EP1854967B1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb - Google Patents

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb Download PDF

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EP1854967B1
EP1854967B1 EP20070006942 EP07006942A EP1854967B1 EP 1854967 B1 EP1854967 B1 EP 1854967B1 EP 20070006942 EP20070006942 EP 20070006942 EP 07006942 A EP07006942 A EP 07006942A EP 1854967 B1 EP1854967 B1 EP 1854967B1
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EP
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cylinder head
adjusting
adjusting element
variable
stroke
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Johannes Meyer
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • F01L13/0063—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque by modification of cam contact point by displacing an intermediate lever or wedge-shaped intermediate element, e.g. Tourtelot
    • F01L2013/0068—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque by modification of cam contact point by displacing an intermediate lever or wedge-shaped intermediate element, e.g. Tourtelot with an oscillating cam acting on the valve of the "BMW-Valvetronic" type
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    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/03—Auxiliary actuators
    • F01L2820/032—Electric motors

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine with a variable-stroke valve drive with the features of the preamble of claim 1.
  • valvetronic is here the name for a variable-stroke valve train, as it is for example in the German Offenlegungsschrift DE 101 23 186 A1 is described.
  • the gas exchange valve with the interposition of a transmission element with a movable about a rotation axis roller operatively connected to a, a Leerhubkurve and a lift cam control path, which is arranged in an end region of a stroke of the gas exchange valve controlled by a cam of a camshaft pivot lever.
  • the play-free by means of a spring on a roller cam associated with the pivot lever is the other hand for variable stroke adjustment of the gas exchange valve controlled by means of an adjustment position adjustable and fixable swing fulcrum supported along a circular path.
  • an adjustment position adjustable and fixable swing fulcrum supported along a circular path arranged on a housing part of the engine circular path is provided as a backdrop with a radius "R" about the axis of rotation of the roller of the transmission element for controlled positionally variable support of the pivot lever.
  • the adjusting device is a, arranged on an eccentric shaft gear segment. This gear segment is rotated by means of an adjusting element, an electric motor with a threaded screw.
  • the actuator is arranged geodetically above the variable stroke valve train.
  • the attachment of the actuating element is carried out by means of the valve cover. This arrangement can be seen, for example, from the BMW press release 6/2004 on the new BMW straight-six gasoline engine in pictures P0014646 and P0014647.
  • a cylinder head for an internal combustion engine having at least two cylinders, with a variable-stroke valve drive with a pivot lever, which is positively guided rotatably about an axis about a central axis.
  • the pivot lever is supported via a cam track on a driven member for actuating the gas exchange valve.
  • the actuation of the gas exchange valve takes place via a cam of a camshaft, which is in operative connection with a roller arranged on the side facing away from the curved path of the pivoting lever.
  • a servomotor rotates a cam via a threaded screw and thereby displaces the slide so that the gas exchange valve lift can be varied.
  • the longitudinal axis of the servomotor is largely aligned in the direction of the cylinder axis.
  • variable-stroke valve train From the JP-A-2004353643 is also known a variable-stroke valve train.
  • the cam of a camshaft acts on a rotatably mounted, semicircular transmission element with a working curve, which is in operative connection with a rocker arm, a.
  • the rocker arm in turn actuates a gas exchange valve.
  • an actuator can be moved via a worm gear, the pivot point of the transmission element, whereby the contact area of the working curve is changed on the rocker arm and thus the Gas monventilhub is variable.
  • the WO 2005/073523 A1 also discloses a cylinder head with a variable-stroke valve drive for an internal combustion engine.
  • a servomotor is provided, which is arranged transversely to a cylinder axis, that is lying in the cylinder head.
  • a disadvantage of the known prior art is a relatively large and thus "soft" design. Further, it is desirable for package reasons to reduce the size of a generic valve train. Also, temperature fluctuations in the actuator negatively affect the accuracy of the stroke adjustment of the valve train.
  • Object of the present invention is to avoid the above-mentioned disadvantages.
  • the adjusting element can be tempered by a lubricant or a coolant of the internal combustion engine.
  • the adjusting device according to claim 2 is changed either by a linear movement or a rotational movement of the actuating element in the position.
  • the embodiment according to claim 3 is a proven in practice actuator.
  • FIG. 1 shows a plan view of a portion of an inventively designed cylinder head 1 of an internal combustion engine, not shown.
  • the width of the section corresponds approximately to the diameter of a cylinder of the internal combustion engine.
  • the cylinder head 1 has two valve trains, a conventional valve train 2 'on an exhaust side and a variable-stroke valve train 2 on an inlet side. Since the exhaust-side valvetrain 2 'is a conventional valvetrain, this is not explained in the context of the present description.
  • the inlet-side, variable-stroke valve drive 2 largely corresponds to that in the DE 101 23 186 A1 described habvariable valve train.
  • a spark plug arranged in a sleeve.
  • a complete cylinder head 1, for example, for a six-cylinder internal combustion engine is composed of six illustrated sections, but waves, such. B. a camshaft 9 ', are provided in common for all sections.
  • Fig. 1 Between the control track 6 and the roller element 4 is on the pivot lever 3 another, in Fig. 1 also not recognizable roller element arranged, which is in operative connection with the cam 9.
  • the roller element 4 Upon rotation of the camshaft 9 'pivots the pivot lever 3 against a spring force of the spring 10 and pushes with its control cam. 6 the gas exchange valve in an open position.
  • the roller element 4 is supported next to the support on the slide track on an adjusting device 11, with a swing fulcrum of the roller element 4 can be moved parallel to the slide track.
  • the adjusting device 11 consists of an eccentric shaft with a gear segment. A displacement of the roller element 4 with an eccentric along the slide track causes a change in the Gas monventilhubes eighth
  • an actuating element 12 is provided, which is arranged according to the invention on the cylinder head 1.
  • the adjusting element 12 consists essentially of an electric machine with a meshing with the gear segment threaded screw 14.
  • a longitudinal axis 12 'of the adjusting element 12 is largely aligned in the direction of a cylinder longitudinal axis.
  • a portion of the control element 12 may also be integrated into the cylinder head 1.
  • the rigidity of the entire adjusting drive is further improved.
  • the adjusting device 11 can be rotated via a linear movement or a rotational movement of the actuating element 12. This can be done, for example, by hydraulic adjustment systems or electromechanical adjustment systems.
  • the electric machine is a brushless electric motor.
  • the adjusting element 12 prefferably be tempered with a lubricant or a coolant of the internal combustion engine in order to minimize thermal elongation within the entire adjustment mechanism.
  • a very compact arrangement in the Cylinder head is achieved when the actuator 12 is disposed between two ignition devices 15.
  • the arrangement of the actuating element 12 in the cylinder head 1 allows a very compact package, since no parts of the actuating element 12 or the necessary adjusting gear, gear segment and screw, project beyond the edges of the cylinder head 1.
  • the installation site offers the possibility of an optimal connection to a cooled with a coolant surface, so that a good cooling or temperature control of the control element 12 is possible.
  • the actuator 12 may also be cooled with a lubricant of the internal combustion engine.
  • no lubricant-tight seal the stator / rotor unit must be provided, as this also runs directly in the lubricant mist. This eliminates the disadvantage of friction of a shaft seal.
  • the actuator 12 can be checked for operability at the initial assembly or repair even with open cylinder head 1, so that in the case of failure, the cost of rework is much lower. For disassembly of a valve cover hood the actuator 12 does not have to be removed.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Die Erfindung geht von dem aktuellen BMW Reihensechszylinder-Ottomotor mit Magnesium-Kurbelgehäuse und Valvetronic aus. Valvetronic ist hierbei die Bezeichnung für einen hubvariablen Ventiltrieb, wie er beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 23 186 A1 beschrieben ist. Bei der hubvariablen Ventiltriebsvorrichtung steht das Gaswechselventil unter Zwischenschaltung eines Übertragungselementes mit einer um eine Drehachse beweglichen Rolle in Wirkverbindung mit einer, eine Leerhubkurve und eine Hubkurve umfassenden Steuerbahn, die in einem Endbereich eines zur Hubbetätigung des Gaswechselventils von einem Nocken einer Nockenwelle gesteuerten Schwenkhebels angeordnet ist. Der mittels einer Feder über eine Rolle dem Nocken spielfrei zugeordnete Schwenkhebel ist andernends zur variablen Hubverstellung des Gaswechselventils über einen mittels einer Verstelleinrichtung gesteuert lageveränderbaren und fixierbaren Schwingdrehpunkt längs einer Kreisbahn abgestützt. Zur Erzielung einer rein rotatorischen Bewegung bzw. reinen Schwenkbewegung des Schwenkhebels um seinen Schwingdrehpunkt ist eine, an einem Gehäuseteil der Brennkraftmaschine angeordnete Kreisbahn als Kulisse mit einem Radius "R" um die Drehachse der Rolle des Übertragungselementes zur gesteuerten lageveränderbaren Abstützung des Schwenkhebels vorgesehen. Die Verstelleinrichtung ist ein, an einer Exzenterwelle angeordnetes Zahnradsegment. Dieses Zahnradsegment wird mit Hilfe eines Stellelementes, einem Elektromotor mit einer Gewindeschnecke verdreht. Bei der derzeitigen baulichen Ausführung ist das Stellelement geodätisch oberhalb des hubvariablen Ventiltriebs angeordnet. Die Befestigung des Stellelementes erfolgt mit Hilfe des Ventildeckels. Ersichtlich ist diese Anordnung beispielsweise aus der BMW Presseinformation 6/2004 über den neuen BMW Reihensechszylinder-Ottomotor in den Bildern P0014646 und P0014647.
  • Weiter ist aus der WO 2004/085804 A1 ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern bekannt, mit einem hubvariablen Ventiltrieb mit einem Schwenkhebel, der in etwa mittig von einem Schieber um eine Achse drehbar zwangsgeführt ist. Gaswechselventilseitig ist der Schwenkhebel über eine Kurvenbahn auf einem Abtriebsglied abgestützt, zur Betätigung des Gaswechselventils. Die Betätigung des Gaswechselventils erfolgt über einen Nocken einer Nockenwelle, die mit einer, an der, der Kurvenbahn des Schwenkhebels abgewandten Seite angeordneten Rolle in Wirkverbindung steht. Ein Stellmotor verdreht über eine Gewindeschnecke eine Kurvenscheibe und verschiebt dadurch den Schieber, so dass der Gaswechselventilhub variiert werden kann. Hierbei ist die Längsachse des Stellmotors weitgehend in Richtung der Zylinderachse ausgerichtet.
  • Aus der JP-A-2004353643 ist ebenfalls ein hubvariabler Ventiltrieb bekannt. Bei diesem Ventiltrieb wirkt der Nocken einer Nockenwelle auf ein drehbar gelagertes, halbkreisförmiges Übertragungselement mit einer Arbeitskurve, die mit einem Schwinghebel in Wirkverbindung steht, ein. Der Schwinghebel betätigt wiederum ein Gaswechselventil. Mit Hilfe eines Stellelementes kann über ein Schneckengetriebe der Drehpunkt des Übertragungselementes verschoben werden, wodurch der Anlagebereich der Arbeitskurve auf dem Schwinghebel verändert wird und somit der Gaswechselventilhub veränderbar ist.
  • Die WO 2005/073523 A1 offenbart ebenfalls einen Zylinderkopf mit einem hubvariablen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine. Zur Verstellung der Hubhöhe der Gaswechselventile ist ein Stellmotor vorgesehen, der quer zu einer Zylinderachse, d. h. liegend in dem Zylinderkopf angeordnet ist.
  • Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist eine relativ große und somit "weiche" Bauform. Weiter ist es aus Packagegründen wünschenswert, die Baugröße eines gattungsgemäßen Ventiltriebes zu verringern. Auch wirken sich Temperaturschwankungen im Stellelement negativ auf die Genauigkeit der Hubeinstellung des Ventiltriebs aus.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, oben genannte Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.
  • In vorteilhafter Weise wird durch die vorgeschlagene Ausgestaltung nicht nur die Baugröße des Zylinderkopfes reduziert, sondern darüber hinaus die Steifigkeit der Anbindung des Stellelementes an die Verstelleinrichtung verbessert. Auch wird die Steifigkeit des gesamten Verstellantriebes, bestehend aus dem Stellelement und der Verstelleinrichtung, nochmals verbessert. Um Längenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen im Verstellantrieb möglichst gering zu halten, kann das Stellelement von einem Schmiermittel oder einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine temperiert werden.
  • In bevorzugter Weise wird die Verstelleinrichtung gemäß Patentanspruch 2 entweder durch eine Linearbewegung oder eine Drehbewegung des Stellelementes in der Lage verändert.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist ein in der Praxis bewährtes Stellelement.
  • Bei Verwendung eines bürstenlosen Elektromotors gemäß Patentanspruch 4 muss keine öldichte Abdichtung der Stator-/Rotoreinheit vorgesehen werden, da diese auch direkt im Ölnebel läuft. Damit entfällt der Reibungsnachteil eines Wellendichtringes.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
    • Figur 1
    zeigt eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines erfindungsgemäß ausgestalteten Zylinderkopfes.
  • Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines erfindungsgemäß ausgestalteten Zylinderkopfes 1 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine. Die Breite des Abschnittes entspricht in etwa dem Durchmesser eines Zylinders der Brennkraftmaschine. Der Zylinderkopf 1 verfügt über zwei Ventiltriebe, einen konventionellen Ventiltrieb 2' auf einer Auslassseite sowie einen hubvariablen Ventiltrieb 2 auf einer Einlassseite. Da es sich bei dem auslassseitigen Ventiltrieb 2' um einen konventionellen Ventiltrieb handelt, wird dieser im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher erläutert. Der einlassseitige, hubvariable Ventiltrieb 2 entspricht weitgehend dem in der DE 101 23 186 A1 beschriebenen habvariablen Ventiltrieb. Zwischen dem einlassseitigen hubvariablen Ventiltrieb 2 und dem auslassseitigen Ventiltrieb 2' ist eine Zündanordnung 15, eine Zündkerze, in einer Hülse angeordnet. Ein vollständiger Zylinderkopf 1, beispielsweise für eine sechszylindrige Brennkraftmaschine, setzt sich aus sechs dargestellten Abschnitten zusammen, wobei jedoch Wellen, wie z. B. eine Nockenwelle 9', gemeinsam für alle Abschnitte vorgesehen sind.
  • Im Folgenden ist die Funktionsweise des hubvariablen Ventiltriebs 2 kurz dargestellt:
    • Der hubvariable Ventiltrieb 2 besteht im Wesentlichen aus einem Schwenkhebel 3 mit einem Rollenelement 4, sowie einer Kulisse 5 mit einer Kulissenbahn, einem Zwischenelement 7, einem Gaswechselventil 8, einem Nocken 9, der auf einer Nockenwelle 9' angeordnet ist, sowie einer Feder 10 und einer Verstelleinrichtung 11. Der Schwenkhebel 3 stützt sich einerseits über das Rollenelement 4 auf der Kulissenbahn der Kulisse 5 und andererseits mit einer Steuerbahn 6 auf dem Zwischenelement 7 ab. Das Zwischenelement 7 ist ein Rollenschlepphebel, dessen Rolle um eine Drehachse drehbar ist. Die Drehachse ist gleichzeitig der Mittelpunkt der Kulissenbahn entsprechend einer Nullhubstellung. Das Zwischenelement 7 stützt sich einerseits der Rolle auf einem Spielausgleichselement 16, hier einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement und andererseits auf dem Gaswechselventil 8 ab.
  • Zwischen der Steuerbahn 6 und dem Rollenelement 4 ist an den Schwenkhebel 3 ein weiteres, in Fig. 1 ebenfalls nicht erkennbares Rollenelement angeordnet, welches mit dem Nocken 9 in Wirkverbindung steht. Bei Drehung der Nockenwelle 9' schwenkt der Schwenkhebel 3 entgegen einer Federkraft der Feder 10 und drückt mit seiner Steuerkurve 6 das Gaswechselventil in eine Öffnungsstellung. Das Rollenelement 4 ist neben der Abstützung auf der Kulissenbahn weiter an einer Verstelleinrichtung 11 abgestützt, mit der ein Schwingdrehpunkt des Rollenelements 4 parallel zur Kulissenbahn verschoben werden kann. Die Verstelleinrichtung 11 besteht aus einer Exzenterwelle mit einem Zahnradsegment. Eine Verschiebung des Rollenelementes 4 mit einem Exzenter entlang der Kulissenbahn bewirkt eine Veränderung des Gaswechselventilhubes 8.
  • Zur Verstellung der Verstelleinrichtung 11 ist ein Stellelement 12 vorgesehen, welches erfindungsgemäß am Zylinderkopf 1 angeordnet ist. Das Stellelement 12 besteht im Wesentlichen aus einer Elektromaschine mit einer mit dem Zahnradsegment kämmenden Gewindeschnecke 14. Eine Längsachse 12' des Stellelementes 12 ist weitgehend in Richtung einer Zylinderlängsachse ausgerichtet.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann ein Abschnitt des Stellelementes 12 auch in den Zylinderkopf 1 integriert sein. Mit dieser Ausgestaltungsvariante wird die Steifheit des gesamten Verstellantriebes nochmals verbessert. Ebenfalls in weiteren Ausführungsbeispielen kann die Verstelleinrichtung 11 über eine lineare Bewegung oder eine Drehbewegung des Stellelementes 12 verdreht werden. Dies kann beispielsweise durch hydraulische Verstellsysteme oder elektromechanische Verstellsysteme erfolgen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Falle eines elektromechanischen Verstellsystems die Elektromaschine ein bürstenloser Elektromotor.
  • Auch ist es in weiteren Ausführungsformen möglich, das Stellelement 12 mit einem Schmiermittel oder einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine zu temperieren, um Wärmelängungen innerhalb des gesamten Verstellmechanismus zu minimieren. Eine sehr kompakte Anordnung im Zylinderkopf wird erzielt, wenn das Stellelement 12 zwischen zwei Zündeinrichtungen 15 angeordnet ist.
  • Die Anordnung des Stellelementes 12 im Zylinderkopf 1 ermöglicht ein sehr kompaktes Package, da keinerlei Teile des Stellelementes 12 oder des notwendigen Stellgetriebes, Zahnradsegment und Gewindeschnecke, über die Berandungen des Zylinderkopfes 1 hinausragen. Der Montageort bietet die Möglichkeit einer optimalen Anbindung an eine mit einem Kühlmittel gekühlte Oberfläche, damit ist eine gute Kühlung bzw. Temperierung des Stellelementes 12 möglich. Bei Bedarf kann das Stellelement 12 auch mit einem Schmiermittel der Brennkraftmaschine gekühlt werden. Bei Verwendung eines bürstenlosen Elektromotors als Stellelement 12 muss keine schmiermitteldichte Abdichtung der Stator-/Rotoreinheit vorgesehen werden, da diese auch direkt im Schmiermittelnebel läuft. Damit entfällt der Reibungsnachteil eines Wellendichtringes. Das Stellelement 12 kann bei der Erstmontage oder im Reparaturfall auch noch bei offenem Zylinderkopf 1 direkt auf Funktionsfähigkeit überprüft werden, damit ist im Fehlerfall der Aufwand für eine Nacharbeit wesentlich geringer. Für die Demontage einer Ventildeckelhaube muss das Stellelement 12 nicht entfernt werden.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1.
    Zylinderkopf
    2.
    hubvariabler Ventiltrieb
    2'
    Ventiltrieb
    3.
    Schwenkhebel
    4.
    Rollenelement
    5.
    Kulisse
    6.
    Steuerbahn
    7.
    Zwischenelement
    8.
    Gaswechselventil
    9.
    Nocken
    9.
    Nockenwelle
    10.
    Feder
    11.
    Verstelleinrichtung
    12.
    Stellelement
    12'
    Längsachse
    13.
    Kurvenscheibe
    14.
    Gewindeschnecke
    15.
    Zündeinrichtung
    16.
    Spielausgleichselement

Claims (5)

  1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern und mit einem hubvariablen Ventiltrieb (2) mit einem Schwenkhebel (3), der einerseits mit einem Rollenelement (4) mit einem Schwingdrehpunkt auf einer Kulissenbahn einer Kulisse (5) und andererseits mit einer Steuerbahn (6) auf einem Zwischenelement (7) zu einem Gaswechselventil (8) spielfrei abgestützt ist, wobei der Schwenkhebel (3) zur Hubeinstellung zwischen den Abstützpunkten einerseits von einem Nocken (9) einer Nockenwelle (9') entgegen einer Kraft einer Feder (10) gesteuert schwenkbar und andererseits der Schwingdrehpunkt von einer Verstelleinrichtung (11) zur Hubhöhenverstellung parallel zur Kulissenbahn (5') gesteuert verschiebbar ist, wobei die Verstelleinrichtung (11) von einem direkt über dem Ventiltrieb angeordneten Stellelement (12) in ihrer Lage veränderbar ist, wobei das Stellelement (12) an den Zylinderkopf (1) angeordnet ist und wobei eine Längsachse (12') des Stellelementes (12) weitgehend in Richtung einer Zylinderachse ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Stellelementes (12) in den Zylinderkopf (1) integriert ist und wobei das Stellelement (12) von einem Schmiermittel oder einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine temperierbar ist.
  2. Zylinderkopf nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (11) über eine Linearbewegung oder eine Drehbewegung des Stellelementes (12) in ihrer Lage veränderbar ist.
  3. Zylinderkopf nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, wobei die Verstelleinrichtung (11) eine über ein Zahnradsegment (12) verdrehbare Kurvenscheibe (13) ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (12) eine Elektromaschine mit einer mit dem Zahnradsegment (12) kämmenden Gewindeschnecke (14) ist.
  4. Zylinderkopf nach Patentanspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine ein bürstenloser Elektromotor ist.
  5. Zylinderkopf nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei jedem Zylinder eine im Zylinderkopf (1) angeordnete Zündeinrichtung (15) zugeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (12) zwischen zwei Zündeinrichtungen (15) angeordnet ist.
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