DE102018129287A1

DE102018129287A1 - Verbrennungsmotor mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb

Info

Publication number: DE102018129287A1
Application number: DE102018129287.2A
Authority: DE
Inventors: Murat Yakan; Thomas Sponsel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-05-28

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Verbrennungsmotor mit vier oder sechs Zylindern pro Zylinderbank und mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb, der eine Hydraulikeinheit (14) mit einem für die Zylinder einer Zylinderbank gemeinsamen Hydraulikgehäuse (15) umfasst, in dem jeweils pro Zylinder:- ein Druckraum (8) ist,- ein Geberkolben (5) geführt ist, der gehäuseaußenseitig von einem Nocken (4) angetrieben ist und gehäuseinnenseitig den Druckraum begrenzt,- ein Nehmerkolben (6) geführt ist, der gehäuseaußenseitig ein Gaswechselventil (2) betätigt und gehäuseinnenseitig den Druckraum begrenzt,- und ein Hydraulikventil (7) ist, das in geöffnetem Zustand den Druckraum druckentlastet. Die Druckentlastung der Druckräume soll paarweise in Druckentlastungsräume (10) mit Druckspeichern (9) erfolgen, die hydraulisch voneinander getrennt im Hydraulikgehäuse angeordnet sind, wobei jeweils der Zündabstand zwischen den zwei Zylindern, deren Gaswechselventile von den Nehmerkolben eines Druckraumpaares betätigt sind, ein Mehrfaches des Zündabstands des Verbrennungsmotors ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit vier oder sechs Zylindern pro Zylinderbank und mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb, der eine Hydraulikeinheit mit einem für die Zylinder einer Zylinderbank gemeinsamen Hydraulikgehäuse umfasst, in dem jeweils pro Zylinder:

- ein Druckraum ist,
- ein Geberkolben geführt ist, der gehäuseaußenseitig von einem Nocken angetrieben ist und gehäuseinnenseitig den Druckraum begrenzt,
- ein Nehmerkolben geführt ist, der gehäuseaußenseitig ein Gaswechselventil betätigt und gehäuseinnenseitig den Druckraum begrenzt,
- und ein Hydraulikventil ist, das in geöffnetem Zustand den Druckraum druckentlastet.

Gattungsgemäßer Stand der Technik ist beispielsweise aus EP 1 989 406 B1 , EP 2 060 754 B1 und EP 2 226 477 B1 bekannt, die jeweils eine Hydraulikeinheit für einen Vierzylinder-Reihenmotor mit elektrohydraulischem Ventiltrieb offenbaren. Die Hydraulikeinheit hat für den variablen Antrieb der Gaswechselventile eines jeden Motorzylinder eigene Hydraulikkomponenten und -räume.
Demgegenüber geht aus der EP 0 939 205 B1 ein Fünfzylinder-Reihenmotor mit elektrohydraulischem Ventiltrieb und einer Hydraulikeinheit hervor, bei der sich die Druckräume aller fünf Motorzylinder in einen einzigen Druckentlastungsraum mit zwei Druckspeichern entlasten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art, d.h. insbesondere einen Reihenmotor mit nur einer Zylinderbank und vier oder sechs Zylindern (R4, R6) oder einen V-Motor mit zwei Zylinderbänken und acht oder zwölf Zylindern (V8, V12), deren Gaswechselventile hydraulisch variabel betätigt sind, konstruktiv zu vereinfachen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Demnach soll die Druckentlastung der Druckräume paarweise in Druckentlastungsräume mit Druckspeichern erfolgen, die hydraulisch voneinander getrennt im Hydraulikgehäuse angeordnet sind, wobei jeweils der Zündabstand zwischen den zwei Zylindern, deren Gaswechselventile von den Nehmerkolben eines Druckraumpaares betätigt sind, ein Mehrfaches des Zündabstands des Verbrennungsmotors ist.
Mit anderen Worten verbinden die Hydraulikventile stets zwei Druckräume mit einem gemeinsamen Druckentlastungsraum, wobei die diesen beiden Druckräumen zugeordneten Zylinder in der Zündfolge des Verbrennungsmotors nicht unmittelbar aufeinander folgen. Die Anzahl der erforderlichen Druckspeicher ist folglich nur halb so groß wie die Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors.
Diese konstruktive Vereinfachung der Hydraulikeinheit basiert auf der Erkenntnis, dass es problemlos möglich ist, jeweils zwei Druckräume in nur einen Druckspeicher zu entlasten, wenn der Zündabstand der zugehörigen Motorzylinder im Hinblick auf noch zulässige hydraulische Druckpulsationen infolge der zyklischen Befüllung und Entleerung des Druckspeichers ausreichend groß ist.

Die nachfolgende Auflistung zeigt beispielhaft Möglichkeiten, welche Druckräume bei den o.g. Motorbauarten paarweise an einen gemeinsamen Druckentlastungsraum angeschlossen werden können und welchen Zündabstand die Druckräume jedes Druckraumpaars voneinander haben. Die Nummerierung der Druckräume entspricht den Nummern der Zylinder, deren Gaswechselventile von den Nehmerkolben dieser Druckräume betätigt werden.

Bauart	Zündfolge	Zündabstand Motor	Druckraumpaare	Zündabstand Druckräume	Zündwinkelverhältnis
R4	1-3-4-2	180°	1+4/3+2	360°	2
R6	1-5-3-6-2-4	120°	1+6/5+2/3+4	360°	3
V8	1-6-3-5-4-7-2-8	90°	1+4/6+7/3+2/5+8	360°	4
V12	1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10	60°	1+6 / 7+12 / 5+2 / 11+8 / 3+4 / 9+10	360°	6

Für die aufgelisteten Motorbauarten ergibt sich jeweils derselbe Zündabstand von 360° Kurbelwelle zwischen den gepaarten Druckräumen. Gemäß der Spalte ‚Zündwinkelverhältnis‘ beträgt dieser Winkel beim R4-Motor das Zweifache, beim R6-Motor das Dreifache, beim V8-Motor das Vierfache und beim V12-Motor das Sechsfache des Motorzündabstands.
In einer bevorzugten Ausführung soll das Hydraulikgehäuse die Zylinderbank zur Umgebung des Verbrennungsmotors hin abdichten. Damit hat die Hydraulikeinheit lediglich eine hydraulische Schnittstelle zum Zylinderkopf hin, der die Hydraulikeinheit mit Hydraulikmittel versorgt, und ein sonst üblicher Ventildeckel ist nicht existent.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die Erfindung am Beispiel von zwei Hydraulikeinheiten eines elektrohydraulischen Gaswechselventiltriebs für einen Vierzylinder-Reihenmotor rein schematisch dargestellt ist. Soweit nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:

1 einen bekannten elektrohydraulischen Ventiltrieb;
2 das erste Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;
3 das erste Ausführungsbeispiel in einer Vorderansicht;
4 das zweite Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines bekannten elektrohydraulischen Gaswechselventiltriebs zur hubvariablen Betätigung des von einer Ventilfeder 1 in Schließrichtung kraftbeaufschlagten Gaswechselventils 2 im Zylinderkopf 3 eines Verbrennungsmotors. Dargestellt sind folgende Komponenten:

- ein vom Nocken 4 einer Nockenwelle angetriebener Geberkolben 5,
- ein das Gaswechselventil 2 betätigender Nehmerkolben 6,
- ein elektromagnetisches 2-2-Wege-Hydraulikventil 7,
- ein vom Geberkolben 5 und vom Nehmerkolben 6 begrenzter Druckraum 8, aus dem bei geöffnetem Hydraulikventil 7 Hydraulikmittel in einen Druckspeicher 9 als Teil eines Druckentlastungsraums 10 abströmen kann,
- und ein in Richtung des Druckentlastungsraums 10 öffnendes Rückschlagventil 11, über das der Druckentlastungsraum 10 an den Schmiermittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.

Die Variabilität des Ventilhubs wird dadurch erzeugt, dass der Druckraum 8 zwischen dem Geberkolben 5 und dem Nehmerkolben 6 als sogenanntes hydraulisches Gestänge wirkt, wobei das - bei Vernachlässigung von Leckagen - proportional zum Hub des Nockens 4 vom Geberkolben 5 verdrängte Hydraulikvolumen in Abhängigkeit des Öffnungszeitpunkts und der Öffnungsdauer des Hydraulikventils 7 in ein erstes, den Nehmerkolben 6 beaufschlagendes Teilvolumen und in ein zweites Teilvolumen, das sich in den Druckentlastungsraum 10 mit dem Druckspeicher 9 druckentlastet, aufgeteilt wird. Durch die so entkoppelte Bewegung des Gaswechselventils 2 von der Bewegung des Nockens 4 sind die Hubübertragung des Geberkolbens 5 auf den Nehmerkolben 6 und mithin nicht nur die Steuerzeiten, sondern auch die Hubhöhe des Gaswechselventils 2 innerhalb der Erhebung des Nockens 4 vollvariabel einstellbar. Die aufgrund der Entkopplung entfallende Schließrampe des Nockens 4 wird durch eine hydraulische Ventilbremse 12 ersetzt, die das Gaswechselventil 2 kurz vor dem Erreichen des Ventilsitzes 13 auf eine akustisch und mechanisch zulässige Schließgeschwindigkeit abbremst.
Bei den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung sollen die im Betätigungssinn zwischen dem Nocken 4 und dem Gaswechselventil 2 angeordneten Ventiltriebkomponenten mit einem gemeinsamen Hydraulikgehäuse zu einer Hydraulikeinheit zusammengefasst sein, die auf den Zylinderkopf eines Vierzylinder-Reihenmotors mit der dafür üblichen Zündfolge 1-3-4-2 und dem entsprechenden Zündabstand von 180° Kurbelwelle zu montieren ist. Das Hydraulikgehäuse dichtet die Zylinderbank und vorliegend den Zylinderkopf zur Umgebung des Verbrennungsmotors hin ab, so dass ein zusätzlicher Ventildeckel nicht existent ist.
Die 2 und 3 zeigen das erste Ausführungsbeispiel einer Hydraulikeinheit 14 mit dem gemeinsamen Hydraulikgehäuse 15 und den darin befestigten Hydraulikventilen 7 sowie den hydraulisch voneinander getrennten Druckentlastungsräumen 10 mit den Druckspeichern 9. Die vier Hydraulikventile 7 sind jeweils der Nummer des zugehörigen Zylinders entsprechend mit HV1 bis HV4 benannt. Die beiden Druckentlastungsräume 10 sind jeweils mit DER1+4 und DER2+3 entsprechend der beiden Nummern der Hydraulikventile HV1 und HV4 bzw. HV2 und HV3 benannt, die im geöffneten Zustand die zugehörigen Druckraumpaare mit den Druckentlastungsräumen 10 verbinden.
Wie es aus 3 deutlich wird, sind der erste Druckentlastungsraum DER1+4 und der zweite Druckentlastungsraum DER2+3 durch Bohrungen 16 im Hydraulikgehäuse 15 gebildet, die zueinander parallel und vorliegend bezüglich der Schwerkraftrichtung g höhenversetzt sowie in Längsrichtung des Verbrennungsmotors verlaufen. Die Bohrungen 16 sind gegenüber bekannten Ausführungen, bei denen die Druckentlastungsräume als Mulden im Hydraulikgehäuse ausgebildet und durch Abschlussdeckel verschlossen sind, in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Zum einen ist die Herstellung der Abschlussdeckel, deren Abdichtung und der dafür erforderlichen Oberflächenqualität sowie der Deckelverschraubung mit vergleichsweise hohen Herstellkosten verbunden. Zum anderen ist die betriebliche Akustik der Hydraulikeinheit 14 vorteilhaft, da die aus Flachmaterial bestehenden Abschlussdeckel als Resonator wirken können und folglich das NVH-Verhalten des Verbrennungsmotors beeinträchtigen.
Die Druckspeicher 9 sind als federbelastete Kolbenspeicher ausgebildet, die bei diesem ersten Ausführungsbeispiel jeweils in einer die Bohrung 16 schneidenden Querbohrung 17 im Hydraulikgehäuse 15 angeordnet sind. Die Entlüftung der Druckspeicher 9 erfolgt jeweils über einen Entlüftungskanal 18, der geodätisch oberhalb des Speicherkolbens 19 von der Querbohrung 17 in Schwerkraftrichtung g abzweigt und als Rücklauf im Zylinderkopf 3 mündet.
Das zweite Ausführungsbeispiel einer Hydraulikeinheit 14 gemäß 4 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Druckspeicher 9 in den Bohrungen 16 und parallel dazu angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Ventilfeder
2: Gaswechselventil
3: Zylinderkopf
4: Nocken
5: Geberkolben
6: Nehmerkolben
7: Hydraulikventil
8: Druckraum
9: Druckspeicher
10: Druckentlastungsraum
11: Rückschlagventil
12: Ventilbremse
13: Ventilsitz
14: Hydraulikeinheit
15: Hydraulikgehäuse
16: Bohrung
17: Querbohrung
18: Entlüftungskanal
19: Speicherkolben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1989406 B1 [0002]
EP 2060754 B1 [0002]
EP 2226477 B1 [0002]
EP 0939205 B1 [0003]

Claims

Verbrennungsmotor mit vier oder sechs Zylindern pro Zylinderbank und mit hydraulisch variablem Gaswechselventiltrieb, der eine Hydraulikeinheit (14) mit einem für die Zylinder einer Zylinderbank gemeinsamen Hydraulikgehäuse (15) umfasst, in dem jeweils pro Zylinder: - ein Druckraum (8) ist, - ein Geberkolben (5) geführt ist, der gehäuseaußenseitig von einem Nocken (4) angetrieben ist und gehäuseinnenseitig den Druckraum (8) begrenzt, - ein Nehmerkolben (6) geführt ist, der gehäuseaußenseitig ein Gaswechselventil (2) betätigt und gehäuseinnenseitig den Druckraum (8) begrenzt, - und ein Hydraulikventil (7) ist, das in geöffnetem Zustand den Druckraum (8) druckentlastet, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastung der Druckräume (8) paarweise in Druckentlastungsräume (10) mit Druckspeichern (9) erfolgt, die hydraulisch voneinander getrennt im Hydraulikgehäuse (15) angeordnet sind, wobei jeweils der Zündabstand zwischen den zwei Zylindern, deren Gaswechselventile (2) von den Nehmerkolben (6) eines Druckraumpaares betätigt sind, ein Mehrfaches des Zündabstands des Verbrennungsmotors ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Vierzylinder-Reihenmotor ist, wobei die Druckräume (8) des ersten und vierten Zylinders in einen ersten Druckentlastungsraum (10) mit einem ersten Druckspeicher (9) druckentlastet sind und wobei die Druckräume (8) des zweiten und dritten Zylinders in einen zweiten Druckentlastungsraum (10) mit einem zweiten Druckspeicher (9) druckentlastet sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeicher (9) federbelastete Kolbenspeicher sind, die jeweils entweder in einer in Längsrichtung des Verbrennungsmotors verlaufenden Bohrung (16) im Hydraulikgehäuse (15) oder in einer die Bohrung (16) schneidenden Querbohrung (17) angeordnet sind, von der geodätisch oberhalb des Speicherkolbens (19) ein im Zylinderkopf (3) mündender Entlüftungskanal (18) abzweigt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikgehäuse (15) die Zylinderbank zur Umgebung des Verbrennungsmotors hin abdichtet.