DE10239224B4

DE10239224B4 - Ventiltrieb für Doppelnockenwellenmotor mit drei Ventilen

Info

Publication number: DE10239224B4
Application number: DE10239224A
Authority: DE
Inventors: Alan W. Romeo Hayman; James J. Dryden Mazzola III
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: MXPA02007144A; DE10239224A1; US6505592B1

Abstract

Verbrennungsmotor (10) mit einer Zylinderreihe (14), die eine Längsebene (22) definiert, mit einem Zylinder (16) mit einer Achse in der Längsebene (22) und einer Brennkammer (20) mit veränderlichem Volumen an einem geschlossenen Ende des Zylinders (16), hängenden Einlaß- und Auslaßventilen (40, 48), die betätigt werden können, um einen Fluidstrom durch das geschlossene Ende des Zylinders (16) zu regulieren, einer Auslaßnockenwelle (66) und einer Einlaßnockenwelle (64), die in Längsrichtung parallel auf einer Seite der Längsebene (22) auf einer Einlaßseite des Zylinders (16) verlaufen, wobei der Motor (10) aufweist:
zwei Einlaßventile (40), die auf der Einlaßseite des Zylinders (16) in Längsrichtung ausgerichtet sind und mit der Einlaßnockenwelle (64) für eine gleichzeitige Betätigung der Einlaßventile (40) auf parallelen Achsen (46) in Wirkverbindung stehen; und
ein einziges Auslaßventil (48) auf einer Auslaßseite des Zylinders (16), die der Einlaßseite gegenüberliegt, wobei das Auslaßventil (48) mit der Auslaßnockenwelle (66) für eine separate Betätigung des...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Motorbrennkammer- und Ventiltriebanordnungen und insbesondere auf eine Ventiltriebanordnung für einen Doppelnockenwellenmotor mit drei Ventilen.
In der Motortechnik werden bekanntlich Motorbrennkammern mit einem oder mehr Einlaßventilen und einem oder mehr Auslaßventilen versehen, wobei jede Anordnung verschiedene Vorteile und Nachteile aufweist. Doppelventilanordnungen werden im Allgemeinen für Motoren vorgesehen, bei denen Einfachheit oder Wirtschaftlichkeit der Herstellung bevorzugt werden. Anordnungen mit drei oder vier Ventilen werden oft vorgesehen, wo die Absicht ist, für den Motorzylinderhubraum gleicher Größe eine höhere Ausgangsleistung in Pferdestärken bereitzustellen. Vierventilmotoren sind gewöhnlich mit zwei obenliegenden Nockenwellen versehen.

Das am 1. Oktober 1996 an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung erteilte US-Patent 5,560,329 sieht eine Zweiventilbrennkammeranordnung in einem V-Motor mit zwei Nockenwellen im Block vor, von denen eine die Einlaßventile des Motors betätigt und von denen die andere die Auslaßventile betätigt. Beide Nockenwellen werden durch die Motorkurbelwelle angetrieben. Eine Vorrichtung zur Nockenphaseneinstellung ist vorgesehen, um den Phasenwinkel einer der Nockenwellen bezüglich der anderen Nockenwelle und der Kurbelwelle zu variieren. Diese Anordnung erlaubt eine variable Ventilsteuerung der Einlaß- oder Auslaßventile, um eine verbesserte Motorleistung bei sich ändernden Drehzahlen und Lasten zu liefern. Ein mittels Stößelstangen betätigter Ventiltrieb ermöglicht eine Nockenphaseneinstellung mit einer einzigen Nockenphaseneinstellvorrichtung, die auf eine der Nockenwellen wirkt, im Gegensatz zu mehreren Nockenphaseneinstellvorrichtungen, die erforderlich sind, um den gleichen Zweck in einem Motor mit zwei obenliegenden Nockenwellen mit mehreren Zylinderreihen zu erreichen.

Die DE 198 43 588 A1 und die US 4 425 881 A beschreiben jeweils einen Verbrennungsmotor mit zwei in V-Form angeordneten Zylinderbänken.

In der DE 28 38 681 A1 wird eine Ottobrennkraftmaschine beschrieben, die ein Teillast- und ein Haupteinlassventil sowie ein Auslassventil aufweist.

In der GB 1 32 2 429 wird ein Verbrennungsmotor mit einer Nockenwelle mit drei Ventilen pro Zylinder beschrieben, wobei zwei Einlassventile und ein Auslassventil jeweils parallel zur Achse eines Zylinders ausgerichtet sind.

Aus der EP 0 845 583 A ist eine Ventilstruktur bekannt, bei der ein Einlass- und ein Auslassventil V-förmig angeordnet sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor mit einer Zylinderreihe bereitzustellen, bei dem die Ausgangsleistung sowie der Schadstoffausstoß und Kraftstoffverbrauch verbessert sind.

Die Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung liefert einen Ventiltrieb, der dem im vorher erwähnten Patent ziemlich ähnlich ist, kombiniert mit einer Brennkammeranordnung mit drei Ventilen. Die Brennkammer weist auf einer Einlaßseite eines Zylinders ein Paar nebeneinander liegende Einlaßventile und auf einer gegenüberliegenden Auslaßseite der Brennkammer oder des Zylinders ein einziges Auslaßventil auf. Die Doppelnockenwellenanordnung in einem V- oder Mehrreihenmotor liefert die gleichen Vorteile, die die Anordnung im oben angegebenen Patent liefert. Die Verwendung zweier Einlaßventile mit einem einzigen Auslaßventil liefert jedoch einen stark verbesserten Luftstrom im Einlaßkanal für eine verbesserte spezifische Ausgangsleistung im Vergleich zu einem Motor mit einem einzigen Einlaßventil, während die Beibehaltung eines einzigen Auslaßventils eine bessere Leistung eines katalytischen Wandlers aufgrund eines niedrigeren Abgaswärmeverlusts als in Vierventilmotoren mit der gleichen Ausgangsleistung liefert. Die Verwendung eines einzigen Auslaßventils sorgt auch für eine bessere Anordnung einer Einspritzvorrichtung zur Direkteinspritzung mit einem verbesserten Zielen der Einspritzvorrichtung gegenüber anderen obengesteuerten und Vierventilmotorkonstruktionen für einen verbesserten Schadstoffausstoß und Kraftstoffverbrauch.

Der vereinfachte Ventiltrieb schafft auch die Fähigkeit einer hydraulischen Spieleinstellung für jedes Ventil in der Anordnung, und der Doppelnockenwellenantrieb liefert den Vorteil einer Nockenphaseneinstellung für eine oder beide Nockenwellen mit jeweils einer oder zwei Nockenphaseneinstellvorrichtungen. Das einzelne Auslaßventil kann in herkömmlicher Weise durch eine Stößelstange an einer Seite des Zylinders betätigt werden, was eine koplanare Anordnung des Auslaßventils und der Stößelstange mit einem in der gleichen Ebene wirkenden Kipphebel und des Ventilkopfes ermöglicht, der mit der den Ventilsitz umgebenden Oberfläche der Brennkammer bündig abschließend angeordnet ist.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden.

1 ist eine fragmentarische Querschnittansicht, die einen Teil eines V-Motors mit einem Ventiltrieb gemäß der Erfindung zeigt;

2 ist eine Unteransicht der Brennkammer eines Zylinders des Motors, betrachtet von der Unterseite des Zylinderkopfes aus;

3 ist eine 2 ähnliche Ansicht, die aber eine alternative Ausführungsform zeigt, in der der Auslaßventiltrieb mit der quer liegenden Mittellinie oder Querebene des Zylinders koplanar ist.

Nach 1 der Zeichnungen, auf die zunächst ausführlich Bezug genommen wird, gibt Ziffer 10 einen V-Verbrennungsmotor mit einem Zylinderblock 12 an, der ein Paar Zylinderreihen 14 definiert, von denen nur eine dargestellt ist. Jede Zylinderreihe 14 enthält normalerweise mehrere, in Längsrichtung beabstandete Zylinder 16, wobei jeder Zylinder einen mit einer Kurbelwelle verbundenen hin- und hergehenden Kolben trägt, von denen keiner dargestellt ist.
Jede Zylinderreihe trägt einen Zylinderkopf 18, der eine Brennkammer 20 definiert, die die Enden der Zylinder 16 schließt. In 2 ist eine Ansicht der einzelnen veranschaulichten Brennkammer 20 von unten dargestellt. Jede Zylinderreihe definiert eine Längsebene 22, die durch die ausgerichteten Mittelachsen der Zylinder dieser Reihe verläuft. Jeder Zylinder definiert auch eine Querebene 24, die die Längsebene bei der Mittelachse jedes der Zylinder schneidet.
Jeder Zylinderkopf definiert ein Paar in Längsrichtung beabstandete Einlaßkanäle 26 für jeden Zylinder, wobei die Kanäle einen zugeordneten Ansaugkrümmer 28 mit Ventilsitzen 30 verbinden, die der Innenfläche 32 der Brennkammer 20 benachbart ausgebildet sind. Die Zylinderköpfe definieren ferner einzelne Auslaßkanäle 34 für jeden Zylinder, die Auslaßventilsitze 36 mit außen montierten Abgaskrümmern 38 verbinden.
Die Einlaßkanäle 26 werden durch Doppeleinlaßventile 40 mit Köpfen 42 gesteuert, die auf den Ventilsitzen 30 aufsitzen können und in Längsrichtung auf gegenüberliegenden Seiten der Querebenen 24 ihres jeweiligen Zylinders vorzugsweise gleich beabstandet sind. Mit den Köpfen 42 verbundene Ventilschäfte 44 verlaufen vorzugsweise entlang parallelen Ventilachsen 46, die bezüglich der Zylinderachse gekippt sind, aber parallel zur Querebene 24 des Zylinders verlaufen.
Jeder Zylinder weist ähnlich ein einziges Auslaßventil 48 auf, das seinen jeweiligen Auslaßkanal 34 steuert und einen Auslassventilkopf (Ventilteller) 50, der auf seinem Ventilsitz 36 aufsitzen kann, und einen Ventilschaft 52 umfaßt, der sich auf einer gekippten Achse 54 (Auslassventilachse) erstreckt. Diese Auslaßventilachse 54 bildet einen zusammengesetzten Winkel in Bezug auf die untere Zylinderkopffläche 56 und liegt folglich in einer Ebene, die weder mit der Längs- noch der Querebene durch deren jeweiligen Zylinder parallel ist. Dies wird durch die Anordnung des Auslaßventils 48 auf der Außenseite des Zylinders und einen Längsversatz zu einer Seite der Querebene 24 bewirkt, während die Innenfläche des Auslaßventilkopfs 50 mit der benachbarten Oberfläche der Brennkammer im Wesentlichen bündig abschließend angeordnet ist.
Mit dieser Anordnung des Auslaßventils kann der dem Auslaßventil in Längsrichtung gegenüberliegende Raum zum Anbringen einer Zündkerze 60 und, falls gewünscht, einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 62 zur Direkteinspritzung genutzt werden. Optionale alternative Anordnungen für das Auslaßventil und die Zündkerzen werden später diskutiert.
Wieder bezugnehmend auf 1 werden die Einlaß- und Auslaßventile 40, 48 des Motors durch einen Ventiltrieb betätigt, der separate Einlaß- bzw. Auslaßnockenwellen 64, 66 enthält. Die Nockenwellen werden innerhalb des Motorblocks 12 drehbar getragen und verlaufen darin in Längsrichtung. Beide Nockenwellen werden durch ein Ketten- oder ein anderes herkömmliches Antriebsmittel von der nicht dargestellten Motorkurbelwelle angetrieben. Die Auslaßnockenwelle 66 ist wie veranschaulicht oberhalb der Einlaßnockenwelle 64 angeordnet, die beide auf einer zentralen Ebene 68 des Motorblocks 12 liegen. Nockenwellen sind innerhalb des "V" oder der Kehlung des Motors zwischen den Zylinderreihen 12 montiert.
Die Einlaßnockenwelle 64 enthält Einlaßnocken 70, welche Stößel 72 betätigen, die hin und her gehen können. Die Stößel treiben Stößelstangen 74 an, die jeweils mit einem einzelnen Kipphebel 76 mit zwei Ausgangsarmen 78 verbunden sind, die jeweils eine hydraulische Ventileinstellschraube 80 tragen. Falls gewünscht, könnten statt der hydraulischen mechanische Ventileinstellschrauben vorgesehen werden. Die Ventileinstellschrauben 80 sind so angeordnet, dass sie mit den Enden der Einlaßventilschäfte 44 in Eingriff stehen, um die Ventile zu öffnen, wenn der Kipphebel durch den Nockenstößel 72 und die Stößelstange 74 des jeweiligen Zylinders betätigt wird. Die einzelne Stößelstange 74 ist vorzugsweise mit dem Nockenstößel auf der Querebene 24 des Zylinders ausgerichtet, und die zwei Arme 76 und Ventileinstellschrauben 80 sind mit den Ventilschäften 44 in durch die jeweiligen Ventilachsen 46 verlaufenden Ebenen ausgerichtet. Herkömmliche Ventilfedern 82 sind vorgesehen, um die Ventile zu ihren aufgesetzten Stellungen zurückzuführen, wenn der Nockenstößel sich die Rückseite des Nockens 70 hinab bewegt.
Die Auslaßnockenwelle 66 ist ähnlich mit Auslaßnocken 84 versehen, welche Auslaßnockenstößel 86 betätigen. Die Stößel 86 betätigen Stößelstangen 88, welche wiederum Auslaßkipphebel 90 auf gekippten Achsen 92 drehen. Die Kipphebel 90 stehen mit den Schäften 52 der jeweiligen Auslaßventile 48 direkt in Eingriff, um die Ventile bei Betätigung durch die jeweiligen Auslaßnocken 70 zu öffnen. Ventilfedern 94 sorgen wieder für ein Schließen der Auslaßventile, wenn sich die Stößel 72 die schließende Seite der Auslaßnocken 70 hinab bewegen. Um das Spiel in den Ventiltrieben des einzelnen Auslaßventils für jeden Zylinder einzustellen, sind die Auslaßnockenstößel 86 mit nicht dargestellten inneren hydraulischen Ventileinstellschrauben versehen, welche in bekannter Weise arbei ten. Falls gewünscht, könnten Ventileinstellschrauben stattdessen auf den Kipphebeln montiert werden, und mechanische Einstellschrauben könnten nach Wunsch vorgesehen werden.
Im Betrieb des Motors werden die Steuerzeiten der Einlaß- und Auslaßventile separat durch die einzelnen Einlaß- und Auslaßnockenwellen gesteuert. Dementsprechend kann eine der oder können beide Nockenwellen mit Nockenphaseneinstellvorrichtungen versehen sein, welche betätigt werden können, um die Phasendrehung der jeweiligen Nockenwelle in Bezug auf die Kurbelwelle zu variieren. Auf diese Weise können die Einlaßnocken betreffend ihre Öffnungs- und Schließzeitsteuerung in Bezug auf die Auslaßnocken und umgekehrt variiert werden.
Die spezielle Dreiventilanordnung des Zylinders, die in 1 und 2 dargestellt ist, liefert mehrere spezifische Vorteile. Zum einen sind keine asymmetrischen Kipphebel erforderlich. Ferner ermöglicht die schräge Auslaßventilordnung mit zusammengesetzten Ventilwinkeln auf der Auslaßseite ein größeres Auslaßventil für eine gegebene Bohrungsgröße, als mit zwei Auslaßventilen möglich ist. Die Unterbringung des schrägen Ventils ermöglicht eine verbesserte Zündkerzenanordnung im dem Ventil in Längsrichtung gegenüberliegenden Raum auf der Außenseite (Auslaßseite) des Zylinders. Die Anordnung ermöglicht auch eine vertikale oder nahezu vertikale Orientierung des Kraftstoffeinspritzers für Systeme zu direkten Kraftstoffeinspritzung. Außerdem sorgt die das Auslaßventil umgebende Wassermantelgeometrie für einen optimalen Kühlmittelstrom um den Ventilsitz.
Im Fall eines nockenphasen-gesteuerten Dreiventilmotors ermöglicht die offenbarte obengesteuerte Konfiguration mit einem einzigen Auslaßventil ein Ventilereignis mit viel längerer Dauer als in einer nicht phasengesteuerten Konfiguration. Dieses längere Ereignis gestattet einen Betrieb mit geringerem Ventilhub für ein gegebenes Niveau der Auslaßkanalleistung, was die Ventiltriebbeanspruchung reduziert und eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit des Ventilbetriebs berücksichtigt, was die spezifische Leistungsabgabe erhöhen kann. Außerdem vereinfacht die Dreiventilanordnung den Ventiltrieb für den Motor außerordentlich, und das versetzte Auslaßventil gestattet die Anordnung der Auslaßstößelstange und Ventilschaftachsen in einer gemeinsamen Ebene, in der der Kipphebel 90 auf einer zur Ebene des Auslaßventils und der Stößelstange senkrechten Achse dreht. Man beachte jedoch, dass der Auslaßnockenstößel 86 eine Achse hat, die senkrecht zur Auslaßnockenwelle 66 liegt. Dementsprechend ist der Rollenstößel 86 in Bezug auf die Ebene des Auslaßventils gedreht, so das er auf einer Achse dreht, die zu derjenigen der Auslaßnockenwelle parallel ist. Folglich wird eine koplanare Anordnung der Auslaßventilachse 54, der Auslaßstößelstange 88 und des Auslaßkipphebels 90 beibehalten, ohne den Auslaßnockenstößel in Bezug auf die Nockenwelle kippen zu müssen. Um dies zu erreichen, ist der Nockenstößel 86 auf einer Seite des Zylinders angeordnet, und die Stößelstange 88 erstreckt sich in Längsrichtung außerhalb der Stößelstangen der beiden Einlaßventile.
In 3 ist nun eine von zahlreichen möglichen alternativen Anordnungen für einen Dreiventilmotor mit einem Ventiltrieb dargestellt. In 3, worin gleiche Ziffern gleiche Teile angeben, ist die Lage der Einlaßventile 40 beibehalten, aber die Lage des Auslaßventils 48 ist so verändert, dass das Ventil auf der Querebene 24 des Zylinders zentriert ist, wobei die Auslaßventilachse 54 in der Ebene 24 liegt. Obgleich solch eine Anordnung praktikabel ist, kann sie eine gewisse Modifizierung des Ventiltriebs selbst erfordern. Zum Beispiel könnten separate Nockenstößel für die Einlaßventile verwendet werden, so dass ein zentrierter Nockenauslaßstößel 86, eine Stößelstange 88, ein Kipphebel 90 und die Auslaßventilachse 54 alle in der Querebene 24 durch die Achse des Zylinders liegen. Andere Anordnungen zum Betätigen der Ventile könnten ebenfalls vorgesehen werden. Mit einer solchen Anordnung wäre es möglich, zwei Zündkerzen vorzusehen, eine auf jeder Seite des Auslaßventils, wie dargestellt ist. Es könnte jedoch erforderlich sein, auf einen herkömmlicheren seitlichen Eintrittspunkt für den Direktkraftstoffeinspritzer auszuweichen. Trotzdem sind die Vorteile des größeren Auslaßventils und der im Wesentlichen bündigen Lage des Ventilkopfs im Zylinder Vorteile, die in der modifizierten Dreiventilanordnung mit ihren damit verbundenen Nutzen bestehen blieben. Natürlich wäre es alternativ dazu möglich, nach Wunsch den Motor je nach der Anordnung der Brennkammer auf der Kolbenseite des Zylinders mit einer einzigen Zündkerze zu betreiben.
Obgleich die Erfindung durch Verweis auf bestimmte bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, soll es sich verstehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Geistes und Umfangs der beschriebenen Erfindungskonzepte vorgenommen werden könnten. Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den durch die Sprache der folgenden Ansprüche zugelassenen vollen Umfang haben.

Claims

Verbrennungsmotor (10) mit einer Zylinderreihe (14), die eine Längsebene (22) definiert, mit einem Zylinder (16) mit einer Achse in der Längsebene (22) und einer Brennkammer (20) mit veränderlichem Volumen an einem geschlossenen Ende des Zylinders (16), hängenden Einlaß- und Auslaßventilen (40, 48), die betätigt werden können, um einen Fluidstrom durch das geschlossene Ende des Zylinders (16) zu regulieren, einer Auslaßnockenwelle (66) und einer Einlaßnockenwelle (64), die in Längsrichtung parallel auf einer Seite der Längsebene (22) auf einer Einlaßseite des Zylinders (16) verlaufen, wobei der Motor (10) aufweist: zwei Einlaßventile (40), die auf der Einlaßseite des Zylinders (16) in Längsrichtung ausgerichtet sind und mit der Einlaßnockenwelle (64) für eine gleichzeitige Betätigung der Einlaßventile (40) auf parallelen Achsen (46) in Wirkverbindung stehen; und ein einziges Auslaßventil (48) auf einer Auslaßseite des Zylinders (16), die der Einlaßseite gegenüberliegt, wobei das Auslaßventil (48) mit der Auslaßnockenwelle (66) für eine separate Betätigung des Auslaßventils (48) auf einer Auslaßventilachse (54) in Wirkverbindung steht, die nach unten und in Richtung der Längsebene (22) gekippt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, worin das Auslaßventil (48) einen auf dem geschlossenen Ende des Zylinders (16) aufsetzbaren Ventilkopf (Ventilteller) (50) enthält, wobei die Achse (54) bezüglich der Zylinderachse gekippt ist, so dass der Ventilkopf (50), wenn er aufsitzt, mit der den Ventilkopf (50) umgebenden Oberfläche der Brennkammer (20) im Wesentlichen bündig ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, worin das Auslaßventil (48) in der Brennkammer (20) zu einer Seite einer Zylinderquerebene (24) durch die Zylinderachse versetzt ist und die Achse (54) des Auslaßventils (48) in einem zusammengesetzten Winkel in Bezug auf die Zylinderachse gekippt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, worin die beiden Einlaßventile (40) durch einen Einlaßkipphebel (76) geöffnet werden, der durch eine einzige Einlaßstößelstange (74) von einem einzigen Nocken (70) der Einlaßnockenwelle (64) betätigt wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, worin der Einlaßkipphebel (76) auf einer mit der Einlaßnockenwelle (64) parallelen Achse drehbar ist und die Einlaßstößelstange (74) in einer zur Einlaßnockenwelle (64) senkrechten Ebene liegt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, worin die Einlaßventile (40) auf gegenüberliegenden Seiten einer die Einlaßstößelstange (74) enthaltenden Zylinderquerebene (24) durch die Zylinderachse in Längsrichtung gleich beabstandet sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, worin der Einlaßkipphebel (76) zwei Ventileinstellschrauben (80) zum separaten Einstellen des Spiels der beiden Einlaßventile (40) trägt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, worin das Auslaßventil (48) durch einen Auslaßkipphebel (90) geöffnet wird, der durch eine Auslaßstößelstange (88) betätigt wird, wobei der Auslaßkipphebel (90) in einer zweiten Ebene drehbar ist, die durch die Auslaßstößelstange (88) und die Auslaßventilachse gebildet wird, wobei die Auslaßstößelstange (88) zur Achse der Auslaßnockenwelle (66) im Wesentlichen senkrecht ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, mit einem Nockenstößel (86), der zwischen die Stößelstange (88) und einen Auslaßnocken (70) auf der Auslaßnockenwelle (66) gekoppelt ist, und einer Ventileinstellschraube im Nockenstößel (86) zum Einstellen des Spiels des Auslaßventils (48).