DE69433553T2

DE69433553T2 - Zylinderkopfzusammenbau

Info

Publication number: DE69433553T2
Application number: DE69433553T
Authority: DE
Inventors: Ronald J. Phoenix Hoffman; Robert G. Chandler Everts
Original assignee: MTD Products Inc
Current assignee: MTD Products Inc
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1994-07-06
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2014-07-07
Also published as: US5564374A; EP0708884A1; EP0940573A2; EP0708884B1; EP0708884A4; AU7358094A; US5421292A; EP0940573B1; WO1995003485A1; DE69422987D1; JPH09502235A; DE69433553D1; DE69422987T2; EP0940573A3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere eine zweiteilige Kipphebeleinheit- und Zylinderkopfbaugruppe sowie eine Baugruppe einer Nockeneinheit für einen kleinen Viertaktmotor.
STAND DER TECHNIK
Es sind kleine Viertakt-Verbrennungsmotoren bekannt, die eine Kipphebeleinheit und einen getrennt gebildeten Zylinderkopf aufweisen. U.S.-Patent Nr. 4,601,267 an Kronich offenbart beispielsweise eine Basis einer Kipphebeleinheit, die an einem Zylinderkopf befestigt ist, der einstückig mit einem Zylinderblock gebildet ist. Ebenso offenbart U.S.-Patent Nr. 5,058,542 an Grayson et al. eine innere thermoplastische oder aus Druckgussaluminium bestehende Abdeckung einer Kipphebeleinheit, die auf einen Zylinderkopf geschraubt ist.
Es ist ebenfalls bekannt, den Zylinderkopf und die Kipphebeleinheit als einstückig gebildete Zylinderkopfbaugruppe aus einem Stück herzustellen. Die Herstellung einer solchen Zylinderkopfbaugruppe umfasst typischerweise ein komplexes Gussverfahren, das vier oder mehr Schieber erfordern kann, um die komplizierten Luftdurchgänge und Kühlrippen zu bilden, mit denen Wärme vom heißesten Teil des Motors abgeleitet wird. Da das Gussverfahren jedoch so schwierig ist, insbesondere wenn es bei einem sehr kleinen Maßstab für Einzylindermotoren durchgeführt wird, sind die resultierenden Wanddicken häufig nicht gleichförmig. Zusätzlich ist es schwierig oder unmöglich, die Kipphebeleinheit mit einstückigen Stößelstangenrohren zu bilden.
Des Weiteren erlaubt das Gussverfahren möglicherweise nur einen einzelnen Schlitz mit einer Breite in der Größenordnung von einem Millimeter, der auf beiden Seiten der Zündkerze und zwischen dem Zylinderkopf und der Kipphebeleinheit gebildet werden kann. Da die Motorkühlung in Funktion zur Luftströmung durch diesen Durchgang steht, beschränkt solch ein begrenzter Luftweg die Kühlungseffizienz. Das Vorhandensein von ungleichförmig dicken Wänden vergrößert dieses Problem.
Zusätzlich weisen kleine Viertaktmotoren mit unten liegender Nockenwelle, die Nockenstößel in dem Ventiltrieb verwenden, typischerweise eine Nockenwelle, an der das Nockenrad und eine oder mehrere Nocken angebracht sind, sowie eine Stößelwelle, auf der die Nockenstößel angebracht sind, auf. Herkömmlicherweise ist die Stößelwelle am Zylinderblock angebracht und die Nockenwelle ist am Kurbelgehäuse angebracht. Jedoch hat diese Konstruktion aus mehreren Gründen Schwankungen des gewünschten Betriebs des Ventiltriebs zur Folge. Anfänglich besteht aufgrund von Fertigungstoleranzen bei der Bildung des Zylinderblocks, des Kurbelgehäuses und der Komponenten des Ventiltriebs oft eine Schwankung im Mittenabstand zwischen den Wellen. Zusätzlich besteht eine gewisse Schwankung in der Breite der Dichtung, die den Zylinderblock und das Kurbelgehäuse typischerweise voneinander trennt.
Diese Schwankungen haben eine Abweichung vom optimalen Betrieb der Ventile zur Folge, wodurch der effiziente Betrieb und/oder die effiziente Emissionsleistung des Motors eingeschränkt werden können. Diese Schwankungen werden bei kleineren Motoren, wie beispielsweise Einzylindermotoren, die für Rasen- oder Gartenarbeiten verwendet werden, vergrößert. Es ist bekannt, dass weitere Verringerungen der Emissionsabgabe durch Abgasrückführung erreicht werden können. Jedoch ist ein einfaches und kosteneffektives System zur Abgasrückführung bei kleinen Motoren nicht leicht erreichbar.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung besteht aus einem kleinen Viertakt-Verbrennungsmotor, der die Eigenschaften aus Anspruch 1 aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines kleinen Viertakt-Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht des Motors, die entlang Linie 2-2 in 1 genommen ist;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Zylinderkopfbaugruppe des Motors;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfes des Motors;
5 ist eine vergrößerte teilweise Querschnittsansicht der Zylinderkopfbaugruppe, die in 2 gezeigt ist;
6 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Zylinderkopfbaugruppe, die entlang der Linie 6-6 in 3 genommen ist;
7 ist eine andere vergrößerte teilweise Querschnittsansicht der Zylinderkopfbaugruppe, die entlang der Linie 7-7 in 1 genommen ist; und
8 ist eine andere Querschnittsansicht des Zylinderkopfes.
BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 bis 7 zeigen einen kleinen Einzylinder-Viertaktmotor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, der vorzugsweise einen Hubraum zwischen etwa 20 und 80 Kubikzentimetern aufweist. Der Motor 10 umfasst eine Zylinderkopfbaugruppe 12 und einen Kolben 14, der sich in einem Zylinderblock 16 hin- und herbewegen kann.
Der Kolben 14 ist in betriebsfähiger Weise derart verbunden, dass er ein Einlassventil 18 und ein Auslassventil 20 betätigt. Wie in 2 gezeigt, übt eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 14 mit Hilfe eines Pleuels 26 eine Drehung auf eine freitragende Kurbelwelle 22 aus, die in einem Kurbelgehäuse 24 angeordnet ist, wie in der Technik bekannt ist. Ein Kurbelwellenrad 28, das an der Kurbelwelle 22 angebracht ist, greift seinerseits in ein Nockenrad 30 ein, das an der Nockenwelle 32 in einer Ventilantriebskammer 34 des Kurbelgehäuses 24 angeordnet ist, um einen Einzelbuckelnocken 36 mit halber Motordrehzahl anzutreiben. Die Drehung des Nockens 36 wird in eine Hin- und Herbewegung umgewandelt, um ein Paar Stößelstangen 38 und 40 mit Hilfe eines Paars froschbeinförmiger Stößel 42 und 43 hin- und herzubewegen, wie in der laufenden U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/021,496 offenbart. Die Stößelstangen 38 und 40 wirken mit Hilfe der Kipphebelarme 44 und 46 so, dass sie jeweils das Auslassventil 20 und das Einlassventil 18 betätigen. Selbstverständlich ist Fachleuten ersichtlich, dass eine herkömmliche Konstruktion, die Ventilstößel umfasst, bereitgestellt werden kann, um die Funktion der Stößel 42 und 43 zu erfüllen.
Wie in 3 bis 7 gezeigt, umfasst die Zylinderkopfbaugruppe 12 einen einstückigen Aluminiumdruckgusszylinderkopf 48, der dafür ausgelegt ist, mit dem Zylinderblock 16 und einer Kipphebeleinheit 50 zusammen zu wirken. Die Kipphebeleinheit 50 ist ebenfalls ein einstückiges Aluminiumdruckguss- oder Magnesiumdruckgussteil und ist dafür ausgelegt, die Kipphebelarme 44 und 46 zumindest teilweise aufzunehmen. Die Kipphebeleinheit 50 weist ein erstes Paar Löcher 52 auf, die dafür ausgelegt sind, Mittel, wie beispielsweise Schrauben oder Kipphebelbolzen, aufzunehmen, um die Kipphebeleinheit mit dem Zylinderkopf 48 zu verbinden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, erstrecken sich die Kipphebelbolzen 54 durch den Zylinderkopf 48, um die gesamte Zylinderkopfbaugruppe 12 am Zylinderblock 16 zu befestigen. Die Kipphebeleinheit 50 weist ebenfalls ein zweites Paar Löcher 56 auf, die dafür ausgelegt sind, jeweils ein Paar Ventilführungen 58 und 60 aufzunehmen, die vom Zylinderkopf 48 hervorstehen. Ein drittes Paar Löcher 62 ist in der Kipphebeleinheit 50 gebildet, um die Stößelstangen 38 und 40 aufzunehmen. Wenn die Kipphebeleinheit aus Aluminium gebildet ist, können die Löcher 62 in einer im Allgemeinen ovalen Form gegossen werden, wie in 3 gezeigt, um als Stößelstangenführungen zu wirken. Wenn die Kipphebeleinheit aus Magnesium gebildet ist, werden vorzugsweise gestanzte Stahlführungsbleche, die im Allgemeinen ovale Löcher aufweisen, hinzugefügt, um als Stößelstangenführungen zu wirken.
Die Kipphebeleinheit 50 ist so mit dem Zylinderkopf 48 verbunden, dass ein Luftdurchgang 64 dazwischen abgegrenzt wird, durch den Kühlluft strömen kann. Der Luftdurchgang 64 erstreckt sich vorzugsweise jeweils zwischen Querstromeinlass- und -auslassöffnungen 66 und 68, die im Zylinderkopf 48 gebildet sind. Der Zylinderkopf 48 weist eine Vielzahl von Kühlrippen 70 auf, die in den Luftdurchgang 64 zwischen dem Zylinderkopf und der Kipphebeleinheit 50 hineinragen. Insbesondere ragt eine Hauptkühlrippe 72 rückwärts von einem Zündkerzenvorsprung 74 und aufwärts in eine Dehnrille 76, die im Boden der Kipphebeleinheit 50 gebildet ist, hinein. Alle Kühlrippen 70, einschließlich der Hauptkühlrippe 72, sind zu einer gedachten Linie, die sich zwischen den Achsen des Einlass- und Auslassventils 18 und 20 erstreckt, im Allgemeinen quer ausgerichtet.
Der Zylinderkopf 48 weist des Weiteren ebenfalls eine dort hinein gebohrte Abgasrückführungsöffnung (AR-Öffnung) 77 auf. Die AR-Öffnung 77 erstreckt sich zwischen den innersten Abschnitten der Einlassöffnung 66 und der Auslassöffnung 68 und im Allgemeinen unterhalb des Luftdurchgangs 64. Die AR-Öffnung 77 verläuft im Allgemeinen koaxial zur Auslassöffnung und ist von oben gesehen zur Achse der Einlassöffnung leicht versetzt, obwohl diese Anordnung umgekehrt werden kann. Die AR-Öffnung 77 weist vorzugsweise einen konstanten kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von etwa 1,25 Millimetern auf. Über den Motorbetriebsbereich und insbesondere bei der normalen Betriebsdrehzahl von etwa 7–8000 U/min werden etwa 10% der gesamten vom Motor erzeugten Abgase durch die AR-Öffnung 77 zur Einlassöffnung 66 gesogen, um sie mit dem ankommenden Kraftstoff-Luft-Gemisch zu vermischen.
Ein Paar verlängerte Stößelstangenrohre 78 und 80, in denen sich jeweils Stößelstangen 38 und 40 hin- und herbewegen können, sind einstückig mit der Kipphebeleinheit 50 gebildet. Die Stößelstangenrohre 78 und 80 erstrecken sich außerhalb des Zylinderblocks 16 von der Kipphebeleinheit 50, um abdichtend mit der Ventilantriebskammer 34 des Kurbelgehäuses 24 zusammen zu wirken. Sowohl der Zylinderkopf 48 als auch die Kipphebeleinheit 50 weisen ebenfalls eine Vielzahl horizontaler Kühlrippen 82 auf, die mindestens teilweise um ihren Umfang herum angeordnet sind, vorzugsweise in der Nähe der Einlass- und Auslassöffnung 66 und 68 und benachbart zu den Stößelstangenrohren 78 und 80. Da der Zylinderkopf und die Kipphebeleinheit der vorliegenden Erfindung diskrete Komponenten sind, die separat gegossen werden können, weist die Zylinderkopfbaugruppe relativ gleichförmige Wanddicken in der gesamte Baugruppe auf, wodurch die Motorkühlung erleichtert wird.
Wie am besten in 2 gezeigt, erstrecken sich der Stift, der die Nockenwelle 32 bildet, und ein im Allgemeinen paralleler Stift, der eine Stößelwelle 84 bildet, von einem Halter oder Basiselement 86, um einen Träger 88 zu bilden. Das Basiselement 86 ist vorzugsweise als Legierungsstahlpulvermetallteil gebildet. Das Nockenrad 30 und die Nocke 36, die vorzugsweise als einstückiges Pulvermetallteil gebildet sind, sind drehbar auf der Nockenwelle 32 gestützt. Ebenso sind die Stößel 42 und 43 drehbar auf der Stößelwelle 84 gestützt. Zusammen bilden der Träger 88, das Nockenrad 30 und die Nocke 36, sowie die Stößel 42 und 43 eine Baugruppe der Nockeneinheit. Da sich die Wellen 32 und 84 von einem gemeinsamen Basiselement 86 aus erstrecken, anstatt separat am Zylinderblock und/oder am Kurbelgehäuse befestigt zu sein, ist der Abstand zwischen den Wellen genauer kontollierbar. Dadurch werden die Montage- und Toleranzprobleme beseitigt, die mit dem herkömmlichen Montageverfahren einhergehen, bei dem die Nocke und der Stößel als einzelne Komponenten an separaten Stiften jeweils an der Kurbelgehäuse- und der Zylinderbaugruppe montiert werden. Durch die vorliegende Konstruktion werden ebenfalls potenzielle Ölundichtigkeitsbereiche vermieden, die bei herkömmlichen Konstruktionen oft auftreten, bei denen die Wände durchbohrt wurden, um die Stifte dort hindurch aufzunehmen. Die Baugruppe der Nockeneinheit ist vorzugsweise mit Hilfe zweier Schrauben oder Innensechskantschrauben 90, die sich durch offene Rillen in dem Basiselement 86 und in das Kurbelgehäuse 24 erstrecken, am Motor befestigt. Das Kurbelgehäuse kann entweder mit einem Kern versehen sein oder gebohrt und mit einem Gewinde versehen sein, um die Schrauben aufzunehmen. Diese Konstruktion erleichtert die Wartung der Baugruppe der Nockeneinheit, da die gesamte Baugruppe vom Kurbelgehäuse abgenommen werden kann, indem nur die Schrauben 90 entfernt werden. Während die Baugruppe der Nockeneinheit in 2 mit dem Basiselement 86 in der Nähe des Schwungrades und dem Nockenrad 30 in der Nähe des Zylinderblocks gezeigt ist, ist ersichtlich, dass ein Spiegelbild dieser Anordnung mit dem Basiselement in der Nähe des Zylinderblocks und dem Nockenrad in der Nähe des Schwungrades in gleicher Weise möglich ist.
8 zeigt, dass die Achse 92 des horizontalen Abschnitts 94 der Einlassöffnung 66 nicht zur Achse 96 des vertikalen Abschnitts 98 der Einlassöffnung ausgerichtet ist. Aufgrund dieses Merkmals der versetzten Einlassöffnung wird das ankommende Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Wand des vertikalen Abschnitts 98 der Einlassöffnung um den Schaft des Einlassventils herum abgelenkt oder vorverwirbelt und fährt fort zu wirbeln, wenn es in die Verbrennungskammer eingeleitet wird. Das auf diese Weise erzeugte wirbelnde Gemisch verbrennt schneller und/oder vollständiger, wenn es nachfolgend von der Zündkerze gezündet wird. Als Alternative zum Versatz der Einlassöffnung zum Einleiten eines Wirbels in den Zylinder von oben gesehen im Uhrzeigersinn, kann die Einlassöffnung unterhalb der horizontalen Achse der Einlassöffnung versetzt sein, um einen Wirbel gegen den Uhrzeigersinn zu erzeugen.
Während die Ausführungsformen der Erfindung, die hierin gezeigt und beschrieben sind, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, wird darauf hingewiesen, dass sie nicht dazu dienen, alle möglichen Ausführungsformen derselben darzustellen. Ebenso wird darauf hingewiesen, dass die verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung und nicht der Einschränkung dienen und verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

Kleiner luftgekühlter Einzylinder-Viertaktmotor (10), der einen Kolben (14), der sich in einem Zylinder innerhalb eines Motorblocks hin- und herbewegt, ein Kurbelgehäuse (24), das an dem Motorblock angebracht ist, und einen Träger (88) umfasst, wobei der Träger folgendes umfasst: ein Basiselement (86); eine Nockenwelle (32), die nur an dem Basiselement (86) angebracht ist und ein Nockenrad (30) trägt; und eine Nockenstößelwelle (84), die nur an dem Basiselement (86) angebracht ist und eine Vielzahl von drehbaren Nockenstößeln trägt (42, 43); wobei das Basiselement (86) entfernbar am Kurbelgehäuse (24) angebracht ist, wodurch der Träger (88) die Nockenwelle (32) sowie die Nockenstößelwelle (84) in parallel beabstandeter Orientierung exakt positioniert, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (32) eine einzelne Nocke (36) trägt, die die Vielzahl von Nockenstößeln (42, 43) betätigt.
Motor nach Anspruch 1, wobei sich die Nockenwelle (32) im Allgemeinen parallel zur Nockenstößelwelle (84) erstreckt.
Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, der des Weiteren Mittel (90) zur Anbringung des Trägers (88) an dem Viertaktmotor (10) umfasst.
Motor nach Anspruch 3, wobei das Mittel zur Anbringung des Trägers eine Schraube (90) umfasst, die sich durch das Basiselement (86) hindurch und in ein Kurbelgehäuse des Motors hinein erstreckt.
Motor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei der Motor (10) einen Hubraum zwischen etwa 20 und 80 Kubikzentimeter aufweist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nockenstößelwelle (84) dafür ausgelegt ist, ein Paar Nockenstößel (42, 43) drehbar darauf zu stützen.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Nockenrad (30) und der Nockenbuckel (36) einstückig gebildet sind.