EP1361356B1 - Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse - Google Patents

Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse Download PDF

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EP1361356B1
EP1361356B1 EP03010316A EP03010316A EP1361356B1 EP 1361356 B1 EP1361356 B1 EP 1361356B1 EP 03010316 A EP03010316 A EP 03010316A EP 03010316 A EP03010316 A EP 03010316A EP 1361356 B1 EP1361356 B1 EP 1361356B1
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crankcase
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crankshaft
cylinder
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Werner Prof.Dr.-Ing. Habil Hoffmann
Stefan Kühn
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IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/041—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of cylinder or cylinderhead positioning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames

Definitions

  • the invention relates to a device for displacing the cylinder block and head relative to the crankcase with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • Previously known from document EP 0 426 540 A1 is a device for displacing the cylinder block and head relative to the crankcase for the purpose of the compression change with the type described below.
  • a crankshaft receiving crankcase has on both sides of the crankshaft mounted adjusting shafts with eccentrics, which are arranged alternately distributed over the length of the housing and engage arranged in both sides of the crankshaft axis receiving bores of bearing webs or - arms of the cylinder block.
  • the cylinder block with the cylinder head forms a coupling member between the eccentrics and is displaced relative to the crankshaft during rotation of the eccentric.
  • the connecting line between the axes of the adjusting shafts extends around the crankshaft area above or below the crankshaft and intersects the cylinder axis in an oblique or at a right angle as shown in FIG.
  • the adjusting mechanism which is designed as a crank drive and consists of an eccentric shaft with connecting rods, requires considerable space and a larger number of components. Due to the pivotal movement of the cylinder block and cylinder head greater flexibility of the intake and exhaust system is required for motion compensation.
  • the invention has for its object to make a generic device for displacing the cylinder block and head relative to the crankcase with a stable bearings of the actuating mechanism, without an excessive weight gain would have to be accepted.
  • the adjusting mechanism is arranged so that the connecting line of the bearing eyes or arms of the cylinder block approximately perpendicular to the cylinder axis, whereby a transmission parallelogram to displace the cylinder block relative to the fixed crankcase is formed. Due to the high connection of the control shafts, the necessary sealing (sealing flange, sealing collar) between the crankcase and the cylinder block can also be arranged above the transmission connection, without a motor extension being caused by the sealing collar.
  • FIG. 1 schematically shows a part of a cylinder block 1 and a crankcase 2 of an internal combustion engine, the displacement of the cylinder block 1 relative to the crankcase 2 being effected by adjusting shafts 4 in conjunction with eccentrics 8 arranged thereon.
  • at least one of the control shafts 4 is driven via a motor, not shown, which is controlled via an engine control unit for the corresponding displacement of the cylinder block 1.
  • the displacement of the cylinder block 1 relative to the crankcase 2 takes place in a known manner and is not the subject of the inventive solution.
  • the adjusting shafts 4 are arranged on both sides of the cylinder extending in the upper, the cylinder head near region of the cylinder block 1.
  • the control shafts 4 are made in one piece. But it is also possible to execute the control shafts 4 built.
  • the bearing of the control shafts 4 is preferably carried out in the crankcase 2 and the bearing of the eccentric 8 takes place in the cylinder block 1.
  • the control shafts 4 and their eccentric 8 are arranged so that the connecting line 5 of the adjusting shafts 4 and eccentric 8 receiving bearing eyes or arms of the cylinder block 1 is approximately perpendicular to the cylinder axis 9 of the engine. This means that the adjusting mechanism for displacing the cylinder block 1 relative to the crankcase 2 represents a transmission parallelogram.
  • FIG. 2 schematically shows the adjusting mechanism for changing the volume of the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • hollow carrier-like support strips 6 are provided in the upper region of the crankcase, which extend over the length of the crankcase 2.
  • the hollow carrier-like support strips 6 significantly ensure the stability of the crankcase 2.
  • crankcase 2 is a division of the crankcase 2 in the crankshaft plane, so that the single bearing cover omitted and the bearing of the crankshaft 3 takes place in a over the entire width of the crankcase 2 extending lower part (bedplate).
  • FIG. 3 shows a cross section through an internal combustion engine, which shows a displacement of the cylinder block 1 into its upper position, with a largest combustion chamber volume.
  • Figure 3 further shows the bearing arms of the cylinder block for receiving the control shaft bearing (eccentric). With 3 located in the crankcase 2 Lagergasse crankshaft is marked.
  • FIG. 4 shows a further cross section through an internal combustion engine.
  • FIG. 4 shows the web 7 extending between the cylinder tubes and the bearing of the adjusting shafts 4 in the crankcase 2.
  • the arrangement of the bearing adjusting shaft 4 and eccentric 8 exemplified in FIGS. 3 and 4 can also be carried out interchanged.
  • the arrangement of the bearing arms of the cylinder block for adjusting shaft bearing (eccentric) takes place in the region of extending between the cylinder tubes web 7.
  • the bearing of the control shafts 4 in the crankcase 2 takes place in each case in the cylinder center.
  • cylinder block 1 To increase the stability of the cylinder block 1 according to the invention for highly stressed engines in wall thickness reduced gray cast iron or in vermicular.
  • the consistent utilization of the higher strength of gray cast iron or vermicular castings over aluminum can advantageously be exploited in the sense of lightweight construction specifically for weight reduction. In the case of a split design of cylinder block 1 and cylinder head, it may still consist of aluminum.
  • Another weight-reducing measure is to form the adjusting shafts 4 hollow.
  • the support strips 6 can also be used for a targeted recording and forwarding of return oil from the cylinder head.
  • a targeted introduction of return oil in the support bar volumes via appropriately positioned holes 11 ( Figure 3) below the control shafts 4 a targeted introduction of return oil in the support bar volumes.
  • channels in the Lagerstuhiebenen the return oil can be forwarded directly into the oil pan.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
  • Es ist bekannt, das Verdichtungsverhältnis von Ottomotoren auf die Klopffestigkeit im Volllastbetrieb auszulegen. Das hat zur Folge, dass im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine Wirkungsgradverluste hingenommen werden, da in diesem Bereich theoretisch höhere Verdichtungsverhältnisse gefahren werden könnten. Zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Teillastbetrieb ist es bekannt, die Verbrennungsräume variabel verstellbar zu gestalten. Durch Schwenken beziehungsweise durch Verlagern des kompletten Zylinderkopfes wird der Abstand zwischen Kolben und Zylinderkopf und somit das Brennraumvolumen und damit das Verdichtungsverhältnis verändert.
  • Vorbekannt ist durch die Schrift EP 0 426 540 A1 eine Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse zum Zwecke der Verdichtungsänderung mit nachfolgend beschriebener Bauart.
  • Ein die Kurbelwelle aufnehmendes Kurbelgehäuse weist beiderseits der Kurbelwelle gelagerte Stellwellen mit Exzentern auf, die über die Länge der Gehäuse wechselweise verteilt angeordnet sind und in beidseitig der Kurbelwellenachse angeordnete Aufnahmebohrungen von Lagerstegen oder - armen des Zylinderblocks eingreifen. Der Zylinderblock mit dem Zylinderkopf bildet ein Koppelglied zwischen den Exzentern und wird beim Verdrehen der Exzenter relativ zur Kurbelwelle verlagert. Die Verbindungsgerade zwischen den Achsen der Stellwellen verläuft um den Kurbelwellenbereich über oder unter der Kurbelwelle und schneidet die Zylinderachse in einem schrägen oder gemäß Figur 18 in einem rechten Winkel.
  • Vorbekannt ist es bei Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis auch, zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse den Zylinderblock einseitig in Höhe des kurbelwellenseitigen Endes der Zylinderbüchsen im Kurbelgehäuse schwenkbar zu lagern und auf der anderen Seite der Kurbelwellenachse über einen am Kurbelgehäuse gelagerten Kurbeltrieb, der über pleuelartige Elemente am Zylinderblock angelenkt angreift, den Zylinderblock zu verschwenken. Dieser nimmt dabei unterschiedlich nahe oder der Kurbelwelle fernere Stellungen ein, wodurch die Verdichtung verändert werden kann. (Auto-Zeitung 10/2000 S. 68 - 69, Heinrich Bauer Zeitschriften Verlag KG, Hamburg) Nachteilig ist die ungünstige Krafteinleitung vom Zylinderblock ins Kurbelgehäuse und zur Getriebeanbindung. Der Stellmechanismus, der als Kurbelantrieb ausgebildet ist und aus einer Exzenterwelle mit Pleuelstangen besteht, erfordert einen erheblichen Bauraum und eine größere Anzahl von Bauteilen. Infolge der Schwenkbewegung von Zylinderblock und Zylinderkopf ist eine größere Flexibilität der Ansaug- und Abgasanlage zum Bewegungsausgleich erforderlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse mit einer stabilen Lagerungen des Stellmechanismus zu gestalten, ohne dass eine übermäßige Gewichtszunahme in Kauf genommen werden müßte.
  • Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Durch die Anordnung und Lagerung der Stellwellen mit ihren Exzentern im oberen, dem Zylinderkopf nahen Bereich des Zylinderblocks und die Anordnung der Lagergassen der Stellwellen im Kurbelgehäuse oberhalb von hohlträgerartig ausgebildeten Tragleisten wird eine stabile Lagerung des Verstellmechanismus zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse erzielt. Durch die Gestaltung der hohlträgerartigen Tragleisten im oberen Teil des Kurbelgehäuses wird die Stabilität der Kurbelgehäusestruktur wesentlich erhöht, so dass die vom Zylinderblock ausgehenden Kräfte vom Kurbelgehäuse problemlos aufgenommen und weitergeleitet werden können. Dabei ist der Verstellmechanismus so angeordnet, dass die Verbindungsgerade der Lageraugen oder -arme des Zylinderblocks etwa senkrecht zur Zylinderachse steht, wodurch ein Getriebeparallelogramm zur Verlagerung des Zylinderblocks gegenüber dem feststehenden Kurbelgehäuse entsteht. Durch die hohe Anbindung der Stellwellen kann ebenfalls die notwendige Abdichtung (Dichtflansch, Dichtmanschette) zwischen Kurbelgehäuse und Zylinderblock oberhalb der Getriebeanbindung angeordnet werden, ohne daß durch die Dichtmanschette eine Motorverlängerung verursacht würde.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben; sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
  • An Hand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1:
    eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse,
    Fig. 2:
    die erfindungsgemäße Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse als Getriebeschaltbild,
    Fig. 3:
    einen Schnitt durch den Zylinderblock mit Stellwellen und das Kurbelgehäuse,
    Fig. 4:
    einen weiteren Schnitt durch den Zylinderblock mit Stellwellen und das Kurbelgehäuse.
  • In Figur 1 ist schematisch ein Teil eines Zylinderblocks 1 und eines Kurbelgehäuses 2 eines Verbrennungsmotors dargestellt, wobei die Verlagerung des Zylinderblocks 1 gegenüber dem Kurbelgehäuse 2 durch Stellwellen 4 in Verbindung mit daran angeordneten Exzentern 8 erfolgt. Dabei wird mindestens eine der Stellwellen 4 über einen nicht dargestellten Motor angetrieben, der über ein Motorsteuergerät zur entsprechenden Verlagerung des Zylinderblocks 1 angesteuert wird. Das Verlagern des Zylinderblocks 1 gegenüber dem Kurbelgehäuse 2 erfolgt in bekannter Weise und ist nicht Gegenstand der erfindungsgemäßen Lösung.
  • Die Stellwellen 4 sind beidseitig der Zylinder verlaufend im oberen, dem Zylinderkopf nahen Bereich des Zylinderblocks 1 angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Stellwellen 4 einstückig ausgeführt. Es ist aber auch möglich, die Stellwellen 4 gebaut auszuführen. Die Lagerung der Stellwellen 4 erfolgt vorzugsweise im Kurbelgehäuse 2 und die Lagerung der Exzenter 8 erfolgt im Zylinderblock 1. Die Stellwellen 4 und deren Exzenter 8 sind so angeordnet, dass die Verbindungsgerade 5 der die Stellwellen 4 und Exzenter 8 aufnehmenden Lageraugen oder -arme des Zylinderblocks 1 etwa senkrecht zur Zylinderachse 9 des Verbrennungsmotors steht. Das bedeutet, dass der Verstellmechanismus zum Verlagern des Zylinderblocks 1 gegenüber dem Kurbelgehäuse 2 ein Getriebeparallelogramm darstellt. In der Figur 2 ist schematisch das Verstellgetriebe zur Veränderung des Volumens des Verbrennungsraumes des Verbrennungsmotors dargestellt.
  • Zur Stabilisierung des Kurbelgehäuses 2 und zur stabilen Lagerung des aus Stellwellen 4, Exzenter 8 und dem nicht dargestellten Verstellantrieb bestehenden Verstellmechanismuses sind im oberen Bereich des Kurbelgehäuses 2 hohlträgerartig ausgebildete Tragleisten 6 vorgesehen, die sich über die Länge des Kurbelgehäuses 2 erstrecken. Die hohlträgerartig ausgebildeten Tragleisten 6 gewährleisten maßgeblich die Stabilität des Kurbelgehäuses 2.
  • Nicht gesondert dargestellt ist eine Teilung des Kurbelgehäuses 2 in der Kurbelwellenebene, so dass die Einzellagerdeckel entfallen und die Lagerung der Kurbelwelle 3 in einem sich über die ganze Breite des Kurbelgehäuses 2 erstreckenden Unterteil erfolgt (Bedplate). Durch diese Anordnung erfolgt eine Begradigung und Stabilisierung des Kraftflusses im Kurbelgehäuse 2.
  • In Figur 3 ist ein Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor dargestellt, der eine Verlagerung des Zylinderblocks 1 in seine obere Stellung, bei einem größten Brennraumvolumen, zeigt. Die Figur 3 zeigt weiter die Lagerarme des Zylinderblocks zur Aufnahme der Stellwellenlagerung (Exzenter). Mit 3 ist die in dem Kurbelgehäuse 2 befindliche Lagergasse Kurbelwelle gekennzeichnet.
  • In Figur 4 ist ein weiterer Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor dargestellt.
  • Die Figur 4 zeigt den zwischen den Zylinderrohren sich erstreckenden Steg 7 und die Lagerung der Stellwellen 4 im Kurbelgehäuse 2.
  • Im Interesse eines geringeren Zylinderverzuges kann bei großen Beanspruchungen die in Fig. 3 und 4 beispielhaft gegebene Anordnung der Lager Stellwelle 4 und Exzenter 8 auch vertauscht ausgeführt sein. In diesem Fall erfolgt die Anordnung der Lagerarme des Zylinderblocks zur Stellwellenlagerung (Exzenter) im Bereich des sich zwischen den Zylinderrohren erstreckenden Steges 7. Und die Lagerung der Stellwellen 4 im Kurbelgehäuse 2 erfolgt jeweils in Ebene der Zylindermitten.
  • Zur Erhöhung der Stabilität wird erfindungsgemäß der Zylinderblock 1 für hochbeanspruchte Motoren in wanddickenreduziertem Grauguss oder in Vermikularguss ausgeführt. Die konsequente Ausnutzung der höheren Festigkeit von Grauguss oder Vermikularguss gegenüber Aluminium kann vorteilhaft im Sinne des Leichtbaues gezielt zur Gewichtsreduzierung ausgenutzt werden. Dabei kann bei geteilter Ausführung von Zylinderblock 1 und Zylinderkopf dieser nach wie vor aus Aluminium bestehen. Eine weitere gewichtsreduzierende Maßnahme besteht darin, die Stellwellen 4 hohl auszubilden.
  • Die Tragleisten 6 können ebenfalls für eine gezielte Aufnahme und Weiterleitung von Rücklauföl aus dem Zylinderkopf genutzt werden. Dabei erfolgt über entsprechend positionierte Bohrungen 11 (Figur 3) unterhalb der Stellwellen 4 eine gezielte Einleitung von Rücklauföl in die Tragleistenvolumina. Durch nicht gesondert dargestellte Kanäle in den Lagerstuhiebenen kann das Rücklauföl direkt bis in die Ölwanne weitergeleitet werden.
    • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
    • 1
    Zylinderblock
    2
    Kurbelgehäuse
    3
    Lagergasse Kurbelwelle
    4
    Stellwelle
    5
    Verbindungsgerade
    6
    Tragleisten
    7
    Steg
    8
    Exzenter
    9
    Zylinderachse
    10
    Lagergasse Stellwelle
    11
    Bohrungen

Claims (8)

  1. Einrichtung zum Verlagern des Zylinderblocks und -kopfs gegenüber dem Kurbelgehäuse mit folgender Bauart,
    das die Kurbelwelle aufnehmende Kurbelgehäuse weist in seinem Oberteil zwei beiderseits der Zylinder gelagerte Stellwellen mit Exzentern auf, die über die Länge des Kurbelgehäuses wechselweise verteilt angeordnet sind und in Aufnahmebohrungen von Lagerstegen oder - armen des Zylinderblocks eingreifen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    - die Verbindungsgerade (5) der Lageraugen oder- arme des Zylinderblocks (1) steht etwa senkrecht zur Zylinderachse (9),
    - die Lagerungen der Stellwellen (4) und deren Exzenter (8) verlaufen im oberen, dem Zylinderkopf nahen Bereich des Zylinderblocks (1),
    - die Lagergassen (10) der Stellwellen (4) sind im Kurbelgehäuse (2) oberhalb von hohlträgerartig ausgebildeten Tragleisten (6), die sich über die Länge des Kurbelgehäuses (2) erstrecken, angeordnet.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kurbelgehäuse (2) aus Leichtmetall besteht und die Partie der Lagergasse der Kurbelwelle (3) und/oder die Partie der Lagergasse (10) der Stellwellen (4) als Grauguss-Eingussteil gestaltet ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Lagergassen (10) der Stellwellen (4) im Kurbelgehäuse (2) aus Leichtmetall bestehen.
  4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stellwellen (4) einstückig oder gebaut ausgeführt sind.
  5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kurbelwellengehäuse (2) in Kurbelwellenebene geteilt ausgeführt ist, wobei das die Kurbelwelle aufnehmende Unterteil als Lagerbrücken- bzw. bedplate-Konstruktion ausgebildet ist.
  6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Zylinderblock (1) aus wanddickenreduziertem Grauguss oder Vermikularguss besteht.
  7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stellwellen (4) hohl ausgebildet sind.
  8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Tragleisten (6) zur Aufnahme von Rücklauföl über Bohrungen (11) mit dem Zylinderkopf und über in den Lagerstuhlebenen angeordneten Kanälen mit einer am Kurbelgehäuse angeordneten Ölwanne verbunden sind.
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