdüsen, etwa die Kraftstoffeinspritzdüsen, die in dem
US-Patent 6,003,497 beschrieben werden, dessen Offenbarung durch Verweis hierin aufgenommen ist, oder auch ähnliche Einspritzdüsen, die einen flüssigen Kraftstoff wie etwa Diesel oder einen gasförmigen Kraftstoff wie etwa Flüssigerdgas (LNG) in die Motorzylinder liefern. Wie aus
5 zu ersehen ist, können die Antriebsanordnung für die Einlass- und Auslassventile und auch die Kraftstoffeinspritzdüsen einmal für jeden Motorzylinder vorgesehen sein. In der illustrierten Ausführungsform von
1 sind zwölf Zylinder dargestellt, die entlang zweier Sechszylinder-Bänke angeordnet sind; es können jedoch auch andere Anzahlen von Zylindern verwendet werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung findet Anwendung auf jeglichen Motortyp mit Doppelnockenwellen, um die Zylinderventilbetätigungs-Komponenten und mechanischen Kraftstoffeinspritzanordnungen anzutreiben. Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele des offenbarten Systems bzw. der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und stellen keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen dar. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung dieser Merkmale angeben, diese jedoch nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts Anderes angegeben ist.
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Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in beliebiger geeigneter Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts Anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5564395 [0005]
- US 6003497 [0016]
