DE10018061A1 - Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine

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DE10018061A1
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DE2000118061
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Ralf Jentsch
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/16Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18Multi-cylinder engines
    • F02B75/22Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
    • F02B75/224Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement with cylinders in fan arrangement

Abstract

Es wird eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit V- oder W-förmig zueinander stehenden Zylindern oder Zylinderreihen zur Verfügung gestellt, die gegenüber den bekannten Konstruktionen leistungs-, gewichts- und platzoptimiert ausgebildet ist, was dadurch erreicht wird, dass zwischen zwei Kurbelwangen (4) einer Kurbelwelle (6) mehr als zwei Kröpfungen (1; 2; 3) für separate Hubzapfen ausgeformt sind, von denen mindestens zwei Kröpfungen (1; 2; 3) in oder entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle (6), einen Winkelbetrag zueinander aufweisend, festgelegt sind und mindestens eine Kröpfung (1; 2; 3) im Verhältnis zu den anderen Kröpfungen (1; 2; 3) einen von deren Hubradien (18) abweichenden Hubradius (17) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Es sind Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit V-förmig zueinander stehenden Reihen von Zylindern bekannt, bei denen zwei weitere V-förmig zueinander stehende dritte und vierte Reihen, eine davon zwischen der ersten und zweiten Reihe und die andere Reihe außer­ halb dieser Zylinderreihen angeordnet sind, wobei jeweils zwei Pleuel zwischen zwei Kurbelwellenhauptlagern auf separaten, gegeneinander versetzten Kröpfungen einer Kurbelwelle angeordnet sind, DE 197 16 274 A1. Mit dieser Bauweise lässt sich die Zy­ linderzahl einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vervielfältigen, ohne dass die Einbaulän­ ge einer solchen Maschine sich wesentlich ändert. Die jeweils in einem Zylinderblock zu­ sammengefasste erste und dritte, bzw. zweite und vierte Zylinderreihe lässt sich dabei als VR-Anordnung benennen.
Bekannt ist weiterhin eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit W-förmig zueinander ste­ henden Reihen von Zylindern, Automobil Revue Nr. 48/25.11.1993, die eine Kurbelwelle aufweist, auf deren Kröpfung bzw. Hubzapfen jeweils drei Pleuel gelagert sind, sodass sich gegenüber herkömmlichen Aggregaten mit V-förmig zueinander stehenden Zylinder­ reihen und gleicher Zylinderanzahl eine deutlich kürzere und drehschwingungsfestere Kurbelwelle erzeugen lässt, die bei einem als 12-Zylinder ausgeführten Motor beispiels­ weise nur fünf statt sieben Hauptlager aufweist.
Um eine weitere Leistungssteigerung dieser bekannten Maschinen zu erreichen, müssen jedoch weitete Zylinderebenen an die bisherigen angefügt werden, welches die Baulänge eines Motors und insbesondere die einer Kurbelwelle wieder vergrößert, sodass dann mit anwachsenden Drehschwingungsproblemen und Motorgewichten gerechnet werden muss. Weiterhin lassen sich solche Maschinen mit ihren identischen Kolben, Pleueln und Hubra­ dien der Kurbelwelle nur schwer weiter optimieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit V- oder W-förmig zueinander stehenden Zylindern oder Zylinderreihen zu schaffen, die ge­ genüber den bekannten Konstruktionen leistungs-, gewichts- und platzoptimiert ausge­ bildet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen efin­ dungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebene technische Lehre vermittelt.
Dadurch dass zwischen zwei Kurbelwangen mehr als zwei Kröpfungen für separate Hub­ zapfen ausgeformt sind, von denen mindestens zwei Kröpfungen in oder entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle, einen Winkelbetrag zueinander aufweisend, festgelegt sind und mindestens eine Kröpfung im Verhältnis zu den anderen Kröpfungen einen von deren Hubradien abweichenden Hubradius der Kurbelwelle aufweist, lassen sich bei der Konstruktion einer Hubkolbenbrennkraftmaschine optimierte Varianten erzeugen. Bei­ spielsweise kann bei einem W-Motor die Kröpfung für den mittleren Zylinder bzw. die Kröpfungen für die mittlere Zylinderreihe einen größeren Hubradius aufweisen als die Kröpfungen der äußeren Zylinder oder Zylinderreihen.
Dies kann zu einigen Verbesserungen genutzt werden. Der benötigte Bauraum für die mittlere Reihe wird nach oben verlagert, sodass der Spreizungswinkel der beiden äuße­ ren Zylinderreihen enger ausgebildet werden kann, wodurch insgesamt ein schmalerer Motor entsteht.
Bei geringerem Hubradius der Kröpfungen der mittleren Zylinderreihe dagegen kehrt sich dieser Vorteil nicht in einen Nachteil um, sondern kann weiterhin vorteilhaft genutzt wer­ den, indem der Spreizungswinkel der beiden äußeren Zylinderreihen vergrößert wird, wodurch insgesamt ein niedrigerer Motor konstruiert werden kann. Eine solche Konstruk­ tion ermöglicht es also, die Bauhöhe oder die Baubreite einer Hubkolbenbrennkraftma­ schine wunschgemäß zu beeinflussen.
Weitere vorteilhafte Ausführungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich mit und in Kombination aus den nachfolgenden Unteransprüchen
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung sind mindestens zwei von drei Kröpfungen der zwischen zwei Kurbelwangen einer Kur­ belwelle angeordneten Kröpfungen zueinander um einen Winkelbetrag in oder entgegen einer Drehrichtung der Kurbelwelle angeordnet, wodurch bei 3, 6, 9 oder mehrzylindrigen W-Motoren vorteilhafter Einfluss auf die Zündwinkel und den Massenausgleich des Ge­ samtmotors genommen werden kann.
Von besonderem Vorteil ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der unter Berücksichti­ gung der unterschiedlichen Hubradien und der entsprechenden Zylinder- bzw. Kolben­ durchmesser erreicht wird, dass trotzdem alle Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftma­ schine ein identisches Hubvolumen aufweisen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Drehmomentkurve einer Hubkolbenbrennkraftmaschine positiv beeinflussen, da län­ gerhubige Motoren in Abhängigkeit von der Drehzahl bei niedrigeren Drehzahlen ein hö­ heres Drehmoment erzeugen als kurzhubige. Die Drehmomentkurve kann über einen größeren Drehzahlbereich auf hohem Niveau gehalten werden.
Vorteile kann die erfinderische Konstruktion auch bei der Abschaltung von Zylinderreihen zwecks Verbrauchseinsparung mit sich bringen, wenn bei niedrigen Drehzahlen zwar wenig Leistung aber möglichst viel Drehmoment verlangt wird, wozu dann, beispielswei­ se im Stadtverkehr, eine Zylinderreihe mit kurzhubigeren Kolben stillgelegt werden könnte.
Auch auf die Dauer und damit die Güte der Verbrennung kann vorteilhafterweise dadurch weiterer Einfluss genommen werden, dass eine gedachte Verbindungsgerade zwischen einer Kolbenbolzenachse im oberen Todpunkt eines Kolbens und der Kurbelwellendreh­ achse gegenüber der Längsachse eines Zylinders um einen Winkelbetrag 5 verschwenkt angeordnet ist. Dieser Winkelbetrag ▱ kann bei allen Zylindern identisch oder variabel, auch positiv oder negativ, vorherbestimmt werden.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann demnach mit einem V-Motor ausge­ bildet sein, zwischen dessen Zylinderköpfen bzw. Zylinderreihen ein dritter Zylinderkopf oder eine dritte Zylinderreihe angeordnet ist, wobei alle Pleuel der etwa in einer Ebene liegenden Zylinder auf separaten und gegeneinander versetzten Kröpfungen zwischen zwei benachbarten Hubwangen angeordnet sind.
Eine andere Ausführungsform besteht aus einem doppelten V-Motor mit zwei Zylinder­ reihen in VR-Anordnung, bei dem im Zwischenraum zwischen den inneren Zylinderreihen eine weitere Zylinderreihe in V- oder VR-Anordnung vorgesehen ist, wobei entweder jede Zylinderreihe eine separate Kröpfung für ihre in einer Zylinderebene angeordneten Pleuel aufweist oder alle fünf benachbarten Pleuel einer Zylinderebene auf separaten, gegen­ einander versetzten Kröpfungen bzw. Hubzapfen zwischen zwei Kurbelwangen platziert sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, extrem kompakte Kurbelgehäuse mit sehr gerin­ gem Platzbedarf bei gesteigerter Leistung, verbessertem Rundlauf und vermindertem Schadstoffausstoß zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin ist es denkbar, solche Brennkraftmaschinen in Zwillings-Anordnungen von zwei oder mehreren Kurbelwellen aneinander zu setzen und so Maschinen mit beliebig vielen Zylindern und beliebiger Leistung zu erhalten.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Kurbelwelle eines 3-Zylinder-Motors,
Fig. 2 eine Kurbelwelle eines 9-Zylinder-Motors,
Fig. 3 eine Skizze eines Kurbeltriebes von vorne und
Fig. 4 eine Skizze des Kurbeltriebes der Fig. 3 von der Seite.
Die Kurbelwellen 6 gemäß den Fig. 1, 2 und 3 weisen jeweils zwischen zwei Kurbel­ wangen 4 drei im Umfangswinkel der Kurbelwelle 6 voneinander differierende Kröpfun­ gen 1, 2, 3 auf, wobei sich mit einer Kurbelwelle gemäß der in Fig. 1 dargestellten Versi­ on ein sehr kurzer 3-Zylinder-W-Motor und mit Hilfe einer in Fig. 2 gezeigten Kurbel­ welle 6 ein sehr kurzer 9-Zylinder-W-Motor konstruieren lässt.
Der 3-Zylinder-Motor weist maximal zwei Hauptlager 5 auf, wohin gegen der 9-Zylinder- Motor mit fünf Hauptlagern 6 auskommt.
Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Kurbeltrieb besteht aus einer Kurbelwelle 6 mit drei Hauptlagern 5 und jeweils drei Kröpfungen 1, 2, 3 zwischen zwei Kurbelwangen 4, für in zwei Zylinderebenen 10, 20 angeordneten Zylindern, wobei jeweils die dritte Kröpfung 3 einen größeren Hubradius 17 aufweist als die beiden anderen Kröpfungen 1, 2, die einen identischen Hubradius 18 besitzen.
Die über Pleuel 9 an den Kröpfungen 3 mit dem größeren Hubradius 17 angelenkten Kolben 3, 6 weisen zur Erzeugung eines identischen Hubraumes einen geringeren Durchmesser auf als diejenigen Kolben 1, 2, 4, 5, die über Pleuel 7, 8 an Kröpfungen 1, 2 mit geringerem Hubradius 18 angelenkt sind.
Die Zylinder weisen eine Zylinderachse 19 auf, die gegenüber einer gedachten Verbin­ dungsgeraden 21 zwischen einer Kolbenbolzenachse im oberen Todpunkt eines Kolbens 13 und der Kurbelwellenachse um einen Winkelbetrag ▱ verschwenkt angeordnet ist.

Claims (6)

1. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, Zylindern, Kolben, Pleueln und einer Kurbelwelle mit Kröpfungen für Hubzapfen von Pleuellagern und mit seitlich der Kröpfungen vorgesehenen Kurbelwangen und außerhalb davon sich anschließenden Kurbelwellenhauptlagern, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Kurbelwangen (4) mehr als zwei Kröpfungen (1; 2; 3) für separate Hubzapfen ausgeformt sind, von denen mindestens zwei Kröpfungen (1; 2; 3) in oder entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle (6), einen Winkelbetrag zueinander aufweisend, festgelegt sind und mindestens eine Kröpfung (1; 2; 3) im Verhältnis zu den anderen Kröpfungen (1; 2; 3) einen von deren Hubradien (18) abweichenden Hubradius (17) der Kurbelwelle (6) aufweist.
2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kröpfung (3) für ein Pleuel (9) eines zwischen zwei V-förmig angeordneten Zylindern vorgesehenen dritten Zylinders einen größeren oder kleiner Hubradius (17) aufweist als die Hubradien (18) der unmittelbar benachbarten Kröpfungen (1; 2) für die Pleuel (7, 8) der V-förmig angeordneten Zylinder.
3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmaße der Kolben (11; 12; 13; 14; 15; 16) und Zylinderdurchmesser so abgestimmt sind, dass alle Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ein identisches Hubvolumen aufweisen.
4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zylinder eine Zylinderachse (19) aufweist, die gegenüber einer gedachten Verbindungsgeraden (21) zwischen einer Kolbenbolzenachse im oberen Todpunkt eines Kolbens (13) und der Drehachse der Kurbelwelle (6) um einen Winkelbetrag ▱ verschwenkt ausgeführt ist.
5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine als V-Motor ausgebildete Hubkolbenbrennkraftmaschine zwischen zwei Zylinderköpfen oder Zylinderreihen einen dritten Zylinderkopf oder eine dritte Zylinderreihe aufweist und jeweils drei Pleuel (7; 8; 9) einer Zylinderebene (10; 20) auf separaten, gegeneinander versetzten Kröpfungen (1; 2; 3) zwischen zwei Kurbelwangen (4) und zwei Hauptlagern (5) angeordnet sind.
6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine als doppelter V-Motor mit jeweils zwei ineinander verschränkten Zylinderreihen in VR-Anordnung ausgebildete Brennkraftmaschine eine weitere dritte Zylinderreihe in R- oder VR-Anordnung im Zwischenraum zwischen den beiden verschränkten Zylinderreihen aufweist und jede Zylinderreihe eine separate Kröpfung (1; 2; 3) für ihre in einer Zylinderebene (10; 20) angeordneten Pleuel (7; 8; 9) aufweist oder alle Pleuel (7; 8; 9) einer Zylinderebene (10; 20) auf separaten, gegeneinander versetzten Kröpfungen (7; 8; 9) zwischen zwei Kurbelwangen (4) und zwei Hauptlagern (5) angeordnet sind.
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