DE4235103A1 - Nockenwellen-ventilsteuerung fuer eine brennkraftmaschine mit zwei zylinderreihen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellen-Ventilsteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere an moderne, für den Einbau in Kraftfahrzeuge bestimmte Brennkraftmaschinen werden besondere Anforderungen hinsichtlich einer kompakten Bauweise gestellt. Hier haben sich Brennkraftma­ schinen mit in zwei Reihen angeordneten Zylindern bewährt, wobei insbesondere die Bauweise als V-Maschine günstig ist, bei der in Längsrichtung Zylinder beiden Zylinderreihen abwechselnd aufeinan­ derfolgen, und zwar so, daß die Zylinder der beiden Zylinderreihen sich auch in ihren zylinderkopfseitigen Endbereichen in Querrich­ tung etwas überdeckt.

Die so gewonnene Verringerung der Abmessungen der Brennkraftmaschi­ ne insbesondere in Längsrichtung stellt verständlicherweise beson­ dere Anforderungen an die Ventilsteuerungen, und zwar insbesondere dann, wenn im Zuge der modernen Technik jedem Zylinder mehr als ein Einlaß- und/oder Auslaßventil zugeordnet ist.

Bei der gattungbildenden Nockenwellen-Ventilsteuerung nach der DE-BS 32 43 013, F01L 1/26, wird dieses Problem dadurch gelöst, daß oberhalb der beiden Ventilreihen jeweils eine Nockenwelle angeord­ net ist, von denen eine allen Einlaßventilen und die andere allen Auslaßventilen der beiden Zylinderreihen in der Weise zugeordnet ist, daß die Achsen der Einlaß- und der Auslaßventile die Achse der jeweils zugeordneten Nockenwelle schneiden. Die Ventilbetätigung erfolgt von den Nockenwellen her direkt über Tassenstößel.

Diese bekannte Ventilsteuerung bietet den Vorteil, daß die Steuer­ zeiten der Einlaß- und der Auslaßventile in einfacher Weise durch Verdrehen der zugeordneten Nockenwelle verändert werden können. Nachteilig ist jedoch, daß die Winkel, unter denen die Ventile in die zugehörigen Brennräume einmünden, sehr unterschiedlich sind, und zwar sowohl hinsichtlich der Einmündungswinkel der Ein- und Auslaßventile jedes Zylinders als auch der Ventile, die unter­ schiedlichen Zylinderreihen zugeordnet sind. Zwecks schmaler Bau­ weise sind bei dem gattungbildenden Stand der Technik die Auslaß­ ventile einer Zylinderreihe und die Einlaßventile der anderen Zylinderreihe senkrecht zu der Trennebene zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf angeordnet. Dies bedingt als Brennraumbegrenzung neben diesen Ventilen in derselben Richtung, also bei üblicher Bauweise vertikal, verlaufende Brennraumwände im Zylinderkopf. Diese geometrischen Verhältnisse führen zu einer Reihe von Schwierigkeiten: Bei Anordnung der Zündmittel (Zündkerzen) etwa über der Brennraummitte, umgeben von den dem betreffenden Brennraum zugeordneten Ventilen, entsteht ein Brennraum, dessen Volumen­ schwerpunkt außen liegt, wodurch die Brennwege nicht optimal kurz gehalten werden können. Die dadurch hervorgerufene Verlängerung der Verbrennung kann zu Wirkungsgradnachteilen führen. Die Frischgas­ einströmung durch Einlaßventile, deren Achsen, wie beschrieben, senkrecht zu der Trennebene zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf verlaufen, wird durch die ebenfalls bereits angesprochene vertikale Brennraumwand behindert, wodurch sich für die betreffende Zylinder­ reihe ein verminderter Frischgasliefergrad ergibt. Bei gleicher Kraftstoffzumessung zu den Brennräumen der beiden Zylinderreihen ergibt sich in diesen demgemäß ein unterschiedliches Kraftstoff- Luft-Verhältnis, so daß, wenn man nicht einen nachteiligen Kom­ promiß trifft, nur die Zylinder einer Zylinderreihe emissions- oder verbrauchsoptimal betrieben werden können.

Der bei dem zitierten Stand der Technik vorgesehene direkte Tassen­ stößelantrieb der Ventile läßt den Einsatz reibungsmindernder Rol­ len nur dann zu, wenn man eine Vergrößerung der Bauhöhe der Brenn­ kraftmaschine in Kauf nimmt.

Die erwähnten Schwierigkeiten hinsichtlich Brennraumform und Liefergrad vermeidet die ebenfalls für eine Reihen-V-Maschine vor­ gesehene Ventilsteuerung nach der DE-PS 29 43 757, F01L 1/44, jedoch infolge Verwendung einer allen Ventilen der Maschine gemein­ samen einzigen Nockenwelle unter Inkaufnahme des Verzichts auf die Möglichkeit einer Verstellung der Ventilsteuerzeiten der Ein- und Auslaßventile durch einfache Nockenwellen-Relativverdrehung.

Auch die Ventilsteuerung nach der DE-OS 38 31 333, F01L 1/04, die ebenfalls für eine Reihen-V-Maschine konzipiert ist, vermeidet die skizzierten Schwierigkeiten hinsichtlich Brennraumform und Fül­ lungsgrad, jedoch unter Einsatz einer dritten Nockenwelle, wobei eine der Nockenwellen allen Einlaßventilen der Maschine und jeweils eine der beiden weiteren, außen liegenden Nockenwellen den Auslaß­ ventilen jeweils einer Zylinderreihe zugeordnet ist. Hier wird also ein erheblicher Mehraufwand an teuren, sich im Betrieb bewegenden Teilen in Kauf genommen, und zur Änderung der Ventilsteuerzeiten der Auslaßventile beider Zylinderreihen müssen übereinstimmende Winkelverstellungen von zwei Nockenwellen vorgenommen werden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Nockenwellen-Ventilsteuerung zu schaffen, die unter Wahrung ihrer grundlegenden Vorteile hinsichtlich Brennraumform und Gleich­ mäßigkeit der Belieferung aller Zylinder optimiert ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Die Erfindung behält also das Prinzip des gattungbildenden Standes der Technik, nämlich die Verwendung jeweils einer Einlaß- und Aus­ laßnockenwelle für alle Ventile der Maschine, bei und ordnet schlagwortartig die beiden Nockenwellen jeweils so zwischen den Ventilen der jeweils einer Zylinderreihe zugeordneten Ventilreihen an, daß sich im Querschnitt dachförmige obere Begrenzungen der Brennräume ohne den Gaswechsel behindernde Brennraumwände ergeben.

Bezüglich einzelner in den Unteransprüchen angegebener Merkmale sei erwähnt, daß mit Rollen bestückte Kipphebel aus der DE-OS 39 29 486, F01L 1/18, mit Ventilspielausgleichsvorrichtungen bestückte Betätigungshebel aus der DE-OS 37 08 676, F01L 1/18, in Kipphebelachsen angeordnete Ölbohrungen aus der EP 00 23 250 A1, F01L 1/18, sowie nur jeweils zwei Kipphebeln zugeordnete Schwenk­ achsen aus der DE-OS 40 31 462, F01L 1/26, an sich bekannt sind.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 und 3 Querschnitte durch die hier interessierenden Bereiche einer Reihen-V-Brennkraftmaschi­ ne wiedergeben, während Fig. 2 eine Draufsicht auf die Maschine nach Fig. 1 im Bereich eines der Zylinder zeigt.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so sind der Zylinderkopf 1 und der Zylinderblock 2 längs der Trennebene 3 in üblicher Weise unter Zwischenlage von Dichtungen zusammengesetzt. Senkrecht zur Zeichen­ ebene erstrecken sich in Längsrichtung der Maschine zwei Zylinder­ reihen, von deren Zylindern jeweils nur einer zu sehen ist; diese beiden Zylinder sind mit 4 und 5 bezeichnet. Wie bei einer Reihen- V-Maschine üblich, verlaufen die Achsen 6 und 7 der Zylinder der beiden Reihen gegen die senkrechte Mittelebene 8 der Maschine spiegelbildlich geneigt; die Zylinder 4 und 5 der beiden Reihen sind in Längsrichtung der Maschine, d. h. senkrecht zur Zeichen­ ebene, gegeneinander versetzt und stehen auf Lücke, d. h. sie überlappen sich, wie im mittleren unteren Teil der Fig. 1 erkenn­ bar, in Querrichtung etwas. Diese Bauweise hat den Vorteil, beson­ ders kurz zu bauen, ohne daß eine übermäßige Breite der Maschine in Kauf genommen werden muß.

Jedem Zylinder der beiden Zylinderreihen sind in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile zugeordnet, von denen bezüglich des Zylinders 4 nur das Einlaßventil 9 und das Aus­ laßventil 10 erkennbar sind; die beiden anderen Ventile dieses Zylinders liegen ebenso wie die Ventile der weiteren Zylinder die­ ser Zylinderreihe in jeweils einer Ebene, die für die Ventile 9 und 10 durch die Achsen 11 und 12 der Ventile definiert ist. Ein- und Auslaßventil des Zylinders 5 der anderen Zylinderreihe sind nur durch ihre Achsen 13 und 14 angedeutet, die gegen die Senkrechte oder die Trennebene 3 dieselben Winkel einschließen wie die Ventile 9 und 10. Zum Antrieb der Einlaßventile beider Zylinderreihen, also der hier durch die Bezugszeichen 11 und 14 hervorgehobenen Ventile, dient die Einlaßnockenwelle 15, zum Antrieb der Auslaßventile aller Zylinder, hier charakterisiert durch die Bezugszeichen 10 und 13, ist die Auslaßnockenwelle 16 vorhanden. Wie unmittelbar aus der Figur folgt, ist jeweils eine der Nockenwellen 15 und 16 zwischen den Ebenen der Achsen 11 und 12 bzw. 13 und 14 der Ventilreihen der jeweils unter ihr liegenden Zylinderreihe angeordnet.

Betrachtet man nun die Achswinkel der Ventile, so sind sie so gewählt, daß die jeweils einer Ventilreihe zugehörigen Ventilachsen - man kann auch von Ventilebenen sprechen - sich auf der senkrech­ ten Ebene 17 bzw. 18 in einer senkrecht zur Zeichenebene längsver­ laufenden Linie 19 bzw. 20 schneiden. Diese Ebenen 17 und 18 verlaufen senkrecht zur Trennungsebene 3 durch die Schnittpunkte 21 und 22 der Zylinderachsen 17 bzw. 18 mit der Trennebene 3.

Durch diese winkelsymmetrische Anordnung der jeweils einer Zylin­ derreihe zugeordneten Ein- und Auslaßventile ergibt sich, wie be­ züglich des Zylinders 4 dargestellt, die vorteilhafte Möglichkeit, eine dachähnliche obere Begrenzung des Brennraums 23 zu schaffen, wobei in der gezeichneten Querebene die beiden Ventile 9 und 10 - das Entsprechende gilt verständlicherweise auch für die durch ihre Achsen 13 und 14 angedeuteten Ventile des Zylinders 5 - gleichsam die ebenen Seiten des Daches bilden. Irgendwelche den Ladungswechsel behindernden Brennraumwände sind vermieden. Auch ist es möglich, die Zündkerze 24 so anzuordnen, daß ihre Funkenstrecke oberhalb des definierten Punktes 21 liegt; das Entsprechende gilt verständlicherweise wiederum auch für die übrigen Zylinder bzw. die Plazierung der ihnen zugeordneten Zündkerzen. Mit anderen Worten: Durch die beschriebenen relativ einfachen, keine zusätzlichen Mittel erfordernden Maßnahmen ist sichergestellt, daß unter Beibehalt der Vorteile des gattungsbildenden Standes der Technik dessen Schwachpunkte vermieden sind.

Allen Ventilen sind in üblicher Weise Schließfedern zugeordnet, von denen nur die mit 25 und 26 bezeichneten erkennbar sind. Der An­ trieb aller Ventile erfolgt über in diesem Ausführungsbeispiel identische Schlepphebel, von denen jeweils einer jedem Ventil zuge­ ordnet ist und von denen nur die mit 27 und 28 bezeichneten erkenn­ bar sind. Diese sind im Zylinderkopf 1 um Lagerachsen 29 bzw. 30 schwenkbar gelagert, und zwar ist die Anordnung so getroffen, daß jeweils zwei bezüglich der Zeichenebene der Fig. 1 hintereinander liegenden Schlepphebeln eine Lagerachse gemeinsam ist. Dies bietet Vorteile hinsichtlich der Unterbringung der Bohrungen für die Zünd­ kerzen, von denen in Fig. 1 nur die der Zündkerze 24 zugeordnete Bohrung 24a dargestellt ist. Auch geben derartige "kurze" Schwenk­ achsen 29 und 30 Platz für die Einführung von Montage- und Bearbei­ tungswerkzeugen.

Die Lagerachsen 29 und 30 sind mit Ölbohrungen 31 und 32 zur Spei­ sung von hydraulischen Ventilspielausgleichselementen 33 und 34 versehen, die einen bekannten und daher nicht dargestellten Aufbau besitzen. In diesem Ausführungsbeispiel sind, wie gesagt, alle Schlepphebel identisch aufgebaut, wodurch sich eine Fertigungsver­ einfachung bzw. -verbilligung ergibt.

Die Schlepphebel sind in einem unterhalb der jeweiligen Nockenwelle 15 bzw. 16 befindlichen freien Raum untergebracht, so daß sie die Höhe der Maschine nicht vergrößern. Dies ermöglicht auch ohne Ver­ größerung der Bauhöhe die Bestückung der Schlepphebel mit Rollen 35 und 36 in denjenigen Bereichen, die mit der jeweiligen Nockenwelle 15 bzw. 16 zusammenwirken.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Konstruktion im Bereich des Zylinders 4 dargestellt. Außer den bereits erläuterten Ventilen 9 und 10 erkennt man jeweils ein weiteres Ein- und Auslaßventil 9′ bzw. 10′, deren Aufbau identisch mit dem beschriebenen Ventilaufbau ist. Ventil 9′ wird von der Einlaß-Nockenwelle 15 her in bereits anhand des Ventils 9 beschriebener Weise angetrieben, während das Ventil 10′ ebenso wie das Ventil 10 als Auslaßventil von der Nockenwelle 16 her betätigt wird.

Zur Unterbringung der Zündkerzenbohrung 24a besitzt die Nocken­ welle 15 die örtliche Durchmesserverringerung 37 in einem Bereich, der weder zum Tragen von Nocken noch zur Lagerung der Nockenwelle 15 dient. In Fig. 2 ist ferner angenommen, daß die Achsen 12 und 12′ der der Maschinenmitte zugekehrten Ventile 10 und 10′ etwas in Längsrichtung geneigt sind, um Freiraum für die Einführung von Be­ arbeitungs- oder Montagewerkzeugen zu schaffen. Entsprechende Durchtrittsbereiche für ein Werkzeug zur Bearbeitung der Ventil­ federauflage bzw. für Ventilteller und Ventilfeder bei der Montage sind mit 38 bezeichnet.

Die Konstruktion nach Fig. 3 ist ähnlich der bereits anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen: Wiederum definieren Zylinderkopf 50 und Zylinderblock 51 die eine Dichtung enthaltende Trennebene 52. Die beiden sichtbaren Zylinder 53 und 54 sind ebenso angeordnet wie die Zylinder 4 und 5 in Fig. 1, d. h. es liegt wiederum eine Reihen-V-Maschine vor. Die jeder Zylinderreihe zugeordneten Ventile - Einlaßventil 55 und Auslaßventil 56 bzw. Einlaßventil mit der Ventilachse 57 und Auslaßventil mit der Ventilachse 58 - sind in der anhand Fig. 1 beschriebenen Weise winkelsymmetrisch bezüglich der senkrechten Ebene 59 bzw. 60 angeordnet, die durch den Schnitt­ punkt 61 bzw. 62 der jeweiligen Zylinderachse 63 bzw. 64 mit der Trennebene 52 geht. Infolge Anordnung auch der Nockenwellen 65 und 66 auf jeweils einer dieser senkrechten Ebenen 59 und 60 liegen bei der beschriebenen winkelsymmetrischen Anordnung der Ventile gleiche Abstände zwischen jeder Nockenwelle einerseits und den sie ein­ schließenden Ventilachsen andererseits vor. Bei unterschiedlich langen Ventilschäften können sich dennoch unterschiedliche Ab­ standsverhältnisse ergeben, so daß den einzelnen Ventilen unter­ schiedlich konstruierte Schlepphebel 67, 68, 69 und 70 zugeordnet sind. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind diese verschie­ denen Schlepphebel nicht identisch; sie sind jedoch alle so aufge­ baut, daß sie gleiche Übersetzungen der Nockenhübe bewirkt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Schlepphebel mit reibungsmin­ dernden Rollen bestückt, wobei infolge Anordnung aller Schlepphebel im wesentlichen unterhalb der zugeordneten Nockenwellen 65 und 66 damit eine Vergrößerung der Bauhöhe der Maschine nicht verbunden ist.

In diesem Ausführungsbeispiel sind insgesamt zwei durchgehende Schwenkachsen 71 und 72 für alle Schwenkhebel vorgesehen, so daß man von einer einlaßseitigen und einer auslaßseitigen Schwenkachse sprechen kann.

Die Schwenkachsen 71 und 72 müssen verständlicherweise seitlich der Bohrungen 73 und 74 für die Zündkerzen 75 und 76 verlaufen.

Gemeinsam ist allen Ausführungsformen die Tatsache, daß einerseits zur Betätigung von beliebig vielen, je Zylinderreihe in zwei Reihen angeordneten Ein- und Auslaßventilen je eine gemeinsame Einlaß- und Auslaßnockenwelle vorhanden ist, so daß die Ventilsteuerzeiten ein- und auslaßseitig getrennt voneinander leicht variiert werden kön­ nen, und daß andererseits eine qualitäts- und quantitätsmäßig gleichmäßige Versorgung aller Zylinder der Maschine bei optimaler Brennraumform sichergestellt ist.

Claims (14)

1. Nockenwellen-Ventilsteuerung für eine mit Hubventilen zum Ladungswechsel ausgerüstete, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit in zwei längsverlaufenden Reihen angeordneten brennraumbil­ denden Zylindern und einem auf diese längs einer Trennebene aufgesetzten Zylinderkopf, wobei die Einlaß- und die Auslaßven­ tile jeder Zylinderreihe jeweils eine Ventilreihe bilden und in Querrichtung die beiden Einlaß- und die beiden Auslaßventilrei­ hen abwechselnd aufeinanderfolgen, mit jeweils einer allen Einlaß- und allen Auslaßventilen gemeinsamen Nockenwelle sowie mit etwa auf den Zylinderlängsachsen angeordneten zylinderindi­ viduellen Zündmitteln, insbesondere für eine Reihen-V-Maschine mit in Längsrichtung gegeneinander versetzten, sich in Querrich­ tung teilweise überdeckenden Zylindern der beiden Zylinderrei­ hen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung zumindest weit­ gehend gleicher Ventilwinkel die Ventilachsen (11, 12; 13, 14) aller Ventile (9, 10) der beiden jeweils einer Zylinderreihe zugeordneten beiden Ventilreihen mit einer auf der Trennebene (3) in den Durchstoßpunkten (21, 22) der Zylinderachsen (6; 7) der Zylinder (4, 5) der jeweiligen Zylinderreihe senkrechten Ebene (17, 18) Schnittpunkte (19, 20) haben, die auf jeweils einer längsverlaufenden Linie innerhalb jeder Zylinderreihe liegen, daß jeweils eine Nockenwelle (15, 16) in Querrichtung zwischen den Ventilachsen (11, 12; 13, 14) der Ventile (9, 10) der beiden Ventilreihen jeweils einer Zylinderreihe verläuft und zur Kraftübertragung zwischen den Nockenwellen (15, 16) und den Ventilen (9, 10) Schwenkhebel (27, 28) vorgesehen sind.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schwenklager (29, 30) für die Schwenkhebel (27, 28) zwischen der jeweiligen Nockenwelle (15, 16) und der Trennebene (3) angeord­ net sind.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkhebel rollenbestückte Schlepphebel (27, 28) sind.

4. Ventilsteuerung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch in die Schwenkhebel (27, 28) integrierte Ventilspielausgleichsele­ mente (33, 34).

5. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ventilachsen (11, 12; 13, 14) der Ventile (9, 10) der beiden jeweils einer Zylinderreihe zugeordneten Ven­ tilreihen in gleichen Abständen von der zwischen ihnen angeord­ neten Nockenwelle (15, 16) verlaufen.

6. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ventilachsen (11, 12; 13, 14) der Ventile (9, 10) der beiden jeweils einer Zylinderreihe zugeordneten Ventilreihen die Trennebene (3) winkelsymmetrisch durchsetzen.

7. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch derart gewählte Anordnung der Zündmittel (24), daß ihr Zündbereich auf der jeweiligen senkrechte Ebene (17, 18) liegt.

8. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zündmittel (24) von schräg verlaufenden Bohrungen (24a) aufgenommen sind, deren Achsen zwischen den beiden Nockenwellen (15, 16) verlaufen.

9. Ventilsteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwellen (15, 16) im Bereich der Bohrungen (24a) örtliche Durchmesserverringerungen (37) aufweisen.

10. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwellen (15, 16) jeweils in einer der senkrechten Ebenen (17, 18) verlaufen.

11. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schwenkhebel (27, 28) aller Ventile (9, 10) identisch sind.

12. Ventilsteuerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß den jeweils einer Nockenwelle (65, 66) zugeordneten Schwenkhe­ beln (67, 68; 69′, 70) eine durchgehende Schwenkachse (71, 72) gemeinsam ist.

13. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweils zwei Schwenkhebeln eine Schwenkachse (29, 30) zugeordnet ist.

14. Ventilsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeich­ net durch in Längsrichtung gegen die Trennebene (3) geneigte Ventilachsen (12, 12′).