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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf
und mit einem Schmiermittelkreislauf; die Erfindung betrifft weiter
ein Verfahren zum Schmieren von Bauteilen innerhalb eines Zylinderkopfes
einer Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen
weisen eine Vielzahl von bewegten, mechanischen Teilen auf, insbesondere
von tribologischen Systemen, also von solchen, die in ihrem Betrieb
einer zu überwindenden Reibung unterliegen. Solche Bestandteile
müssen geschmiert werden, um eine unerwünschte
Erwärmung oder Funktionsbeeinträchtigung oder
im ungünstigsten Fall einen Ausfall zu vermeiden. Hierzu
sind bei modernen Brennkraftmaschinen Druckumlaufschmierungen bekannt,
bei denen aus einem Schmiermittelvorrat mittels einer Schmiermitteldruckpumpe Schmiermittel über
in der Brennkraftmaschine hierfür angelegte Schmiermittelkanäle
zu den Schmierstellen befördert wird. Die Vielzahl der
Schmierstellen innerhalb einer Brennkraftmaschine erfordert ein
aufwendiges, weit verzweigtes Netz an Schmiermittelkanälen,
was wiederum ein relativ großes Schmiermittelvolumen bedingt.
Im Stand der Technik ist als Ziel bekannt, zur Verbesserung der
Effizienz und Umweltfreundlichkeit von Brennkraftmaschinen den Ölbedarf
und letztlich das Ölvolumen der Brennkraftmaschine zu reduzieren,
was zu einer Reibungseinsparung führt und weniger Schmiermittel
benötigt; letztlich ist damit auch eine kleinere Dimensionierung
der Schmiermitteldruckpumpe möglich. Gleichzeitig wird weiter
versucht, vorhandene Bauteile zur Ableitung von Schmiermittel zu
verwenden. Beispielsweise ist aus der
DE 10 2005 022 254 A1 bekannt, Blow-By-Gase,
die mit Öldampf gesättigt sind, durch eine zumindest
abschnittsweise hohle Nockenwelle abzuführen und über
eine Zentrifugalölnebelabscheideeinrichtung, die an einem
Ende der Nockenwelle angeordnet ist, in die flüssige Phase
zurückzuführen, um das Öl so wieder dem
Schmiermittelkreislauf zuführen zu können. An
den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen
ist aber nachteilig, dass alle im Zylinderkopf befindlichen Schmierstellen nach
wie vor über die Schmiermitteldruckpumpe und entsprechende
Schmiermittelkanäle mit Schmiermittel versorgt werden müssen.
Eine effektive und wirksame Reduktion des Schmiermittelvolumens
lässt sich hierdurch bei gleich guter Schmierung nicht
erreichen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf
und mit einem Schmiermittelkreislauf bereitzustellen, die diese Nachteile
vermeidet und eine gute Schmierung von im Zylinderkopf angeordneten
Bauteilen bei reduziertem Schmiermittelvolumen gestattet.
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Hierzu
wird eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und mit einem
Schmiermittelkreislauf vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass
eine Schmierung innerhalb des Zylinderkopfes durch einen Schmiermittelnebel
erfolgt, der aus einer zumindest bereichsweise hohl ausgebildeten,
im Zylinderkopf angeordneten Nockenwelle unmittelbar oder mittelbar
austritt. Die Schmierung innerhalb des Zylinderkopfes erfolgt demzufolge
nicht, wie im Stand der Technik geläufig, durch über
Schmiermittelkanäle von einer Schmiermitteldruckpumpe zugeführtes Schmiermittel,
sondern über einen Schmiermittelnebel, der aus der Nockenwelle,
die im Zylinderkopf angeordnet ist, austritt. Die Nockenwelle ist
hierzu zumindest bereichsweise hohl ausgebildet. Diese hohle Ausbildung
lässt die Führung von Schmiermittel innerhalb
der Nockenwelle zu. Es ist vorgesehen, dass dieses in der hohlen
Nockenwelle geführte Schmiermittel aus der Nockenwelle
unmittelbar oder mittelbar austritt, wobei mit einem mittelbaren
Austreten gemeint ist, dass zwischen dem Auftreten des Schmiermittelnebels
und der Nockenwelle weitere Komponenten oder Bauteile liegen können,
beispielsweise Ringe, die die Nockenwelle umgeben, oder andere Komponenten,
insbesondere solche, die der Schmiermittelvernebelung förderlich
sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Nockenwelle mindestens eine Schmiermittelaustrittsöffnung
aufweist. Durch die Schmiermittelaustrittsöffnung wird
das Schmiermittel, das in der hohlen Nockenwelle geführt
wird, aus dieser herausgefördert. Dieses Herausfördern
durch die Schmiermittelaustrittsöffnung erfolgt drehzahlabhängig,
also dergestalt, dass das in der Nockenwelle geführte Schmiermittel
durch die Zentrifugalkraft bei Drehung der Nockenwelle an deren
Innenwand gedrückt wird, in dem Bestreben, der Zentrifugalkraft folgend
die Nockenwelle zu verlassen. Wird es hierbei an die Schmiermittelaustrittsöffnung
herangeführt, tritt es durch die Schmiermittelaustrittsöffnung aus,
wobei es, abhängig von der Drehzahl der Nockenwelle, eine
mehr oder minder starke Vernebelung erfährt und hierbei
den Schmiermittelnebel ausbildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird der Nockenwelle
von einer ersten mechanischen Komponente des Zylinderkopfes kommendes Schmiermittel
zugeführt. Das Schmiermittel wird der Nockenwelle also
nicht von der Schmiermitteldruckpumpe der Brennkraftmaschine zugeführt,
sondern als gewissermaßen im Kreislauf verbrauchtes Schmiermittel
von einer ersten mechanischen Komponente, von der es nach dort erfolgter
Schmierung abläuft oder abgeführt wird. Anstatt
das Schmiermittel nun wieder über Ableitkanäle
einem Schmiermittelsumpf oder einem sonstigen Schmiermittelvorratsbehälter
zuzuführen, wird das Schmiermittel stattdessen der Nockenwelle
zugeführt, von wo aus es im Zylinderkopf vernebelt wird.
Anders als im Stand der Technik wird also durch die hohle Nockenwelle
nicht ein (an sich unerwünschter) Schmiermittelnebel abgeführt,
sondern im Gegenteil gezielt ein Schmiermittelnebel zur Bewirkung
der Schmierung von tribologischen Systemen erzeugt. Hierbei wird
nicht von der Schmiermitteldruckpumpe kommendes, frisches Schmiermittel
verwendet, sondern vielmehr ein Schmiermittel, das bereits einmal
der Schmierung der ersten mechanischen Komponente im Schmiermittelkreislauf
gedient hat, das also an sich wieder dem Schmiermittelvorratsbehälter,
der Filterung und dann erneut dem Schmiermittelkreislauf mit seinen Schmierstellen
zugeführt werden soll. Das Schmiermittel wird folglich
mehrfach zur Schmierung genutzt, ohne zwischen diesen Schmiervorgängen
in den Schmiermittelvorratsbehälter zurückgeführt
zu werden. Hierdurch lässt sich die Durchfluss- und/oder Durchsatzmenge
an Schmiermittel vorteilhaft verringern. Es kann gleichzeitig die
Schmiermitteldruckpumpe kleiner dimensioniert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die erste mechanische
Komponente ein Nockenwellensteller. Der Nockenwellensteller weist
eine Mehrzahl von hochbelasteten, eine gute Schmierung erfordernden
Komponenten auf. Er ist ferner der Nockenwelle unmittelbar benachbart.
Das von ihm stammende Schmiermittel ist nur gering belastet, etwa
anders als Schmiermittel, das zur Schmierung von Komponenten gedient
hat, das Brennräumen der Brennkraftmaschine unmittelbar
benachbart liegt, beispielsweise Pleuel. Es kann daher ohne nennenswerte
Einschränkungen und ohne vorherige Filterung vorteilhaft
zur Schmierung weiterer Komponenten im Zylinderkopf durch die erfindungsgemäße
Schmiermittelnebelschmierung verwendet werden. Gleichzeitig werden
durch die unmittelbare Nachbarschaft von Nockenwellensteller und
Nockenwelle unnötig lange Transportwege beziehungsweise
Schmiermittelkanäle vermieden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Schmiermittelaustrittsöffnungen
mit unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen. Hierbei ist insbesondere
vorgesehen, dass der Durchmesser beziehungsweise der Querschnitt
der Schmiermittelaustrittsöffnungen zunimmt, je weiter
sie von der Schmiermittelzuführung in die Nockenwelle entfernt liegen.
Hiermit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass bei Passieren von
Schmiermittelaustrittsöffnungen im Zuge der Axialerstreckung
der Nockenwelle der Druck des darin geförderten Schmiermittels kontinuierlich
abnimmt, ebenso die Menge an Schmiermittel. Um dennoch eine gleichmäßig
gute Ausbildung von Schmiermittelnebel im Zylinderkopf durch die
Schmiermittelaustrittsöffnungen zu erreichen, werden die Schmiermittelaustrittsöffnungen
in ihrem Durchmesser beziehungsweise Querschnitt vergrößert,
je entfernter sie der Schmiermittelzuleitung in die Nockenwelle
liegen, also je länger der von dem in der Nockenwelle geführten
Schmiermittel bereits zurückgelegte Weg ist.
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Weiter
ist vorgesehen, dass sich die Schmiermittelaustrittsöffnung
mit der Nockenwelle mitdreht. Bei einem Mitdrehen der Schmiermittelaustrittsöffnung
mit der Nockenwelle ist, drehzahlabhängig, eine sehr einfache
und effektive Zerstäubung von Schmiermittel und damit eine
wirksame Ausbildung von Schmiermittelnebel möglich.
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Weiter
ist vorgesehen, dass im Zylinderkopf eine zweite mechanische Komponente
angeordnet ist, die mittels des Schmiermittelnebels geschmiert wird.
Die zweite mechanische Komponente ist hierbei beispielsweise ein
Rollenschlepphebel zu Betätigung von Ventilen der Brennkraftmaschine.
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Weiter
wird ein Verfahren zum Schmieren von Bauteilen vorgeschlagen, die
sich innerhalb eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine befinden.
Hierbei ist vorgesehen, dass zur Schmierung aus einer sich im Zylinderkopf
befindlichen Nockenwelle ein durch deren Drehung gebildeter Schmiermittelnebel
austritt. Anders als im Stand der Technik wird den Schmierstellen
nicht frisches Schmiermittel über eine Schmiermitteldruckpumpe
zugeführt, sondern ein Schmiermittelnebel, der aus der
Nockenwelle austritt, und wobei der Schmiermittelnebel durch die
Drehung der Nockenwelle gebildet wird. Hierdurch lässt
sich auch dem Umstand Rechnung tragen, dass mit zunehmender Drehzahl
der Brennkraftmaschine eine stärkere Schmierung erforderlich
ist als bei nur niedriger Drehzahl. Bei höherer Drehzahl der
Nockenwelle wird ein verstärkter Schmiermittelnebel ausgebildet
als bei geringerer Drehzahl.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt
zu sein.
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Es
zeigt die Figur beispielhaft eine einem Nockenwellensteller angeschlossene
Nockenwelle mit Schmiermittelaustrittsöffnungen zur Schmierung
mechanischer Komponenten in einem Zylinderkopf.
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Die
Figur zeigt eine in einem symbolisch dargestellten Zylinderkopf 1 angeordnete
Nockenwelle 2, die konzentrisch zu ihrer Drehachse 3 einen
innenliegenden Hohlraum 4 aufweist, der sich axial über die
Baulänge l der Nockenwelle 2 erstreckt. Die Nockenwelle 2 ist
demzufolge als Hohlwelle 5 ausgebildet. An einem ersten
Ende 6 der Nockenwelle 2 ist eine erste mechanische
Komponente 7 angeordnet, nämlich ein Nockenwellensteller 8.
Dieser dient der Verstellung von Öffnungs- und Schließzeiten
und -zeitpunkten der nicht dargestellten Brennkraftmaschine, deren
Bestandteil der Zylinderkopf 1 ist, über eine
Relativverstellung der im Betrieb befindlichen Nockenwelle 2.
Derartige Nockenwellensteller 8 sind aus dem Stand der
Technik als Nockenwellenlageregelung zur Veränderung von
Steuerzeiten bekannt. Die Nockenwelle 2 weist zur Ausbildung
des Hohlraums 4 eine Nockenwellenwandung 9 auf,
mit einer Wandungsinnenfläche 10 und einer Wandungsaußenfläche 11.
An dem dem ersten Ende 6 gegenüberliegenden zweiten
Ende 12 ist die Nockenwelle 2 beispielsweise in
einer Drehlagerung 13 gelagert. Die Nockenwelle trägt
auf ihrer Wandungsaußenfläche 11 aufgebrachte,
Nocken 13 ausbildende Ringe 14. Die Ringe 14 können
auf die Nockenwelle 2 aufgebracht, beispielsweise aufgesprengt
oder mit der Nockenwelle 2 einstückig ausgebildet
sein, beispielsweise gesenkgeschmiedet oder in einer anderen geeigneten
Herstellungsweise hergestellt. Die Ringe 14 beaufschlagen
zweite mechanische Komponenten 15, nämlich Rollenschlepphebel 16,
die der Betätigung von nicht dargestellten Ventilen der
Brennkraftmaschine dienen. Der ersten mechanischen Komponente 7,
nämlich dem Nockenwellensteller 8, wird zu seiner
Schmierung Schmiermittel 17 aus einem Schmiermittelkanal 18 über
eine nicht dargestellte Schmiermitteldruckpumpe aus dem nicht dargestellten
Schmiermittelkreislauf zugeführt. Das dem Nockenwellensteller 8 zugeführte
Schmiermittel 17 sammelt sich durch Aufnahmebohrungen 19 im
Hohlraum 4 der Nockenwelle 2. Durch die im Betrieb
der Brennkraftmaschine und bei Rotation der Nockenwelle 2 auftretende
Zentrifugalkraft ist das Schmiermittel 17 bestrebt, entlang
der Wandungsinnenfläche 10 einen Schmiermittelfluss 20 auszubilden,
da es durch die Zentrifugalkraft an die Wandungsinnenfläche 10 gedrückt
wird und nachfließendes Öl aus dem Bereich des
ersten Endes 6 der Nockenwelle 2 bestehendes Öl
in diesem Bereich verdrängt und in Richtung des zweiten
Endes 12 der Nockenwelle drückt. Um eine möglichst
wirksame Ausbildung dieses Effektes zu erreichen, ist der Hohlraum 4 bevorzugt
mit einem solchen Hohlraumdurchmesser d versehen, der relativ zu
einer Wandstärke s der Nockenwellenwandung 9 groß ist.
Der Hohlraumdurchmesser d beträgt demzufolge ein Vielfa ches
der Wandstärke s, die Wandstärke s ist im Vergleich
zum Hohlraumdurchmesser d gering. Benachbart zu Ringen 14,
bevorzugt in Nachbarschaft der dem ersten Ende 6 der Nockenwelle 2 jeweils
zugewandten Seite eines Ringes 14, weist die Nockenwellenwandung 9 eine
Schmiermittelaustrittsöffnung 21 auf, wobei es möglich
ist, Schmiermittelaustrittsöffnungen 21 auch nur
an jedem folgenden Ring 14 oder in anderen Abständen
vorzusehen. Die Schmiermittelaustrittsöffnungen 21 verlaufen
bevorzugt leicht schräg durch die Nockenwellenwandung 9,
und zwar in Fließrichtung des Schmiermittelflusses 20,
also von dem ersten Ende 6 der Nockenwelle 2 nach
außen hin weggerichtet. Die Schmiermittelaustrittsöffnungen 21 haben
einen um so weiteren Querschnitt, je weiter sie von dem ersten Ende 6 der
Nockenwelle 2, also dem Schmiermittelzufluss, entfernt
sind. Eine erste Schmiermittelaustrittsöffnung 22 weist
demzufolge einen deutlich geringeren Querschnitt auf als eine letzte
Schmiermittelautrittsöffnung 23. Hierdurch wird dem
Umstand Rechnung getragen, dass im Zuge des Schmiermittelflusses
durch die Nockenwelle 2 das Schmiermittelvolumen des Schmiermittelflusses 20 abnimmt,
da dieses durch Schmiermittelaustrittsöffnungen vom ersten
Ende 6 der Nockenwelle 2 an beginnend austritt,
sodass an der letzten Schmiermittelaustrittsöffnung 23 weniger
Schmiermittel 17 zur Verfügung steht als an der
ersten Schmiermittelaustrittsöffnung 22. Durch
die Rotation der Nockenwelle 2 wird das Schmiermittel 17 entsprechend
der auf es einwirkenden Zentrifugalkraft aus den Schmiermittelaustrittsöffnungen 21 herausgeschleudert
und vernebelt. Im Bereich der Ringe 14 und der zweiten
mechanischen Komponenten 15 bildet sich demzufolge ein
Schmiermittelnebel 24 aus, der zur Schmierung der zweiten
mechanischen Komponenten 15 verwendet wird. Der Schmiermittelnebel 24 schlägt
sich nämlich an den zweiten mechanischen Komponenten 15 nieder
und beaufschlagt deren Außenflächen und Grenzflächen,
so dass eine allseitige Schmierung erfolgt. Auf diese Weise lässt
sich mit dem von der ersten mechanischen Komponente 7,
nämlich dem Nockenwellensteller 8 ablaufendes
Schmiermittel 17, das im Stand der Technik durch Ablaufkanäle wieder
einem Ölsammelbehälter oder einem Ölsumpf
zugeführt wird, zusätzlich eine Reihe von zweiten
mechanischen Komponenten 15 schmieren, wodurch diesen nicht
separat durch Schmiermittelzuführkanäle frisches
Schmiermittel zugeführt werden muss. Querschnitt und Geometrien
der Schmiermittelaustrittsöffnungen 21 werden
bevorzugt so eingestellt, dass bei gegebenem Schmiermittelfluss 20, der
durch den Umfang und das Maß der Schmierung der ersten
mechanischen Komponente 7 bestimmt ist, eine vorteilhafte
Bildung von Schmiermittelnebel 24 erfolgt.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die Zuführung von Schmiermittel 17 auch
von einer endseitigen Öffnung 25 der Nockenwelle 2 an
deren erstem Ende 6 erfolgen, nicht durch Aufnahmebohrungen 19.
Die endseitige Öffnung 25 liegt hierzu bevorzugt zumindest bereichsweise
unterseitig in einem hier nicht dargestellten Ölablaufsammler,
der Schmiermittel 17, das von der ersten mechanischen Komponente 7 abläuft,
auffängt und durch die endseitige Öffnung 25 in
den Hohlraum 4 der Nockenwelle 2 einbringt. Hierbei
kann zusätzlich eine innenseitige Schmierung durch die
Aufnahmebohrungen 19 der ersten mechanischen Komponente 7 erfolgen;
alternativ können die Aufnahmebohrungen 19 in
diesem Fall entfallen oder in geringerer Anzahl vorhanden sein.
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Nockenwelle
- 3
- Drehachse
- 4
- Hohlraum
- 5
- Hohlwelle
- 6
- erstes
Ende
- 7
- erste
mechanische Komponente
- 8
- Nockenwellensteller
- 9
- Nockenwellenwandung
- 10
- Wandungsinnenfläche
- 11
- Wandungsaußenfläche
- 12
- zweites
Ende
- 13
- Nocken
- 14
- Ringe
- 15
- zweite
mechanische Komponente
- 16
- Rollenschlepphebel
- 17
- Schmiermittel
- 18
- Schmiermittelkanal
- 19
- Aufnahmebohrung
- 20
- Schmiermittelfluss
- 21
- Schmiermittelaustrittsöffnung
- 22
- erste
Schmiermittelaustrittsöffnung
- 23
- letzte
Schmiermittelaustrittsöffnung
- 24
- Schmiermittelnebel
- 25
- endseitige Öffnung
- l
- Baulänge
- d
- Hohlraumdurchmesser
- s
- Wandstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005022254
A1 [0002]