DE19819234A1

DE19819234A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei über eine Verbindungskupplung miteinander kuppelbaren Maschineneinheiten

Info

Publication number: DE19819234A1
Application number: DE1998119234
Authority: DE
Inventors: Peter Pelz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 1999-11-04

Abstract

Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine weist wenigstens zwei über eine Verbindungskupplung (74) miteinander kuppelbare Maschineneinheiten (50, 52), ein Steuergerät (60) und ein Lastanforderungsgerät (72) auf, wobei das Steuergerät bei Unterschreiten einer vorbestimmten Last die Verbindungskupplung öffnet und eine (52) der Maschineneinheiten abschaltet, und bei Überschreiten einer vorbestimmten Last die abgeschaltete Maschineneinheit unter Schließen der Verbindungskupplung zuschaltet. Wenigstens die unterhalb der vorbestimmten Last im Betrieb befindliche Maschineneinheit (50) weist einen Kolben (4) auf, der über zwei Pleuel (36, 38) mit zwei gegensinnig drehenden, in gegenseitigem Gewindeeingriff befindlichen Kurbelwellen (30, 32) verbunden ist, so daß der Kolben im wesentlichen seitenkraftfrei in seinem Zylinder läuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Der Senkung des Kraftstoffverbrauchs kommt in jüngerer Zeit steigende Bedeutung zu. Für dieses Ziel werden insbesondere vier Wege verfolgt:

- Einbau mehrgängiger Schaltgetriebe, um mit möglichst langen Übersetzungen zu fahren;
- Einsatz von Aufladesystemen, um bei vorgegebener Leistung mit Brennkraft maschinen mit geringerem Hubraum auszukommen;
- Abschaltung einzelner Zylinder im Teillastbereich und
- modularer Aufbau des Motors, um bei Teillast einzelne Motor- bzw. Maschi neneinheiten stillsetzen zu können.

Das Abschalten lediglich einzelner Zylinder hat den Nachteil, daß die Kolben der abge schalteten Zylindereinheiten von der Kurbelwelle ständig mitgeschleppt werden, so daß ein Teil des erzielten Verbrauchsvorteils durch die dafür erforderliche Reibleistung aufgezehrt wird.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit modular aufgebauten Motoren, d. h. mit Hubkolbenbrennkraftmaschinen, die wenigstens zwei Maschineneinheiten aufweisen, die über eine Verbindungskupplung miteinander kuppelbar sind, so daß im Schwachlastbe reich, in dem die Leistung einer der Maschineneinheiten ausreicht, eine andere der Ma schineneinheiten durch Öffnen der Verbindungskupplung vollständig abgeschaltet werden kann.

Ein Problem, das bei solchen modular aufgebauten Brennkraftmaschinen besteht, liegt darin, daß die auch bei schwächerer Last in Betrieb befindliche Maschineneinheit einen ausreichend komfortablen Lauf haben muß, damit der Komfort auch bei nur einer laufenden Maschineneinheit akzeptabel ist. In der Praxis weisen daher solche modular aufgebauten Brennkraftmaschinen Maschineneinheiten mit jeweils mindestens zwei oder mehr Zylindern auf. Dadurch ist die erzielbare Verbrauchsminderung begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftma schine derart weiter zu entwickeln, daß bei gutem Komfort hohe Verbrauchseinsparungen möglich sind.

Der Anspruch 1 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer Hubkolbenbrennkraftma schine zur Lösung der Erfindungsaufgabe.

Die erfindungsgemäß für Betrieb auch bei Schwachlast vorgesehene Doppelkurbelwellen maschineneinheit läuft wegen des seitenkraftfreien Betriebs des Kolbens und des weitge henden Massen- bzw. Momentenausgleichs im Kurbeltrieb auch als Einzylinder sehr komfortabel, so daß bei Schwachlast ein Betrieb mit nur einem Zylinder möglich ist, was erhebliche Verbrauchsminderungen zuläßt. Des weiteren ermöglicht der Doppelkurbelwel lentrieb wegen der geringeren sich bewegenden Massen sehr hohe Drehzahlen, was eine große Leistungsspreizung ermöglicht. Wenn die für Schwachlast vorgesehene Doppelkur belwellenmaschineneinheit zwei Zylinder aufweist, ergeben sich gegenüber herkömmlichen Lösungen Verbrauchs- und vor allem Komfortverbesserungen.

Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Doppelkurbelwellenbrennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Doppelkurbeltriebs,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit zwei Maschinen einheiten,

Fig. 4 eine Aufsicht auf einen Doppelkurbeltrieb für eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern, gesehen in Längsrichtung der Kurbelwellen, und

Fig. 5 eine Seitenansicht des Kurbeltriebs der Fig. 4.

Eine Doppelkurbelbrennkraftmaschine, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist beispielsweise aus der DE 32 38 030 A1 bekannt. Die beispielhaft als Ottomotor dargestellte Brenn kraftmaschine weist einen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 4 arbeitet. Ein Einlaßkanal 6 mündet in den Zylinderkopf 8, wobei in der Mündung des Einlaßkanals in den Zylin derkopf ein Einlaßventil 10 arbeitet. Weiter ist ein Auslaßventil 12 dargestellt, in dessen Mündung in den Zylinderkopf 8 ein Auslaßventil 14 arbeitet.

Im Einlaßkanal befindet sich eine Drosselklappe 16 sowie strömungsabwärts der Drossel klappe ein Einspritzventil 18. Im Zylinderkopf befinden sich Zündkerzen 20.

Zur Ansteuerung der Zündkerzen 20 und des oder der Einspritzventile 18 ist ein Steuerge rät 22 vorgesehen, dessen Eingängen in an sich bekannter Weise Signale von unterschiedli chen Sensoren zur Erfassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Aus den Eingangssignalen werden die Steuersignale zur Errechnung der Ein spritzmengen, gegebenenfalls zur Einspritzzeitpunkte, sowie der Zündzeitpunkte errechnet.

Im Kurbelgehäuse 28 der Brennkraftmaschine sind parallel zueinander und bezogen auf die Achse der Kolbenbewegung symmetrisch zwei Kurbelwellen 30 und 32 angeordnet, die miteinander über eine Verzahnung 34 kämmen, so daß sie mit gleicher Drehzahl gegen sinnig drehen. Jede der Kurbelwellen 30 und 32 ist über ein Pleuel 36 und 38 mit dem Kolben 4 verbunden, der an seiner Unterseite zwei in Richtung des Abstandes zwischen den Kurbelwellen 30 und 32 beabstandete Lager 40 und 42 zur Lagerung der Pleuel 36 und 38 aufweist. Alternativ können die Pleuel am Kolben auch gleichachsig zueinander gelagert sein.

Eine besondere Eigenschaft des Doppelkurbeltriebs wird anhand der Fig. 2 erläutert:
Die Ordinate stellt den Kolbenhub H und die Abszisse den Drehwinkel der Kurbelwellen, bezogen auf den unteren Totpunkt UT des Kolbens dar; das heißt, zwischen den beiden UT-Stellungen liegen 360° Kurbelwellendrehung.

Die gestrichelte Kurve zeigt das Verhalten eines konventionellen Kurbeltriebs, bei dem die Kurbelwelle mittig unter dem Kolben angeordnet ist. Der obere Totpunkt OT₁ des Kolbens befindet sich beim konventionellen Kurbeltrieb genau zwischen den beiden UT-Stellungen, das heißt bei 180° Kurbelwinkel.

Bei dem Doppelkurbeltrieb gemäß Fig. 8, bei dem die beiden Kurbelwellen 30 und 32 ge genüber der Mitte des Kolbens 4 symmetrisch versetzt sind, ergibt sich die durchgezogene Kurve. Ausgehend von der UT-Stellung des Kolbens drehen sich die gegensinnig drehen den Kurbelwellen 30 und 32, wobei die gemäß Fig. 1 linke Kurbelwelle in Uhrzeigerrich tung dreht, um weniger als 180°, bis der obere Totpunkt OT₂ des Kolbens erreicht wird, und dann um mehr als 180°, bis wiederum der untere Totpunkt UT erreicht wird. Bei ei nem Viertaktverfahren steht somit für den Ansaugtakt und den Arbeitstakt im Vergleich zu einem herkömmlichen Kurbeltrieb ein größerer Winkelbereich und damit ein größerer Zeit raum zur Verfügung, wodurch die Füllung und die Ladungsumsetzung begünstigt werden.

Für spezielle Anwendungsfälle, beispielsweise bei extrem rasch brennenden Kraftstoffen, kann es zweckmäßig sein, den Kurbeltrieb mit gemäß Fig. 1 umgekehrter Drehrichtung laufen zu lassen.

Der beschriebene Doppelkurbeltrieb hat nicht nur thermodynamische Vorteile; dadurch daß der Kolben seitenkraftfrei in dem Zylinder läuft, ist er sehr reibungsarm. Des weiteren braucht der Kolben, wie dargestellt, praktisch kein Hemd, so daß er sehr leicht ausgeführt sein kann. Gegenüber einem herkömmlichen Kurbeltrieb können die einzelnen Pleuel leichter ausgebildet werden, so daß sehr hohe Drehzahlen möglich sind. Die gegeneinander schwingenden Pleuel, die leichte Ausbildung der Teile und die Seitenkraftfreiheit des Kolbens sorgen für einen sehr schwingungsarmen, komfortablen Lauf des Doppelkurbel wellenmotors, selbst als Einzylinder.

Insbesondere die letztgenannte Eigenschaft wird für eine Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 3 genutzt.

Dargestellt ist eine Brennkraftmaschine, die zwei Maschineneinheiten 50 und 52 umfaßt. Die Maschineneinheit 50 ist eine Einzylindermaschine mit einem Doppelkurbeltrieb gemäß der Fig. 1. Die Maschineneinheit 52 enthält zwei Zylinder, deren Kolben mit einem Doppelkurbeltrieb derart zusammenwirken, daß sie sich gegenläufig bewegen (Fig. 4).

Die Maschineneinheit 50 ist über eine normale Trennkupplung 54 mit einem Getriebe 56 verbunden, über das die Räder eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Die Maschineneinheit 52 weist eine elektronisch mit einem Stellmotor betätigbare Drosselklappeneinheit 58 auf. Die Stellung der Nockenwelle wird von einem Nockenwel lensensor 60 erfaßt; die Drehstellung einer der Kurbelwellen wird von einem Kurbelwel lensensor 62 erfaßt.

Ähnlich weist die Maschineneinheit 52 eine beiden Zylindern zugeordnete Drosselklappen einheit 64, einen Nockenwellensensor 66 und einen Kurbelwellensensor 68 auf.

Eingänge eines Steuergerätes 70, das einen Mikroprozessor mit zugehörigen Speicher einrichtungen enthält, sind mit den genannten Sensoren sowie einem Gaspedal 72 ver bunden. Ausgänge des Steuergerätes 70 sind mit den Drosselklappeneinheiten 58 und 64 sowie dem Stellglied einer Verbindungskupplung 74 zum Kuppeln bzw. Trennen der beiden Maschineneinheiten 50 und 52 verbunden.

Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:
In dem Steuergerät 70 sind Kennfelder abgelegt, die in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappen in den Drosselklappeneinheiten 58 und 64 sowie den Drehzahlen der Kurbelwellen der Maschineneinheiten 50 und 52 deren Drehmoment und damit auch die Leistung enthalten.

Liegt die von dem Kraftfahrzeug für den Vortrieb benötigte Leistung in dem Bereich, in dem die Maschineneinheit 50 ausreicht, so wird die Verbindungskupplung 74 geöffnet. Die Maschineneinheit 52 wird stillgesetzt und die Drosselklappeneinheit 58 der Einzylin dermaschineneinheit 50 wird entsprechend weiter geöffnet, so daß das Fahrzeug beim und nach dem Abschalten der Maschineneinheit 52 mit unverändertem Vortrieb weiterbewegt wird. Es ist ein ausreichend komfortabler Betrieb mit sehr niedrigem Verbrauch und ansprechendem Drehmoment möglich.

In dem Steuergerät 70 ist weiter ein Kennfeld abgelegt, das in Abhängigkeit von der vom Drehzahlsensor 62 erfaßten Kurbelwellendrehzahl und gegebenenfalls dem jeweils einge legten Gang (es kann zusätzlich ein Gangerkennungssensor vorgesehen sein) den Leistungs- bzw. Drehmomentwunsch angibt, der einer Stellung des Gaspedals 72 entspricht.

Wird das Gaspedal 72 nun soweit betätigt, daß das angeforderte Drehmoment bzw. die angeforderte Leistung von der Maschineneinheit 50 alleine nicht zur Verfügung gestellt werden kann, so wird die Verbindungskupplung 74 geschlossen, so daß die Maschinen einheit 52 mitgenommen wird und bei entsprechend eingestellter Stellung der Drossel klappe der Drosselklappeneinheit 64 in Betrieb gesetzt wird, woraufhin die Drosselklappe der Drosselklappeneinheit 58 gegebenenfalls zunehmend geschlossen wird, damit die erwünschte Leistung angegeben wird.

Es versteht sich, daß die Maschineneinheit 52 auch mit einem eigenen Anlasser versehen sein kann, so daß sie bei entsprechendem Leistungswunsch angelassen wird und erst dann mit der Maschineneinheit 50 gekoppelt wird, wenn sie die Drehzahl der Maschineneinheit 50 erreicht hat.

Die Verbindungskupplung 74 ist derart ausgebildet, daß die beiden Maschineneinheiten 50 und 52 phasenrichtig miteinander kuppelbar sind, indem die Verbindungskupplung 74 bei spielsweise auf leichtem Schlupf gehalten wird, bis die mittels der Nockenwellensensoren 60 und 64 erkennbaren Phasen der Brennkraftmaschinen 50 und 52 eine vorbestimmte Be ziehung zueinander haben, in der ein insgesamt möglichst komfortabler Motorlauf erzielt wird.

Es versteht sich, daß die Maschineneinheit 52 ebenfalls als Einzylinder ausgebildet sein kann, so daß im gekuppelten Zustand eine gleichmäßige Verbrennungsfolge erzielt wird. Weiter versteht sich, daß beide Maschineneinheiten 50 und 52 als Zweizylinder oder als Mehrzylinder ausgebildet sein können.

Bei einem Dieselmotor sind die Drosselklappeneinheiten durch die entsprechenden Lei stungsstellorgane des Dieselmotors ersetzt. Es versteht sich, daß auch bei einem Ottomotor die Drosselklappeneinheiten durch andere Organe zur Leistungssteuerung ersetzt sein können.

Die Verbindungskupplung 74 kann ein Bauteil enthalten, das bei phasenrichtiger Zuord nung und synchronem Lauf eine mechanische Verriegelung bewirkt.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Zweizylinderdoppelkurbelwellenmaschineneinheit. Die beiden Kurbelwellen 30 und 32 (Fig. 1) weisen je zwei um 180° versetzte Kurbeln 76 und 78 auf, die jeweils über ein Pleuel mit den Kolben 80 und 82 verbunden sind. Es wird eine gegenläufige Kolbenbewegung erzielt, die für einen außerordentlich schwingungsarmen Motorlauf sorgt.

Um die als Doppelkurbelwellenmotoren ausgebildeten Maschineneinheiten möglichst kompakt zu bauen und/oder große Hübe zuzulassen, können die Pleuel und die Kolben ausgebildet sein, wie in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 198 14 870.4 beschrieben.

Claims

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei über eine Verbindungskupp lung (74) miteinander kuppelbaren Maschineneinheiten (50, 52), einem Steuergerät (60) und einem Lastanforderungsglied (72), wobei das Steuergerät bei Unterschreiten einer vor bestimmten Last die Verbindungskupplung öffnet und eine (52) der Maschineneinheiten abschaltet, und bei Überschreiten einer vorbestimmten Last die abgeschaltete Maschinen einheit unter Schließen der Verbindungskupplung zuschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die unterhalb der vorbestimmten Last im Betrieb befindliche Ma schineneinheit (50) einen Kolben (4) aufweist, der über zwei Pleuel (36, 38) mit zwei ge gensinnig drehenden, in gegenseitigem Gewindeeingriff befindlichen Kurbelwellen (30, 32) verbunden ist, so daß der Kolben im wesentlichen seitenkraftfrei in seinem Zylinder läuft.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterhalb der vorbestimmten Last in Betrieb befindliche Maschineneinheit (50) nur einen Zylinder mit zugehörigem Kolben (4) aufweist.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterhalb der vorbestimmten Last in Betrieb befindliche Maschineneinheit zwei um 180° versetzte Zylinder aufweist, in denen je ein Kolben (80, 82) arbeitet, wobei die beiden sich gegenläufig bewegenden Kolben jeweils über je ein Pleuel mit je einer von zwei gegensinnig drehenden, in gegenseitigem Gewindeeingriff befindlichen Kurbelwellen (30, 32) verbunden sind.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unterhalb der vorbestimmten Last abgeschaltete Maschineneinheit zwei um 180° versetzte Zylinder aufweist, in denen je ein Kolben (80, 82) arbeitet, wobei die beiden sich gegenläufig bewegenden Kolben jeweils über je ein Pleuel mit je einer von zwei gegensinnig drehenden, in gegenseitigem Gewindeeingriff befindlichen Kurbelwellen (30, 32) verbunden sind.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskupplung (74) die Maschineneinheiten (50, 52) derart phasenrichtig zusammenkuppelt, daß die Brennkraftmaschine eine gleichmäßige Arbeits taktfolge aufweist.