DE10019959A1

DE10019959A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10019959A1
Application number: DE2000119959
Authority: DE
Inventors: Gerhard Klaiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-10-25

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit zwei miteinander synchronisierten Kurbelwellen (11, 12), die über zwei Pleuelstangen (8, 9) mit einem Motorkolben (2) zusammenwirken als Zylindereinheit, wobei durch relatives Verstellen der Drehlage der Kurbelwellen (11, 12) zueinander eine Verstellung des Motorkolbens (2) erzielt wird.

Description

Stand der Technik

Der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine hängt u. a. vom Verdichtungsverhältnis im Brennraum der Brennkraftmaschine ab, nämlich zu Beginn und am Ende des Verdichtungshubs des Motorkolbens, wobei um eine gute Füllung des Brennraums zu bekommen, manche Motoren mit einer sogenannten Aufladung arbeiten. Mit einem solchen Lader kann steuernd in den Betrieb des Motors eingegriffen werden, wobei die Vorteile eines solchen Laders besonders bei häufigen Lastwechseln des Motors vorhanden sind, beispielsweise im Stadtverkehr. Besonders bei Dieselmotoren spielt die Ladung eine verhältnismäßig große Rolle und führt zu erheblichen Verbesserungen des Wirkungsgrades. Natürlich wird der Lader bei Überlandverkehr, beispielsweise Autobahnverkehr, nicht abgeschaltet und belastet damit unnötig den Motor, abgesehen von der eigenen Abnutzung.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Bei einer bekannten Mehrzylinderbrennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art (DE-OS 199 27 770) wird durch die Verwendung von zwei an einem Kolben angelenkten Pleuelstangen die jeweils auf eine Kurbel einer Abtriebseinheit wirken ein besonders ruhiger Lauf erzielt und auch ein guter Wirkungsgrad. Im übrigen gelten weitgehend oben genannte, die Kompression des Brennraums betreffenden Punkte mit ihren Nachteilen und Vorteilen.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5 haben demgegenüber den Vorteil, daß eine Steuerung bzw. erforderlichenfalls auch eine Regelung der Brennkraftmaschine durch Änderung des Restvolumens des Brennraums erfolgt, mit dem zusätzlichen Vorteil der Steuerung des Verdichtungsverhältnisses, wobei dieses den Temperatur- und Lastbedingungen angepaßt werden kann. Hierdurch ist nicht nur eine bessere Füllung und bessere Verbrennung erreichbar, sondern auch ein größeres Drehmoment, ein günstigeres Abgasverhalten und vor allem auch, aufgrund des damit verbundenen günstigeren Wirkungsgrades, ein geringerer Kraftstoffverbrauch. Aufgrund des Doppelpleuels und der zwei in entgegengesetzter Drehrichtung rotierenden Kurbelwellen ist ohnehin ein schwingungsarmer und ausgeglichener Lauf der Brennkraftmaschine erzielt, was endgültig auch zu einer Verringerung der inneren Reibung führt. Durch die Änderung der relativen Drehlage der zwei Kurbelwellen zueinander wird der zwischen den beiden Pleuelstangen bestehende Gelenkpunkt aus der Hubkolbenachse verschoben und zugleich etwas in Richtung Kurbelwellen verschoben, wodurch der Kolben nicht mehr seinen höchstmöglichen, oberen Totpunkt (OT) erreicht, den er einnimmt, solange dieser Gelenkpunkt in der Kolbenhubachse liegt. Die Folge ist, daß der Restbrennraum, der verbleibt, wenn der Kolben in OT ist, (schädliche Raum) vergrößert wird. Bekanntlich kann durch ein solches Ändern dieses Raums die Leistung der Brennkraftmaschine sowie das Abgasverhalten und überhaupt der Verbrennungsvorgang erheblich beeinflußt werden, beispielsweise beim Warmlauf der Brennkraftmaschine oder geänderten Außenbedingungen, wie beispielsweise Änderung des Außendrucks durch geographische Höhenunterschiede bei Bergfahrt oder bei Verwendung des Motors in einem Flugzeug.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Verweilzeit des Kolbens in OT und UT (unterer Totpunkt) länger sind, als bei einem normalen Motor.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens erfolgt das Messen oder Verstellen der relativen Drehlage mit Hilfe von elektronischen Mitteln, wobei die elektronischen Mittel Teil eines elektrischen Steuergerätes sein können, welches zur Regelung des Motorlaufs dient. Hierdurch ist es mit einfachen Mitteln möglich, das erfinderische Verfahren zu optimieren.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens erfolgt die relative Drehlagenänderung der Kurbelwellen zueinander während des Motorbetriebs. Auf diese Weise können während des Motorbetriebs betriebswichtige Kenngrößen über entsprechende Geber gemessen und unmittelbar für den Motorbetrieb umgesetzt werden.

Nach einer vorteilhaften, die Brennkraftmaschine (Anspruch 5) betreffenden Ausgestaltung der Erfindung sind die Pleuelstangen auf einem gemeinsamen Gelenkbolzen gelagert und die Synchronisation der Kurbelwelle erfolgt über ineinandergreifende Zahnräder, von denen mindestens eines relativ zu der zugehörigen Kurbelwelle in ihrer Drehlage änderbar ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Kolbenbolzen und Gelenkbolzen in Hubrichtung ein bestimmter Abstand vorhanden, wobei zur Kraftübertragung eine einerends auf dem Kolbenbolzen und andernends auf dem Gelenkbolzen gelagerte Schubstange dient, welche, je nach Grad der Änderung der relativen Drehlage der Kurbelwellen, mehr oder weniger schräg gestellt wird in bezug auf die Kolbenhubachse, so daß der Kolbenbolzen zwar noch in der Achse verbleibt, hingegen der Gelenkbolzen entsprechend versetzt arbeitet. Der sich bei dieser Ausgestaltung ergebende Abstand zwischen Kolbenbolzen und Gelenkbolzen führt grundsätzlich bei derartigen Doppelpleuelmotoren zu einer wesentlichen Vergrößerung des maximalen Spreizwinkels zwischen den beiden Pleueln, so daß der wirksame Drehwinkel der Kurbelwelle gegenüber üblichen Brennkraftmaschinen erheblich vergrößerbar ist. Der Hub des Kolbens ist dadurch immer größer als der in die Ebene projizierte Weg der Kurbel von der Kurbelwelle, beispielsweise des Kurbelzapfens.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Synchronisation der Kurbelwelle über ineinander greifende Zahnräder, welche relativ zu den Kurbelwellen in ihrer Drehlage änderbar sind.

Nach einer diesbezüglichen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eines der Zahnräder als Zahnkranzring auf einer Radscheibe oder -ring angeordnet, auf dem er relativ um einen bestimmten Winkel verdrehbar ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Relativverstellung der Drehlage der Kurbelwellen durch mechanische, hydraulische und/oder elektromechanische Mittel. Eine solche Verstellung kann beispielsweise über einen Fliegkraftregler erfolgen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann durch entsprechende Bestimmung der Länge der Schubstange der wirksame Drehwinkel der jeweiligen Kurbelwelle bis 220° betragen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Zylindereinheiten zu einer Brennkraftmaschine zusammengefügt sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Motoreinheiten und vier Abtriebsräder vorhanden, wobei diese Abtriebsräder untereinander synchronisiert sind.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Zylindereinheiten zu einem Reihenmotor kombiniert, mit zwei Kurbelwellen und einer gemeinsamen Abtriebswelle.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Zylindereinheiten boxerartig mit parallelen oder ineinanderfallenden Achsen der Zylindereinheiten einander zugeordnet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zusätzliche dritte oder Mehrzylindereinheiten in einer Arbeitsebene vorhanden, die sternförmig zueinander angeordnet sind und jeweils zwei Abtriebsräder pro Zylindereinheit aufweisen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Brennkraftmaschine, der quer zu den Kurbelwellen verläuft und

Fig. 2 einen Teillängsschnitt parallel zu den Kurbelwellenachsen entsprechend der Linie I-I in Fig. 1

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung sind nur die zum Verständnis wichtigsten Teile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. In einem Motorzylinder 1 arbeitet ein Motorkolben 2 und begrenzt gemeinsam mit dem Motorzylinder und einem Zylinderdeckel 3 einen Brennraum 4. Im Kolben ist ein Kolbenbolzen 5 gelagert, auf dem eine Schubstange 6 einenends schwenkbar gelagert ist, und zwar um die Achse II des Kolbenbolzens 5. Andernends der Schubstange 6 ist an dieser ein Gelenkbolzen 7 angeordnet, um dessen Achse III zwei Pleuelstangen 8 und 9 schwenkbar gelagert sind, welche andernends auf je einer Kurbelwelle 11 und 12, und zwar dort entsprechenden Kurbelzapfen 13 und 14 gelagert sind. Die Mittelachsen IV der Kurbelzapfen 13 und 14 vollziehen während des Betriebs den Weg einer Kreisbahn V um die Drehachse VI der zwei Kurbelwellen 11 und 12. Die Kurbelwellen 11 und 12 sind um ihre Drehachse VI im Motorgehäuse 15 drehbar gelagert. Auf den Wellenenden 16 der Kurbelwellen 11 und 12 ist jeweils ein Zahnrad 17 und 18 drehschlüssig gelagert, deren Zahnkränze 19 und 20 ineinander kämmen.

Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird der Motorkolben 2 entsprechend dem Pfeil VII hin- und herbetätigt, wobei über den Kolbenbolzen 5 und die Schubstange 6 der Gelenkbolzen 7 entsprechend betätigt wird und dabei die oberen Enden der Pleuelstangen mitnimmt, so daß die Kurbelwellen 11 und 12 in bekannter Weise verdreht werden. Die beiden Zahnräder 17 und 18 kämmen mit ihren Zahnkränzen 19 und 21 ineinander, so daß der zwischen den beiden Pleuelstangen 8 und 9 gegebene Spreizwinkel sich laufend ändert, von einem minimalen Spreizwinkel, wenn sich die Kurbelzapfen 13 und 14 am nächsten sind, bis zu einem maximalen Spreizwinkel VIII, wenn die beiden Kurbelzapfen 13 und 14 am weitesten voneinander entfernt sind. Während des durch den Pfeil IX dargestellten Verdrehens der Kurbelwellen 11 und 12 vollzieht der Gelenkbolzen 7 einschließlich Kolbenbolzen 5 und Kolben 2 eine Bewegung entsprechend dem Pfeil VII, wobei der untere Totpunkt (UT) des Gelenkbolzens 7 gestrichelt dargestellt ist. Aufgrund der Schubstange 6 kann der maximale Spreizwinkel VIII mehr als 220° betragen, wobei die Verweilzeiten des Motorkolbens 2 im OT'- und UT'-Bereich wesentlich länger sind als bei üblichen Doppelpleuelmotoren. Dies ist vor allem bedingt durch den aufgrund der Schubstange ermöglichten, großen Spreizwinkels der Pleuelstangen 8 und 9.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der relative Drehwinkel zwischen der Kurbelwelle 11 und dem Zahnrad 17 bzw. der Kurbelwelle 12 und dem Zahnrad 18 verändert werden, ohne dadurch die Synchronisation zwischen den Zahnrädern aufzuheben. Diese Verstellung kann entweder durch die Verdrehung der Zahnkränze 19 oder 21 auf den Zahnrädern 17 oder 18 erfolgen, oder aber durch Relativverdrehen der Zahnräder 17 und 18 auf den Wellenenden 16. Derartige Wellenverstellungen sind beispielsweise bei Einspritzpumpen durch sogenannte Spritzversteller bekannt, bei denen die Relativverstellung von Antriebs- und Abtriebswelle eines solchen Spritzverstellers durch Fliegkraftmittel drehzahlabhängig erfolgt. Eine solche Verstellung kann bekanntlich durch unterschiedlichste Mittel erfolgen, beispielsweise elektrisch, hydraulisch, mechanisch oder in Kombination dieser Mittel. Durch diese Relativverstellung bleibt zwar der Spreizwinkel und dessen Vorteile erhalten, es wird jedoch die Achse III des Gelenkbolzens 7 um einen bestimmten Wert IX verstellt, wodurch der Kolben 2 für OT um den Wert X in Richtung Kurbelwellen 11 und 12 verschoben wird. Um diesen Hub X wird somit der Brennraum 4 vergrößert, was bekanntlich erhebliche Auswirkungen auf den Motorbetrieb hat. Da die Verstellung auch während des Betriebs des Motors erfolgen kann, beispielsweise in Abhängigkeit der Drehzahl, oder der Temperatur, oder des Außendrucks, udgl., kann die Erfindung zur Betriebssteuerung des Motors verwendet werden, besonders zur Optimierung des Wirkungsgrads in Abhängigkeit der jeweiligen Randbedingungen. Vorteilhafterweise können solche Verstelleinrichtungen elektronisch angesteuert werden, so daß die gesamte Motorregelung über ein elektronisches Steuergerät vorgenommen werden kann.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlenliste

1

Motorzylinder

2

Motorkolben

3

Zylinderdeckel

4

Brennraum

5

Kolbenbolzen

6

Schubstange (schwenkbar)

7

Gelenkbolzen

8

Pleuelstange

9

Pleuelstange

10

-

11

Kurbelwelle

12

Kurbelwelle

13

Kurbelzapfen

14

Kurbelzapfen

15

Motorgehäuse

16

Wellenende

17

Zahnrad

18

Zahnrad

19

Zahnkranz

20

-

21

Zahnkranz
I Schnittlinie
II Achse von

5

III Achse von

7

IV Achse von

13

u.

14

V Kreisbahn
VI Drehachse von

11

u.

12

VII Kolbenhubrichtung
VIII Spreizwinkel
IX Verstellung
X Verstellung

Claims

1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine, bei der von einem Motorkolben (2) über zwei Pleuelstangen (8, 9) zwei miteinander drehsynchronisierte Kurbelwellen (11, 12) angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Steuern durch Verändern der Kompression (schädlichen Raums) der Brennkraftmaschine erfolgt,
- daß durch Eingriff in die Synchronisation die relative Drehlage der zwei Kurbelwellen (11, 12) zueinander änderbar ist und
- daß dadurch der Hub des Motorkolbens (2) infolge unterschiedlicher Winkel bei den beiden Pleuelstangen (8, 9) zu der Hubachse des Kolbens (2) änderbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Messen und/oder Verstellen der relativen Drehlage mit Hilfe von elektronischen Mitteln erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Mittel Teil eines elektrischen Steuergerätes sind, welches zur Regelung des Motorlaufs dient.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlagenänderung der Kurbelwellen während des Motorbetriebs erfolgt.

5. Brennkraftmaschine mit mindestens einer, einen Motorkolben (2), mit Kolbenbolzen (5) odgl. und einem Motorzylinder (1) aufweisenden Zylindereinheit,

- mit zwei an diesem Motorkolben (2) bzw. dem Kolbenbolzen (5) odgl. angelenktem und jeweils auf Kurbeln (13, 14) von zwei Kurbelwellen (11, 12) einer Abtriebseinrichtung wirkenden zwei Pleuelstangen (8, 9),
- mit einer Drehsynchronisation zwischen den zwei Kurbelwellen (11, 12), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- daß innerhalb der Drehsynchronisation der zwei Kurbelwellen (11, 12) eine Verstelleinrichtung vorgesehen ist, mittels der die relative Drehlage der Kurbelwellen (11, 12) zueinander änderbar ist und
- daß durch die Änderung der gemeinsame Wirkpunkt der Pleuelstangen (8, 9) auf den Motorkolben (2) aus der Hubachse des Motorkolbens (2) verschoben wird, wodurch der Kolbenhub verringert wird.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (8, 9) auf der Kolbenseite auf einem gemeinsamen Gelenkbolzen (7) gelagert sind,

- daß zwischen Kolbenbolzen (5) und Gelenkbolzen (7) in Hubrichtung des Motorkolbens (2) ein bestimmter Abstand vorhanden ist,
- daß zur Kraftübertragung eine einenends auf dem Kolbenbolzen (5) und andernends auf dem Gelenkbolzen (7) gelagerte Schubstange (6) dient und
- daß bei der relativen Änderung der Drehlage der Kurbelwellen (11, 12) die Schubstange je nach Grad der Änderung unterschiedlich in Bezug auf die Hubachse des Motorkolbens (2) schräg gestellt wird.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisation der Kurbelwelle über ineinandergreifende Zahnräder (17, 18) erfolgt, von denen mindestens eines relativ zu der zugehörigenden Kurbelwelle (11, 12) in ihrer Drehlage änderbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Zahnräder (17, 18) einen Zahnkranzring (19, 21) aufweist, welcher auf einer Radscheibe oder -ring angeordnet ist und auf diesem um einen bestimmten Winkel verdrehbar ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativverstellung zwischen Zahnrad (17, 18) und Kurbelwelle (11, 12) mit mechanischen, hydraulischen oder elektromechanischen Mitteln erfolgt.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Drehwinkel der jeweiligen Kurbelwelle bis 220° beträgt.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylindereinheiten zu einem Motor zusammengefaßt sind.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zylindereinheiten zu einem Motor zusammengefaßt sind, wobei vier ineinandergreifende Zahnräder vorhanden sind, die zu einer Abtriebswelle miteinander synchronisiert sind.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindereinheit zu einer Arbeitsebene bildenden Einheit reihenartig zu einem Reihenmotor zusammengeschlossen sind.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindereinheiten boxerartig mit parallelen oder ineinander fallenden Achsen der Zylindereinheiten zueinander angeordnet sind.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche dritte oder Mehrzylindereinheiten in einer Arbeitsebene vorhanden sind, die sternförmig zueinander angeordnet sind und jeweils zwei Abtriebsräder pro Zylindereinheit aufweisen.