DE102010036899A1

DE102010036899A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010036899A1
Application number: DE102010036899A
Authority: DE
Inventors: Frank Ickinger; Joachim Grünberger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-09
Also published as: KR20120013906A; CN102373983A; US20120031361A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, einem Kurbelgehäuse, einem Zylinderkopf und einem Zylinderkopfdeckel, wobei der Zylinderkopf aus einem Zylinderkopfunterteil und einem zwischen dem Zylinderkopfdeckel und dem Zylinderkopfunterteil positionierten Nockenwellengehäuse gebildet ist, und zur Betätigung von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine mindestens eine Nockenwelle und ein auf der Nockenwelle axial verschiebbarer Schiebenocken vorgesehen sind, der einen Kulissenabschnitt aufweist, wobei zur Bewirkung einer axialen Verschiebung des Schiebenockens ein Aktuator mit einem betätigbaren Stift vorgesehen ist. Weiterhin sind die Nockenwelle und der Schiebenocken im Nockenwellengehäuse positioniert, wobei die zur Ventilbetätigung drehbar gelagerten Nockenwelle mit dem axial verschiebbaren Schiebenocken im Nockenwellengehäuse derart angeordnet sind, dass diese als eine vormontierte Einheit an das Zylinderkopfunterteil anbringbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei modernen Brennkraftmaschinen werden zur Optimierung der Ladungsbewegung im Brennraum variable Ventiltriebe verwendet, mit denen bei den Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine unterschiedliche Ventilhübe eingestellt werden können. Aus der DE 196 11 541 C1 ist ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, mit dem die Betätigung eines Gaswechselventils mit mehreren unterschiedlichen Hubkurven ermöglicht wird. Hierzu ist auf der Nockenwelle ein Schiebenocken mit mehreren Nockenbahnen drehfest aber axial verschieblich gelagert, der eine Hubkontur aufweist, in die ein Betätigungselement in Form eines Stifts zur Erzeugung einer axialen Verschiebung des Nockens eingreift. Durch die axiale Verschiebung des Nockens wird beim jeweiligen Gaswechselventil ein unterschiedlicher Ventilhub eingestellt.
In der DE 10 2007 027 979 A1 ist ein Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine mit einem Nockenwellen-Tunnellager beschrieben, der auf einer Nockenwelle verschiebbare Nockenstücke umfasst, wobei zwischen zwei für die Betätigung von Gaswechselventilen eines Zylinders vorgesehenen Schiebenockenstücke ein Radiallager der Nockenwelle positioniert ist. Die bisher bekannten Lagerungen eines Ventiltriebs mit einem Schiebenockenpaket sind aufwendig und bieten begrenzte Flexibilität.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Anordnung eines Ventiltriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, insbesondere hinsichtlich der Positionierung und der Montage eines Schiebenockensystems im Zylinderkopf, zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Nockenwellen und die Schiebenocken im Nockenwellengehäuse positioniert sind, wobei die zur Ventilbetätigung drehbar gelagerte Nockenwelle mit dem axial verschiebbaren Schiebenocken im Nockenwellengehäuse derart montierbar ist, dass die Nockenwelle, der Schiebenocken und das Nockenwellengehäuse zusammen eine vormontierte Einheit bilden, welche an das Zylinderkopfunterteil anbringbar ist. Somit erfolgt eine vorteilhafte Unterbringung eines Ventiltriebs mit einer kompakten Schiebenockeneinrichtung für die Betätigung der Gaswechselventile eines Zylinders in einem Nockenwellengehäuse, die vormontiert werden kann, bevor die Anbringung des Nockenwellengehäuses ans Zylinderkopfunterteil durchgeführt wird. Das führt zu einer vereinfachten Montage der Brennkraftmaschine und ermöglicht daher aufgrund der vereinfachten Handhabe und der vorab geprüften und vormontierten Einheit eine zuverlässige qualitätsgesicherte sowie eine kostengünstige Produktion der Brennkraftmaschine.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die zur Bewirkung der axialen Verschiebung des Schiebenockens vorgesehenen Aktuatoren in einem seitlichen Bereich des Nockenwellengehäuses angeordnet. Zweckmäßigerweise ist hierzu eine seitliche Wandung des Nockenwellengehäuses zur Aufnahme der Aktuatoren mit mehreren darin angeordneten Öffnungen versehen. Durch die seitliche Anordnung der Aktuatoren können diese in das Nockenwellengehäuse mit weniger Aufwand als bisher eingeführt und die Aufbautoleranzen reduziert werden, wobei diese dann derart aufgenommen sind, dass eine Bauhöhe eines Zylinderkopfes auf ein Minimum reduziert wird. Somit erfolgt eine besonders kompakte und vereinfachte Anordnung der Brennkraftmaschine, wobei durch die für die Aufnahme der Aktuatoren vorgesehenen seitlichen Öffnungen die Anschlussmöglichkeiten der Aktuatoren, beispielsweise an einem Steuergerät der Brennkraftmaschine, vereinfacht werden. Darüber hinaus kann insbesondere die Ausgestaltung des Zylinderkopfdeckels vereinfacht ausgeführt werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Schiebenocken pro Zylinder ein einzelner Aktuator für die Betätigung der einlassseitigen oder auslassseitigen Gaswechselventile zugeordnet. Insbesondere sind der Schiebenocken und der Aktuator im Nockenwellengehäuse räumlich zwischen zwei Lagerstellen der Nockenwelle positioniert. Vorzugsweise sind mit einem Schiebenocken pro Zylinder mindestens zwei oder drei Gaswechselventile betätigbar, wobei der am Schiebenocken angeordnete Kulissenabschnitt zwischen zwei Nockenabschnitte positioniert ist, welche jeweils für die Betätigung der Gaswechselventile dienen und jeweils mehrere Nockenbahnen aufweisen. Folglich liegt eine kompakte Schiebenockenform vor, mit der die Betätigung von zwei nahe zueinander positionierten Gaswechselventilen funktionssicher bewirkt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Nockenwellenverstelleinrichtung und das Antriebsrad mit der Nockenwelle verbunden, im Nockenwellengehäuse angeordnet und bilden in vorteilhafter Weise ein Teil der vormontierten Einheit.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine der Boxer-Bauart,
2 eine Schnittansicht des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine aus 1,
3 eine weitere Schnittansicht des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine aus 1,
4 eine perspektivische Ansicht eines Nockenwellengehäuses der Brennkraftmaschine aus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform,
5 eine weitere perspektivische Ansicht der Brennkraftmaschine aus 1 gemäß der ersten Ausführung,
6 eine perspektivische Ansicht eines Nockenwellengehäuses der Brennkraftmaschine nach 1 gemäß einer zweiten Ausführung und
7 eine perspektivische Ansicht des Nockenwellengehäuses der Brennkraftmaschine nach 1 mit einstückig am Nockenwellengehäuse ausgebildeten Lagereinrichtungen.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 der Boxer-Bauart gezeigt, die aus zwei liegend angeordneten Zylinderreihen 1a und 1b gebildet ist. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ein Kurbelgehäuse 2 und pro Zylinderreihe 1a bzw. 1b jeweils einen Zylinderkopf 3, der nach Außen von einem Zylinderkopfdeckel 4 begrenzt ist. Der Zylinderkopf 3 setzt sich aus einem Zylinderkopfunterteil 5 und einem Nockenwellengehäuse 6 zusammen.
Gemäß 2 sind im Nockenwellengehäuse 6 zur Steuerung von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine 1 eine Einlassnockenwelle 7 und eine Auslassnockenwelle 8 gelagert. Erfindungsgemäß wird das Nockenwellengehäuse 6 als eine vorgefertigte Einheit an das Zylinderkopfunterteil 5 angebracht und mit diesem verschraubt. Hierzu sind mehrere Schrauben 11 vorgesehen. Nach der Montage des Nockenwellengehäuses 6 am Zylinderkopfunterteil 5 erfolgt die Anbringung des Zylinderkopfdeckels 4 an das Nockenwellengehäuse 6. Zur Befestigung des Zylinderkopfdeckels 4 am Nockenwellengehäuse 6 sind mehrere Schrauben 12 vorgesehen.
Pro Zylinder sind zwei Einlassventile 9 und zwei Auslassventile 10 vorgesehen, wobei die Einlassventile 9 von der Einlassnockenwelle 7 in bekannter Weise gesteuert betätigt werden. Die Auslassventile 10 werden von der Auslassnockenwelle 8 gesteuert betätigt. Hierzu weist die im Nockenwellengehäuse 6 gelagerte Einlassnockenwelle 7 bzw. die Auslassnockenwelle 8 jeweils mehrere Schiebenocken 13 auf. In 3 ist eine Schnittansicht durch die Einlassnockenwelle 7 dargestellt, welche mit Hilfe von Rollenschlepphebeln 21 die zwei Einlassventile 9 betätigt. Gemäß 3 ist der Schiebenocken 13 aus einem in der Mitte positionierten Kulissenabschnitt 15 und zwei äußeren Nockenabschnitten 14 gebildet. Jeder äußere Nockenabschnitt 14 umfasst drei Nockenbahnen 17, mit jeder ein unterschiedlicher Ventilhub eingestellt wird. Alternativ können an jedem äußeren Nockenabschnitt 14 zwei Nockenbahnen anstelle von drei angeordnet sein.
Wie in 4 oder 5 zu sehen ist, ist jedem Schiebenocken 13 ein Aktuator 16 zugeordnet, der einen ausfahrbaren nicht dargestellten Stift aufweist, der mit dem Kulissenabschnitt 15 zusammenwirkt. Dadurch erfolgt eine axiale Verschiebung des Schiebenockens 13 in einem Bereich zwischen zwei Nockenwellenlagern. Durch die axiale Verschiebung des Schiebenockens 13 wird das jeweilige Ventil gezielt mit einer bestimmten Nockenbahn betätigt, so dass eine unterschiedliche Ventilhubeinstellung erfolgt. Die Funktion des verschiebbaren Nockens 13 kann beispielsweise gemäß der Druckschrift DE 196 11 641 C1 ausgeführt werden.
Der in 3 dargestellte Schiebenocken 13 umfasst für jedes Ventil drei Nockenbahnen 17, die axial verschiebbar sind. Alternativ können für jedes Ventil zwei Nockenbahnen anstelle von drei angeordnet sein. An einem Ende jeder Nockenwelle 7, 8 ist jeweils eine Nockenwellenverstelleinrichtung 18 und ein Antriebsrad 19 gemäß 4 angebracht. Die Nockenwellenverstelleinrichtung 18 wird hydraulisch oder elektrisch betätigt, mit der ein Nockenwellenwinkel verstellt wird, um die Steuerzeiten der Brennkraftmaschine zu verändern. Das Antriebsrad 19 ist als Kettenrad ausgeführt und dient dazu, die jeweilige Nockenwelle anzutreiben. Hierzu ist das Antriebsrad 19 über eine nicht dargestellte Antriebskette mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 gekoppelt.
Zur Lagerung der Nockenwellen 7 und 8 sind beispielsweise jeweils drei Radiallagereinrichtungen 20 vorgesehen, welche einen unteren Lagerringkörper 23 umfassen, der einstückig mit dem Nockenwellengehäuse 6 ausgebildet ist. Bei einer Brennkraftmaschine der V-Bauart mit 8 Zylindern sind beispielsweise vier Radiallagereinrichtungen 20 vorgesehen. Weiterhin umfasst jede Radiallagereinrichtung 20 einen Einzellagerdeckel 22, der mit dem unteren Ring mit Hilfe von beispielsweise zwei Schrauben am Nockenwellengehäuse 6 befestigt ist. Alternativ sind die Einzellagerdeckel gemäß 7 einstückig mit dem Nockenwellengehäuse 6 ausgebildet. In diesem Fall liegt eine tunnelartige Radiallagereinrichtungen 20a vor. Hier wird die jeweilige Nockenwelle 7 bzw. 8 zur Montage am Nockenwellengehäuse 6 durch eine entsprechende Öffnung 28 eingeschoben. Die Schiebenocken 13 werden an der entsprechenden Stelle zwischen den jeweiligen Radiallagereinrichtungen 20a derart in Stellung gebracht, dass die jeweilige Nockenwelle 7 bzw. 8 dann in diese eingeschoben wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Nockenwellen 7 und 8 am Nockenwellengehäuse 6 vormontiert und mit dem jeweiligen Nockenwellenversteller 18 und dem Antriebsrad 19 verbunden. Demnach liegt eine vormontierte Nockenwellengehäuseeinheit vor, die in einem einzigen Montageschritt am Zylinderkopfunterteil 5 angebracht wird.
Das Nockenwellengehäuse 6 umfasst zwei Endabschnitte 24 und 25, zwischen denen sich zwei seitliche Wandungen bzw. Randteile 26 und 27 erstrecken. Die Nockenwellen 7 und 8 erstrecken sich in axialer Richtung parallel zu den seitlichen Wandungen 26 und 27 und werden in axialer Richtung von den beiden Endabschnitten 24 und 25 begrenzt.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 4 ist das vormontierte Nockenwellengehäuse 6 zusammen mit den Nockenwellen 7 und 8 dargestellt. Die zusammen verschraubten Teile Zylinderkopfdeckel 4, Nockenwellengehäuse 6 und Zylinderkopfunterteil 5 sind in 2 dargestellt. Sowohl an der Einlassnockenwelle 7 als auch an der Auslassnockenwelle 8 ist für jeden Zylinder jeweils ein einzelner Schiebenocken 13 vorgesehen, zwischen dem und dem jeweiligen Gaswechselventil jeweils ein Rollenschlepphebel 21 angeordnet ist.
Die drehfest mit der jeweiligen Nockenwelle verbundenen Schiebenocken 13 ermöglichen eine Ventilhubverstellung. Der Nockenwellenwinkel kann durch die jeweilige Nockenwellenverstelleinrichtung verändert werden. Der Antrieb der Nockenwelle 7 und 8 erfolgt durch das Antriebsrad 19. Je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 wird eine gezielte Verstellung des Ventilhubes und/oder des Nockenwellenwinkels vorgenommen, um beim jeweiligen Betriebpunkt einen bestmöglichen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 zu erreichen.
Bei dem in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Aktuatoren 16 im Nockenwellengehäuse 6 seitlich, vorzugsweise in der jeweiligen seitlichen Wandung 26 und 27, positioniert. Hierzu sind gemäß 5 jeweils eine entsprechende Öffnung 29 an der seitlichen Wandung 26 und 27 des Nockenwellengehäuses 6 vorgesehen, durch die der jeweilige Aktuator 16 eingeschoben wird. Durch die seitliche Anordnung der Aktuatoren 16 wird eine Bauraumhöhe des Nockenwellengehäuses 16 auf ein Minimum reduziert. Eine solche Anordnung ist insbesondere bei Boxer-Motoren von Vorteil, da diese im Fahrzeug liegende Zylinder aufweisen, und in der Breite mehr Bauraum beanspruchen als beispielsweise Reihen- oder V-Motoren.
In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem die Aktuatoren 16 im Nockenwellengehäuse 6 oberhalb der Nockenwellen 7 und 8 positioniert sind. Eine solche Anordnung eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen der V- oder Reihen-Bauart.
Die in 7 gezeigte Alternative eignet sich für beide Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hier sind die Einzellagerdeckel gemäß 7 mit dem Nockenwellengehäuse 6 einstückig ausgebildet, so dass die jeweilige Radiallagereinrichtungen tunnelartig ausgebildet ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein dreistufiges Schiebenockensystem für eine Brennkraftmaschine 1 mit einer vereinfachten Montage dargestellt, bei dem eine ausreichende Lagerbreite der Radiallager 20 für die Nockenwellen 7 und 8 bei geringen bzw. kleinen Ventil- und Zylinderabständen dargestellt werden können. Durch die Unterbringung der Aktuatoren 16 im Nockenwellengehäuse 6 können die Toleranzen für die Funktion der Schiebenocken 13 gering gehalten werden, da die Bearbeitung der Nockenwellenlager 20 sowie die Bearbeitungen für die Aufnahme der Aktuatorik und der Nockenwellenverstelleinrichtung 18 in einem Bauteil bearbeitet werden können. Darüber hinaus kann das Nockenwellengehäuse 6 mit den vormontierten Nockenwellen 7, 8 und Aktuatoren 16 als eine Einheit bei der Herstellung der Brennkraftmaschine 1 angeliefert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19611541 C1 [0002]
DE 102007027979 A1 [0003]
DE 19611641 C1 [0021]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindern, einem Kurbelgehäuse (2), einem Zylinderkopf (3) und einem Zylinderkopfdeckel (4), wobei der Zylinderkopf (3) aus einem Zylinderkopfunterteil (5) und einem zwischen dem Zylinderkopfdeckel (4) und dem Zylinderkopfunterteil (5) positionierten Nockenwellengehäuse (6) gebildet ist, und zur Betätigung von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine (1) mindestens eine Nockenwelle (7, 8) und ein auf der Nockenwelle (7, 8) axial verschiebbarer Schiebenocken (13) vorgesehen sind, der einen Kulissenabschnitt (15) aufweist, wobei zur Bewirkung einer axialen Verschiebung des Schiebenockens (13) ein Aktuator (16) mit einem betätigbaren Stift vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (7, 8) und der Schiebenocken (13) im Nockenwellengehäuse (6) positioniert sind, wobei die zur Ventilbetätigung drehbar gelagerte Nockenwelle (7, 8) mit dem axial verschiebbaren Schiebenocken (13) im Nockenwellengehäuse (6) derart montierbar ist, dass die Nockenwelle (7, 8), der Schiebenocken (13) und das Nockenwellengehäuse (6) eine vormontierte Einheit bilden, welche an das Zylinderkopfunterteil (5) anbringbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bewirkung der axialen Verschiebung des Schiebenockens vorgesehenen Aktuatoren in einem seitlichen Bereich des Nockenwellengehäuses angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellengehäuse zur Aufnahme der Aktuatoren mit mehreren seitlich positionierten Öffnungen versehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Betätigung der einlassseitigen oder auslassseitigen Gaswechselventile pro Zylinder jedem Schiebenocken ein einzelner Aktuator zugeordnet ist, wobei der Schiebenocken und der Aktuator im Nockenwellengehäuse räumlich zwischen zwei Lagerstellen der Nockenwelle positioniert sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Schiebenocken mindestens zwei Gaswechselventile betätigbar sind, wobei der am Schiebenocken angeordnete Kulissenabschnitt zwischen zwei Nockenabschnitte positioniert ist, welche jeweils für die Betätigung der Gaswechselventile dienen und jeweils mehrere Nockenbahnen aufweisen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende der Nockenwelle eine Nockenwellenverstelleinrichtung und/oder mindestens ein Antriebsrad angebracht ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellenverstelleinrichtung und das Antriebsrad mit der Nockenwelle verbunden und im Nockenwellengehäuse zur Bildung eines Teils der vormontierten Einheit angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellenverstelleinrichtung elektrisch angetrieben wird.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellengehäuse zur Lagerung der Nockenwellen mehrere Lagereinrichtungen aufweist, die einstückig mit dem Nockenwellengehäuse ausgebildet sind.