Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb

Abstract

 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 ein 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 geodätisch über dem Ventiltrieb angeordneten Stellelement (12) in ihrer Lage veränderbar ist, wobei das Stellelement (12) an den Zylinderkopf (1) angeordnet ist, wobei eine Längsachse (12') des Stellelementes (12) weitgehend in Richtung einer Zylinderachse ausgerichtet ist.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung erlaubt eine äußerst kompakte und steife Anordnung des hubvariablen Ventiltriebs.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem hubvariablen Ventiltrieb mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] 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.

[0003] Auch wenn die Serienausgestaltung prinzipiell keinen Nachteil aufweist, ist es aus Packagegründen wünschenswert, die Baugröße eines gattungsgemäßen Ventiltriebes zu verringern.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

[0005] 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.

[0006] Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 wird die Steifigkeit des gesamten Verstellantriebes, bestehend aus dem Stellelement und der Verstelleinrichtung, nochmals verbessert.

[0007] In bevorzugter Weise wird die Verstelleinrichtung gemäß Patentanspruch 3 entweder durch eine Linearbewegung oder eine Drehbewegung des Stellelementes in der Lage verändert.

[0008] Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist ein in der Praxis bewährtes Stellelement.

[0009] Bei Verwendung eines bürstenlosen Elektromotors gemäß Patentanspruch 5 muss keine öldichte Abdichtung der Stator-/Rotoreinheit vorgesehen werden, da diese auch direkt im Ölnebel läuft. Damit entfällt der Reibungsnachteil eines Wellendichtringes.

[0010] Um Längenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen im Verstellantrieb möglichst gering zu halten, kann das Stellelement gemäß Patentanspruch 6 von einem Schmiermittel oder einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine temperiert werden.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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:

[0019] 

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

Ansprüche

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 geodätisch über dem Ventiltrieb angeordneten Stellelement (12) in ihrer Lage veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (12) an den Zylinderkopf (1) angeordnet ist, wobei eine Längsachse (12') des Stellelementes (12) weitgehend in Richtung einer Zylinderachse ausgerichtet ist.

2. Zylinderkopf nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Stellelementes (12) in den Zylinderkopf (1) integriert ist.

3. Zylinderkopf nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (11) über eine Linearbewegung oder eine Drehbewegung des Stellelementes (12) in ihrer Lage veränderbar ist.

4. Zylinderkopf nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, 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.

5. Zylinderkopf nach Patentanspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine ein bürstenloser Elektromotor ist.

6. Zylinderkopf nach einem der zuvor genannten Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (12) von einem Schmiermittel oder einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine temperierbar ist.

7. Zylinderkopf nach Patentanspruch 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.

Zeichnung