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Die
Erfindung betrifft eine Nockenwellen-Ventilsteuerung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Insbesondere
an moderne, für
den Einbau in Kraftfahrzeugen bestimmte Brennkraftmaschinen werden
besondere Anforderungen hinsichtlich einer kompakten Bauweise gestellt.
Hier haben sich Brennkraftmaschinen mit in zwei Reihen angeordneten
Zylindern bewährt,
wobei insbesondere die Bauweise als V-Maschine günstig ist, bei der in Längsrichtung
Zylinder beiden Zylinderreihen abwechselnd aufeinanderfolgen, und
zwar so, daß die
Zylinder der beiden Zylinderreihen sich auch in ihren zylinderkopfseitigen
Endbereichen in Querrichtung etwas überdeckt.
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Die
so gewonnene Verringerung der Abmessungen der Brennkraftmaschine
insbesondere in Längsrichtung
stellt verständlicherweise
besondere 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.
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Bei
der gattungsbildenden Nockenwellen-Ventilsteuerung nach der
DE 32 43 013 C2 wird dieses
Problem dadurch gelöst,
daß oberhalb
der beiden Ventilreihen jeweils eine Nockenwelle angeordnet 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.
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Diese
bekannte Ventilsteuerung bietet den Vorteil, daß die Steuerzeiten 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 unterschiedlichen Zylinderreihen
zugeordnet sind. Zwecks schmaler Bauweise sind bei dem gattungbildenden
Stand der Technik die Auslaßventile 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 Volumenschwerpunkt außen liegt,
wodurch die Brennwege nicht optimal kurz gehalten werden können. Die
dadurch hervorgerufene Verlängerung
der Verbrennung kann zu Wirkungsgradnachteilen führen. Die Frischgaseinströmung 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 Zylinderreihe 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 Kompromiß trifft, nur die Zylinder
einer Zylinderreihe emissions- oder verbrauchsoptimal betrieben
werden können.
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Der
bei dem zitierten Stand der Technik vorgesehene direkte Tassenstößelantrieb
der Ventile läßt den Einsatz
reibungsmindernder Rollen nur dann zu, wenn man eine Vergrößerung der
Bauhöhe der
Brennkraftmaschine in Kauf nimmt.
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Die
erwähnten
Schwierigkeiten hinsichtlich Brennraumform und Liefergrad vermeidet
die ebenfalls für
eine Reihen-V-Maschine vorgesehene Ventilsteuerung nach der
DE 29 43 757 C2 jedoch
infolge Verwendung einer allen Ventilen der Maschine gemeinsamen
einzigen Nockenwelle unter Inkaufnahme des Verzichts auf die Möglichkeit
einer Verstellung der Ventilsteuerzeiten der Ein- und Auslaßventile
durch einfache Nockenwellen-Relativverdrehung.
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Auch
die Ventilsteuerung nach der
DE 38 31 333 A1 , die ebenfalls für eine Reihen-V-Maschine konzipiert
ist, vermeidet die skizzierten Schwierigkeiten hinsichtlich Brennraumform
und Füllungsgrad,
jedoch unter Einsatz einer dritten Nockenwelle, wobei eine der Nockenwellen
allen Einlaßventilen
der Maschine und jeweils eine der beiden weiteren, außen liegenden
Nockenwellen den Auslaßventilen
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.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Nockenwellen-Ventilsteuerung zu
schaffen, die unter Wahrung ihrer grundlegenden Vorteile hinsichtlich
Brennraumform und Gleichmäßigkeit
der Belieferung aller Zylinder optimiert ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs,
vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
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Die
Erfindung behält
also das Prinzip des gattungsbildenden Standes der Technik, nämlich die Verwendung
jeweils einer Einlaß-
und Auslaßnockenwelle
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.
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Bezüglich einzelner
in den Unteransprüche angegebener
Merkmale sei erwähnt,
daß mit
Rollen bestückte
Kipphebel aus der
DE
39 29 486 A1 , mit Ventilspielausgleichsvorrichtungen bestückte Betätigungshebel
aus der
DE 37 08 676
A1 , in Kipphebelachsen angeordnete Ölbohrungen aus der
EP 0 023 250 A1 ,
sowie nur jeweils zwei Kipphebeln zugeordnete Schwenkachsen aus
der
DE 40 31 462 A1 ,
an sich bekannt sind.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren 1 und 3 Querschnitte durch die hier interessierenden
Bereiche einer Reihen-V-Brennkraftmaschine wiedergeben, während 2 eine Draufsicht auf die
Maschine nach 1 im Bereich eines
der Zylinder zeigt.
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Betrachtet
man zunächst 1, so sind der Zylinderkopf 1 und
der Zylinderblock 2 längs
der Trennebene 3 in üblicher
Weise unter Zwischenlage von Dichtungen zusammengesetzt. Senkrecht
zur Zeichenebene erstrecken sich in Längsrichtung der Maschine zwei
Zylinderreihen, 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 Zeichenebene, gegeneinander versetzt
und stehen auf Lücke, d.
h. sie überlappen
sich, wie im mittleren unteren Teil der 1 erkennbar, in Querrichtung etwas. Diese Bauweise
hat den Vorteil, besonders kurz zu bauen, ohne daß eine übermäßige Breite
der Maschine in Kauf genommen werden muß.
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Jedem
Zylinder der beiden Zylinderreihen sind in diesem Ausführungsbeispiel
zwei Einlaß-
und zwei Auslaßventile
zugeordnet, von denen bezüglich des
Zylinders 4 nur das Einlaßventil 9 und das
Auslaßventil 10 erkennbar
sind; die beiden anderen Ventile dieses Zylinders liegen ebenso
wie die Ventile der weiteren Zylinder dieser 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.
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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 senkrechten
Ebene 17 bzw. 18 in einer senkrecht zur Zeichenebene
längsverlaufenden
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.
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Durch
diese winkelsymmetrische Anordnung der jeweils einer Zylinderreihe
zugeordneten Ein- und Auslaßventile
ergibt sich, wie bezüglich
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.
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Allen
Ventilen sind in üblicher
Weise Schließfedern
zugeordnet, von denen nur die mit 25 und 26 bezeichneten
erkennbar sind. Der Antrieb aller Ventile erfolgt über in diesem
Ausführungsbeispiel
identische Schlepphebel, von denen jeweils einer jedem Ventil zugeordnet
ist und von denen nur die mit 27 und 28 bezeichneten
erkennbar 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 1 hintereinander
liegenden Schlepphebeln eine Lagerachse gemeinsam ist. Dies bietet
Vorteile hinsichtlich der Unterbringung der Bohrungen für die Zündkerzen,
von denen in 1 nur die
der Zündkerze 24 zugeordnete
Bohrung 24a dargestellt ist. Auch geben derartige "kurze" Schwenkachsen 29 und 30 Platz
für die
Einführung
von Montage- und Bearbeitungswerkzeugen.
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Die
Lagerachsen 29 und 30 sind mit Ölbohrungen 31 und 32 zur
Speisung 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 Fertigungsvereinfachung bzw. -verbilligung ergibt.
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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 Vergrößerung der
Bauhöhe
die Bestückung
der Schlepphebel mit Rollen 35 und 36 in denjenigen
Bereichen, die mit der jeweiligen Nockenwelle 15 bzw. 16 zusammenwirken.
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In 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.
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Zur
Unterbringung der Zündkerzenbohrung 24a besitzt
die Nockenwelle 15 die örtliche
Durchmesserverringerung 37 in einem Bereich, der weder zum
Tragen von Nocken noch zur Lagerung der Nockenwelle 15 dient.
In 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
Bearbeitungs- oder Montagewerkzeugen zu schaffen. Entsprechende
Durchtrittsbereiche für
ein Werkzeug zur Bearbeitung der Ventilfederauflage bzw. für Ventilteller
und Ventilfeder bei der Montage sind mit 38 bezeichnet.
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Die
Konstruktion nach 3 ist ähnlich der bereits
anhand der 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 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 1 beschriebenen
weise winkelsymmetrisch bezüglich
der senkrechten Ebene 59 bzw. 60 angeordnet, die
durch den Schnittpunkt 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 einschließenden Ventilachsen
andererseits vor. Bei unterschiedlich langen Ventilschäften können sich
dennoch unterschiedliche Abstandsverhältnisse ergeben, so daß den einzelnen Ventilen
unterschiedlich konstruierte Schlepphebel 67, 68, 69 und 70 zugeordnet
sind. In dem Ausführungsbeispiel
nach 3 sind diese verschiedenen Schlepphebel
nicht identisch; sie sind jedoch alle so aufgebaut, daß sie gleiche Übersetzungen
der Nockenhübe
bewirkt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel
sind die Schlepphebel mit reibungsmindernden 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.
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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.
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Die
Schwenkachsen 71 und 72 müssen verständlicherweise seitlich der
Bohrungen 73 und 74 für die Zündkerzen 75 und 76 verlaufen.
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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 können, und daß andererseits
eine qualitäts-
und quantitätsmäßig gleichmäßige Versorgung
aller Zylinder der Maschine bei optimaler Brennraumform sichergestellt
ist.