DE10201932A1

DE10201932A1 - Internal combustion engine for four-stroke combustion process has camshaft with number of cam lobes distributed equally over circumference of cam, and crankshaft rotating at RPM which is dependent upon number of cam lobes

Info

Publication number: DE10201932A1
Application number: DE2002101932
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Huettner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-01-19
Filing date: 2002-01-19
Publication date: 2003-07-31

Abstract

The internal combustion engine for a four-stroke combustion process has a crankshaft-driven camshaft (2), the cams (1) of which each have a number of cam lobes (3) distributed equally over the circumference of the cam. The crankshaft rotates at a RPM which is 2 x Z that of the camshaft, where Z is the number of cam lobes and is at least 2. Therefore, with two lobes on the cam the crankshaft rotates at four times the RPM of the camshaft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Viertaktbrennverfahren mit einer Nockenwelle mit Nocken und einer Kurbelwelle. The invention relates to an internal combustion engine for a Four-stroke combustion with a camshaft with cams and a crankshaft.

Es ist allgemein bekannt, dass in einer Brennkraftmaschine für ein Viertaktbrennverfahren sich die Nockenwelle zum Betätigen der Gaswechselventile und/oder der Einspritzpumpen mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht. Dadurch wird ein Viertaktbrennverfahren über zwei Kurbelwellenumdrehungen ermöglicht. Diese Übersetzung auf die halbe Drehzahl der Kurbelwelle wird durch ein Zahnradgetriebe oder, wenn die Nockenwelle im Zylinderkopf angeordnet ist, meist durch ein Umschlingungsgetriebe dargestellt. Dazu ist an der Kurbelwelle ein kleines Rad und an der Nockenwelle ein doppelt so großes Rad angeordnet. Das Umschlingungsgetriebe kann als Zahnriementrieb oder als Kettentrieb ausgeführt sein. Durch das große Rad an der Nockenwelle erreicht die Brennkraftmaschine ein große Bauhöhe. It is well known that in an internal combustion engine for a four-stroke combustion process, the camshaft to operate the gas exchange valves and / or the injection pumps with the half speed of the crankshaft rotates. This will be a Four-stroke combustion over two crankshaft revolutions allows. This translation to half the speed of Crankshaft is powered by a gear or when the Camshaft is arranged in the cylinder head, mostly by a Circumferential transmission shown. This is on the crankshaft a small wheel and twice as big on the camshaft Wheel arranged. The belt drive can as Toothed belt drive or be designed as a chain drive. By the big wheel on the camshaft reaches the engine a large height.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Antrieb der Ventile und/oder der Einspritzpumpen reibungsärmer und mit weniger Platzbedarf darzustellen. The object of the invention is to drive the valves and / or the injection pumps with less friction and less space display.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. This task is accomplished by an internal combustion engine with the Characteristics of claim 1 solved.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist eine Nockenwelle mit Nocken auf, worauf sich eine Anzahl Z Nockenerhebungen befinden, die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt sind. Um ein Viertaktbrennverfahren zu ermöglichen, muss sich die Kurbelwelle entsprechend schneller drehen, und zwar bei Z Nockenerhebungen genau mit einer Drehzahl, die 2.Z der Nockenwellendrehzahl entspricht. Die Zahl Z ist eine ganze Zahl und größer oder gleich 2. Bei der bekannten Bauform für Viertaktbrennkraftmaschinen ist Z gleich 1. Für jedes Z, das 2 oder größer ist, dreht sich die Nockenwelle langsamer. Da die Reibung sich quadratisch zur Geschwindigkeit vergrößert, ist es von Vorteil die Nockenwellendrehzahl zu verringern, und damit die Reibung im sogenannten Steuertrieb, d. h. Nockenwelle mit Antrieb, zu verringern. The internal combustion engine according to the invention has a camshaft with cams on which are a number Z cam lobes located evenly around the circumference. To one To enable four-stroke combustion, the Turn crankshaft correspondingly faster, at Z Cam elevations exactly at a speed, the 2.Z the Camshaft speed corresponds. The number Z is an integer and greater than or equal to 2. In the known design for Four-stroke internal combustion engine Z is equal to 1. For each Z, the 2 or larger, the camshaft rotates slower. Because the Friction increases quadratically to the speed, it is beneficial to reduce the camshaft speed, and thus the friction in the so-called control drive, d. H. Camshaft with Drive, reduce.

In einer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 2) dreht sich die Nockenwelle mit einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl. Auf jedem Nocken der Nockenwelle sind zwei Nockenerhebungen gleichmäßig über dem Umfang verteilt, d. h. um 180° gegeneinander verdreht. Dies ist der Fall bei Z = 2. Bei zwei Nockenerhebungen je Nocken ist es noch relativ einfach, die Erhebungen über dem Umfang zu verteilen, ohne dass sich die Anlauframpe der einen Erhebung mit der Ablauframpe der anderen Erhebung gegenseitig stören. Bei noch mehr Nockenerhebungen muss aus diesem Grunde der Grundkreis des Nockens unter Umständen vergrößert werden. Zwei Nockenerhebungen hingegen erfordern noch keinen vergrößerten Grundkreis, reduzieren aber gleichzeitig die Drehzahl der Nockenwelle um die Hälfte und damit ebenfalls die Reibung. In one embodiment of the invention (claim 2) rotates the camshaft with a quarter of the crankshaft speed. On Each cam of the camshaft are two cam lobes evenly distributed over the circumference, d. H. around 180 ° twisted against each other. This is the case for Z = 2. For two Cam lobes per cam, it is still relatively easy, the To distribute surveys over the circumference, without the Starting ramp of one survey with the ramp of the other Upset each other. For even more cam lobes For this reason, the base circle of the cam must be under Circumstances are increased. Two cam lobes, however do not require an enlarged base circle, but reduce at the same time the speed of the camshaft by half and so also the friction.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 3) ist zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle ein Getriebe mit mindestens zwei Stufen angeordnet. Durch eine zweistufige Anordnung des Getriebes ist eine platzsparende Bauweise bezüglich der Länge und der Höhe der Brennkraftmaschine einfach darstellbar, da durch ein kleines Zahnrad oder Kettenrad an der Nockenwelle die Bauhöhe der Brennkraftmaschine an einer für den Einbau der Brennkraftmaschine in ein Kraftfahrzeug entscheidenden Stelle verringert wird. In a further embodiment of the invention (claim 3) between the crankshaft and the camshaft a gearbox with arranged at least two stages. By a two-stage Arrangement of the transmission is a space-saving design in terms of the length and height of the internal combustion engine easy represented by a small gear or sprocket on the Camshaft the height of the internal combustion engine at one for the Installation of the internal combustion engine in a motor vehicle crucial point is reduced.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 4) ist die Übersetzung 11 einer ersten Stufe des zweistufigen Getriebes so ausgelegt, dass die Drehzahl nach der ersten Stufe ungefähr der Drehzahl der Nockenwelle entspricht. Eine zweite Stufe hat eine Übersetzung 12 von ungefähr 1. Die Gesamtübersetzung i_g = i_1.i₂ des Getriebes ist so groß, dass die Kurbelwellendrehzahl 2.Z der Nockenwellendrehzahl ist. Bei Z = 2, d. h. zwei Nockenerhebungen je Nocken, dreht sich die Kurbelwelle viermal so schnell wie die Nockenwelle. Durch die zweite Übersetzung im Getriebe, die ungefähr eins ist, wird ein kleines Zahnrad oder Kettenrad an der Nockenwelle ermöglicht, was eine niedrige Bauhöhe der Brennkraftmaschine ergibt. In a further advantageous embodiment of the invention (claim 4), the ratio 11 of a first stage of the two-stage transmission is designed so that the speed after the first stage corresponds approximately to the speed of the camshaft. A second stage has a ratio 12 of approximately 1. The overall ratio i _g = i _1. I _{2 of} the transmission is so large that crankshaft speed 2 .Z is the camshaft speed. At Z = 2, ie two cam lobes per cam, the crankshaft rotates four times as fast as the camshaft. By the second gear ratio, which is about one, a small gear or sprocket is allowed on the camshaft, resulting in a low overall height of the internal combustion engine.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 5) wird von einem Zwischenglied zwischen erster und zweiter Getriebestufe ein Nebenaggregat angetrieben. Durch die relativ niedrige Drehzahl des Zwischengliedes lassen sich Nebenaggregate, wie zum Beispiel ein Kältemittelverdichter oder eine Lenkhelfpumpe, direkt antreiben. Dadurch kann ein Riementrieb für Nebenaggregate stark vereinfacht werden oder gänzlich entfallen, wenn eine elektrische Wasserpumpe und ein sogenannter Starter-Generator vorgesehen ist. In a further advantageous embodiment of the invention (Claim 5) is an intermediate between the first and second gear stage driven an accessory. By the relatively low speed of the intermediate member can be Ancillaries, such as a refrigerant compressor or a power steering pump, drive directly. This can be a Belt drive for ancillaries are greatly simplified or completely eliminated if an electric water pump and a so-called starter-generator is provided.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 6) ist eine Stufe des Getriebes als Umschlingungsgetriebe vorgesehen. Wenn beispielsweise die zweite Stufe des Getriebes als Kettentrieb ausgeführt ist, verringert sich aufgrund der nahezu halbierten Kettengeschwindigkeit die Geräuschabstrahlung und die Reibung im Kettentrieb. In a further embodiment of the invention (claim 6) provided a step of the transmission as a belt transmission. For example, if the second stage of the transmission as Chain drive is running down, due to the almost halved chain speed the noise emission and the friction in the chain drive.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Further features and feature combinations emerge from the Description as well as the drawings. concrete Embodiments of the invention are simplified in the drawings shown and in the following description in more detail explained. Show it

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Nocken mit zwei Nockenerhebungen und Fig. 1 shows a cam according to the invention with two cam lobes and

Fig. 2 ein zweistufiges Getriebe zum Antrieb der Nockenwelle. Fig. 2 is a two-stage gearbox for driving the camshaft.

In Fig. 1 ist ein Nocken 1 einer Nockenwelle 2 mit zwei Nockenerhebungen 3 im Querschnitt gezeigt. Die beiden Nockenerhebungen 3 sind um 180° gedreht auf dem Nocken 1 angeordnet. Dadurch werden pro Umdrehung der Nockenwelle 2 jeweils zweimal die nicht gezeigten Gaswechselventile betätigt. Falls zusätzlich eine Einspritzpumpe von Nocken 1 der Nockenwelle 2 angetrieben wird, erfolgt deren Betätigung ebenfalls zweimal je Umdrehung der Nockenwelle. Ein Vorteil von zwei Nockenerhebungen 3 auf einem Nocken 1 besteht darin, dass keinerlei Kräfte und Momente durch außermittige Massenverteilung im Nocken entstehen. Das bewirkt einen ruhigeren Lauf der Nockenwelle 2 und ist somit der Geräuschverringerung zuträglich. In Fig. 1, a cam 1 of a camshaft 2 with two cam lobes 3 is shown in cross section. The two cam lobes 3 are arranged rotated by 180 ° on the cam 1 . As a result, the gas exchange valves, not shown, are operated twice per revolution of the camshaft 2 . If, in addition, an injection pump is driven by cams 1 of the camshaft 2 , their actuation also takes place twice per revolution of the camshaft. An advantage of two cam lobes 3 on a cam 1 is that no forces and moments arise due to eccentric mass distribution in the cam. This causes a quieter running of the camshaft 2 and thus the noise reduction is beneficial.

Fig. 2 zeigt ein zweistufiges Getriebe 4 zum Antrieb einer Nockenwelle 2 von einer Kurbelwelle 5 aus. Die Kurbelwelle 5 ist in einem nicht gezeigten Kurbelgehäuse gelagert und trägt an ihrem vorderen Ende ein erstes Zahnrad 6. Das erste Zahnrad 6 treibt ein zweites Zahnrad 7 an, das die vierfache Zähnezahl des ersten Zahnrades aufweist und daher sich mit einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl dreht. Am zweiten Zahnrad 7 ist verdrehfest ein erstes Kettenrad 8 befestigt. Die Lagerung des zweiten Zahnrades 7 und des ersten Kettenrades 8 erfolgt zum Beispiel im nicht gezeigten Kurbelgehäuse. Vom ersten Kettenrad 8 führt eine Kette 9 zum zweiten Kettenrad 10, das die gleiche Zähnezahl wie das erste Kettenrad hat und verdrehfest auf der Nockenwelle 2 befestigt ist. Auf der Nockenwelle 2 sind die Nocken 1 mit zwei Nockenerhebungen 3 angeordnet. Durch diese zweistufige Übersetzung dreht sich die Nockenwelle 2 mit einem Viertel der Drehzahl der Kurbelwelle 5. Durch die zweifachen Nockenerhebungen 3 ist jedoch ein Viertaktbrennverfahren möglich, das sich zyklisch nach zwei Umdrehungen der Kurbelwelle wiederholt. FIG. 2 shows a two-stage transmission 4 for driving a camshaft 2 from a crankshaft 5 . The crankshaft 5 is mounted in a crankcase, not shown, and carries at its front end a first gear. 6 The first gear 6 drives a second gear 7 , which has four times the number of teeth of the first gear and therefore rotates at a quarter of the crankshaft speed. On the second gear 7 is rotationally fixed a first sprocket 8 . The bearing of the second gear 7 and the first sprocket 8 takes place, for example, in the crankcase, not shown. From the first sprocket 8 , a chain 9 leads to the second sprocket 10 , which has the same number of teeth as the first sprocket and is rotationally fixed on the camshaft 2 . On the camshaft 2 , the cam 1 with two cam lobes 3 are arranged. By this two-stage ratio, the camshaft 2 rotates at a quarter of the rotational speed of the crankshaft. 5 Due to the double cam lobes 3 , however, a four-stroke combustion method is possible, which repeats cyclically after two revolutions of the crankshaft.

Die Übersetzung ins Langsame (1 : 4) in der ersten Getriebestufe mit den Zahnrädern 6, 7 ermöglicht eine 1 : 1-Übersetzung in der zweiten Getriebestufe, wodurch sich die Kette 9 der zweiten Getriebestufe mit einer Geschwindigkeit bewegt, die nur die Hälfte der Geschwindigkeit beträgt, die bei einem üblichen Kettentrieb zur Nockenwelle herrscht. Dies und die um die Hälfte niedrigere Drehzahl der Nockenwelle 2 verringern die Reibung im Antrieb der Ventilsteuerung der Brennkraftmaschine wesentlich. Da die Kette 9 langsamer läuft, braucht sie aufgrund geringerer Schwingungen nicht so stark gedämpft bzw. geführt werden, was die Reibung im Kettentrieb noch zusätzlich verringert. Gleichzeitig ist eine langsame Kette 9 leiser als eine schnelle Kette. The low gear ratio (1: 4) in the first gear stage with the gears 6 , 7 enables a 1: 1 gear ratio in the second gear stage, whereby the second gear stage chain 9 moves at a speed that is only half the speed is that prevails in a conventional chain drive to the camshaft. This and the lower half speed of the camshaft 2 reduce the friction in the drive of the valve control of the internal combustion engine substantially. Since the chain 9 runs slower, it does not need to be so much attenuated or guided due to lower vibrations, which additionally reduces the friction in the chain drive. At the same time, a slow chain 9 is quieter than a fast chain.

Das Kettenrad 10 an der Nockenwelle 2 ist aufgrund der 1 : 1- Übersetzung der zweiten Getriebestufe mit einer sehr geringen Zähnezahl ausgeführt, und daher im Durchmesser sehr klein. Die Zähnezahl richtet sich nur nach der Mindestzähnezahl bei Kettenrädern und nach dem Mindestdurchmesser, der an der Nockenwelle 2 zur Befestigung des Kettenrades 10 notwendig ist. Durch den kleinen Raddurchmesser des Kettenrades 10 ist es möglich, eine nicht gezeigte Haube oder Abdeckung über dem Kettenrad und der Nockenwelle 2 niedrig und flach zu gestalten, wodurch sich der Umriss der Brennkraftmaschine an einer exponierten Stelle, die zum Beispiel die Kontur einer Fahrzeugmotorhaube mitbestimmt, wesentlich verkleinert. The sprocket 10 on the camshaft 2 is designed with a very small number of teeth due to the 1: 1 ratio of the second gear stage, and therefore very small in diameter. The number of teeth depends only on the minimum number of teeth for sprockets and for the minimum diameter, which is necessary on the camshaft 2 for fixing the sprocket 10 . Due to the small wheel diameter of the sprocket 10 , it is possible to make a hood or cover, not shown, low and flat over the sprocket and the camshaft 2 , whereby the outline of the internal combustion engine at an exposed point, which, for example, the contour of a vehicle engine bonnet, significantly reduced.

Das Zahnrad 7 und das Kettenrad 8 sind auf einer gemeinsamen Welle 11 im nicht gezeigten Kurbelgehäuse gelagert. Die Welle 11 treibt zusätzlich noch ein Nebenaggregat 12 an, wie zum Beispiel einen Kältemittelverdichter oder eine Lenkhelfpumpe. Aufgrund der niedrigen Drehzahl der Welle 11 (1/4 der Drehzahl der Kurbelwelle 5) ist ein direkter Antrieb des o. g. Nebenaggregates 12 möglich, d. h. ohne weitere Übersetzung. Durch Antreiben des Nebenaggregates 12, z. B. eine gekoppelte Anordnung von Kältemittelverdichter und Lenkhelfpumpe, von der Welle 11 aus ist ein einfacherer Riementrieb möglich, bzw. der Riementrieb kann gänzlich entfallen, wenn eine Wasserpumpe elektrisch angetrieben und ein Generator direkt von der Kurbelwelle 5 angetrieben wird. Dadurch wird die Baulänge der Brennkraftmaschine verkürzt. Für diese Anordnung der Welle 11 mit einem Nebenaggregat 12 ist eine seitliche Lage der Welle im Kurbelgehäuse von Vorteil. The gear 7 and the sprocket 8 are mounted on a common shaft 11 in the crankcase, not shown. The shaft 11 additionally drives an auxiliary unit 12 , such as a refrigerant compressor or a power steering pump. Due to the low speed of the shaft 11 (1/4 of the speed of the crankshaft 5 ), a direct drive of the above-mentioned auxiliary unit 12 is possible, ie without further translation. By driving the auxiliary unit 12 , z. B. a coupled arrangement of refrigerant compressor and power steering pump, from the shaft 11 from a simpler belt drive is possible, or the belt drive can be omitted entirely when a water pump is electrically driven and a generator is driven directly from the crankshaft 5 . As a result, the overall length of the internal combustion engine is shortened. For this arrangement of the shaft 11 with an auxiliary unit 12 , a lateral position of the shaft in the crankcase is advantageous.

Claims

1. internal combustion engine for a four-stroke combustion with a crankshaft driven camshaft with cam, characterized in that on the cam ( 1 ) a number Z cam lobes ( 3 ) are evenly distributed over the circumference of the cam and that the crankshaft ( 5 ) with a 2.Z-fold speed of the camshaft ( 2 ) rotates, where Z is integer and at least 2.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that on the cam ( 1 ) two cam lobes ( 3 ) are distributed uniformly over the circumference of the cam and that the crankshaft ( 5 ) rotates at a four times the speed of the camshaft ( 2 ).

3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that between the crankshaft ( 5 ) and the camshaft ( 2 ) an at least two-stage gear ( 4 ) is arranged.

4. Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that in a first stage of the transmission ( 4 ) a ratio with a gear ratio i ₁ of about 1 / 2.Z and in a second stage, a gear ratio with a ratio i ₂ of about 1 carried out is such that the total ratio i _g = i ₁ .i ₂ gives exactly 1 / 2.Z.

5. Internal combustion engine according to claim 3 or 4, characterized in that in the transmission ( 4 ) an auxiliary equipment ( 12 ) driving intermediate member is arranged.

6. Internal combustion engine according to one of claims 3 to 5, characterized in that a step of the transmission ( 4 ) is a belt transmission.