DE10108462A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit in V-Anordnung ausgerichteten Zylindern mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylinderbänken, insbesondere in in V-Anordnung angeordneten Zylindern und mit Kolben (6), die über Pleuel (5) mit einer Kurbelwelle (1) verbunden sind, deren Lager (2) in Exzenterringen (3) angeordnet sind, die ihrerseits in Traglagern im Motorgehäuse (4) um eine Schwenkachse (14) verschwenkbar gelagert sind und die mit einem Stellantrieb (10) in Verbindung stehen, wobei die Schwenkachse (14) mit einer Exzentrizität (e) parallel zur Kurbelwelle verlaufend im Motorgehäuse (4) ausgerichtet ist und die Drehachse (13) der Kurbelwelle (1) bei Verschwenken der Exzenterringe (3) um einen Winkel +phi¶max¶ bzw. -phi¶max¶ jeweils in der Stellung für das maximale Verdichtungsverhältnis epsilon¶max¶ und für das minimale Verdichtungsverhältnis epsilon¶min¶ in etwa in der Längsmittelebene (L) der Kolbenbrennkraftmaschine verläuft, die durch die Schnittpunkte der Zylinderachsen (Z1, Z2) definiert ist.

Description

Bei normalen Hubkolbentriebwerken mit Reihenanordnung der Zy­ linder ist die Stellung des Kolbens im Zylinder ausschließ­ lich von der Winkelstellung der Kurbelwelle abhängig. Um be­ triebsabhängig das Verdichtungsverhältnis ändern zu können, hat man eine Veränderungsmöglichkeit dadurch geschaffen, daß­ jeweils das Pleuel in zwei Pleuelteile unterteilt wird, die über ein Mittelgelenk miteinander verbunden sind, und wobei ferner ein Lenkerarm am Pleuel angelenkt ist, dessen anderes Ende über einen am Motorgehäuse verschiebbaren Anlenkungs­ punkt befestigt ist. Derartige Konstruktionen sind beispiels­ weise bekannt aus DE-A-29 35 073, DE-A-29 35 977, DE-A-30 30 615 sowie DE-A-37 15 391. Bei diesen Konstruk­ tionen ist der Lenkerarm unmittelbar an das Mittelgelenk ge­ koppelt, so daß sich hier erhebliche konstruktive und be­ triebstechnische Probleme ergeben. Insgesamt besteht der Nachteil dieser Konstruktionen darin, daß die bewegten Mas­ sen, nämlich Kolben und Pleuel größer werden und damit auch größere Massenkräfte zu beherrschen sind.

Die Anwendung dieses Prinzips auf eine Kolbenbrennkraftma­ schine mit in V-Anordnung in zwei Zylinderbänken angeordneten Zylindern ist, wenn überhaupt, nur mit erheblichem konstruk­ tiven Aufwand möglich.

Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man bei Kolbentriebwer­ ken mit Reihenanordnung der Zylinder versucht, eine Verände­ rung des Verdichtungsverhältnisses dadurch zu schaffen, daß man die Kurbelwelle in Exzenterringen gelagert hat, die ih­ rerseits drehbar im Motorgehäuse gelagert sind und die mit einem Stellantrieb in Verbindung stehen. Durch ein Verdrehen der Exzenterringe ist es möglich, die Höhenlage der Kurbel­ welle in bezug auf das Brennraumdach in der oberen Totpunkt­ stellung nach Bedarf zu verändern, so daß jeweils in der obe­ ren Totpunktlage eines Kolbens dieser mehr oder weniger Ab­ stand zum Brennraumdach einhält. Eine derartige Anordnung ist aus DE-A-198 41 381 bekannt. Das vorstehend beschriebene Kon­ zept der Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ist bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit einer Kurbelwelle in mehreren Zylinderbänken zugeordneten Zylindern, beispielsweise mit Zy­ lindern in V-Anordnung, nicht ohne weiteres möglich. Bedingt durch die kreisförmige Bewegungsbahn der Kurbelwelle bei ei­ nem Verschwenken der Exzenterringe ergibt sich nicht nur ein Verstellweg in vertikaler Richtung sondern auch in horizonta­ ler Richtung. Dies führt bei einer V-Anordnung der Zylinder für die Kolben der einen Zylinderbank zu einer anderen oberen Totpunktstellung als für die jeweils zugeordneten Kolben der anderen Zylinderbank, und damit zu unterschiedlichen Verdich­ tungsverhältnissen an beiden Zylinderbänken.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auch für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit V-Anordnung der Zylinder eine Möglichkeit zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses durch Verlagerung der Kurbelwelle zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, auch an einer Kolbenbrennkraftmaschine mit V-Anordnung der Zylinder auf jeden Fall für den Betriebspunkt "maximales Ver­ dichtungsverhältnis" (ε_max) und für den Betriebspunkt "minima­ les Verdichtungsverhältnis" (ε_min) zu gewährleisten, daß in der oberen Totpunktlage auch für das maximale bzw. minimale Ver­ dichtungsverhältnis für beide Zylinderbänke gleich einge­ stellt sind. Die Abweichungen in den Zwischenpositionen zwi­ schen ε_max und ε_min sind hierbei geringfügig und können entspre­ chend einer Ausgestaltung der Erfindung durch Verändern bzw. Anpassung des Zündzeitpunktes ausgeglichen werden. Dies er­ folgt dadurch, daß ein Stellwegsensor zur Erfassung der je­ weiligen Stellung der Kurbelwelle vorgesehen ist, der mit ei­ ner Motorsteuerung in Verbindung steht, über die in Abhängig­ keit von jeweiligen Zwischenstellungen der Zündzeitpunkt der Zylinderbank mit dem geringeren Verdichtungsverhältnis verän­ dert wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Schemadarstellung eines Vierzylinder-Reihenmotors zur Er­ läuterung des Grundprinzips der Kurbel­ wellenverlagerung,

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht analog Fig. 1 zur Erläuterung der Verhältnisse an einem V-Motor,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der geometri­ schen Zuordnung von Kurbelwellenachse und Exzenterachse,

Fig. 4 die Änderung des Verdichtungsverhältnisses ε vom Verstellwinkel ϕ der Exzenterlagerung.

Das Grundprinzip einer Veränderung des Verdichtungsverhält­ nisses durch Verlagerung der Kurbelwelle wird nachstehend für eine Vierzylinder-Reihenmaschine anhand von Fig. 1 erläutert. Wie die schematische Darstellung erkennen läßt, ist eine Kur­ belwelle 1 mit ihren Kurbelwellenlagern 2 in Exzenterringen 3 gelagert, die ihrerseits verschwenkbar in entsprechenden Traglagern eines angedeuteten Motorgehäuses 4 gelagert sind. Mit der Kurbelwelle 1 sind über Pleuel 5 jeweils hier nur schematisch angedeutete Kolben 6 verbunden. Die Kurbelwelle 1 ist in einer Stellungen gezeigt, in der die Zylinder 6 ₁ und 6 ₄ sich in der oberen Totpunktstellung befinden, während sich die Zylinder 6 ₂ und 6 ₃ in der unteren Totpunktstellung befin­ den.

Zumindest ein Teil der Exzenterringe 3 ist mit einem Stell­ mittel, beispielsweise einem starren Schwenkhebel 7 verbun­ den, der nach unten herausgeführt ist. Die Schwenkhebel 7 sind über eine Koppelstange 8 fest miteinander verbunden, so daß ein synchrones Verschwenken aller Exzenterringe möglich ist. Die Koppelstange 8 ist über ein Zugelement 9 mit einem schematisch dargestellten Stellantrieb 10 verbunden. Bei ei­ ner Bewegung des Zugelementes 9 in Richtung des Doppelpfeiles 11 werden die Schwenkhebel 7 entsprechend dem Doppelpfeil 12 aus einer Mittellage um einen Winkel +ϕ bzw. -ϕ hin- und her­ verschwenkt, so daß sich dementsprechend auch jeweils die Höhenlage der Kolben 6 in bezug auf das Brennraumdach des zu­ gehörigen Zylinders verändert. Jeweils in einer vorgegebenen Endstellung wird das maximale Verdichtungsverhältnis ε_max bzw. ε_min erreicht.

Wie aus der schematischen Darstellung ableitbar, ist die Drehachse 13 der Kurbelwelle 1 um das Maß e exzentrisch zur Schwenkachse 14 der Exzenterringe 3 angeordnet, die in einer senkrecht zur vertikalen Längsebene der Kolbenbrennkraftma­ schine verlaufenden Basisebene ausgerichtet sind. Die verti­ kale Längsebene kann beispielsweise durch die Zylinderachsen definiert sein.

Über die Schwenkhebel 7 wird die Drehachse 13 aus einer ange­ nommenen Mittelstellung (der Schwenkhebel 7 weist hierbei senkrecht nach unten) in die eine oder andere Richtung ver­ schwenkt. Dadurch wird die Kurbelwellenachse um ein Maß a ge­ genüber der ortsfesten Basisebene angehoben bzw. abgesenkt. Das bedeutet aber auch, daß bei einer Drehung der Kurbelwelle der Kolbenboden des Kolbens 6 ₁ in der oberen Totpunktstellung um das gleiche Maß näher an das Brennraumdach heranreicht, so daß auch das Verdichtungsverhältnis entsprechend erhöht wird. Werden über den Schwenkhebel 7 die Exzenterringe 3 in die Ge­ genrichtung verschwenkt, wird die Kurbelwellenachse 13 gegen­ über der im Motorblock 1 ortsfesten Schwenkachse 14 der Ex­ zenterringe 3 um ein entsprechendes Maß abgesenkt, so daß dann in der oberen Totpunktstellung der Abstand des Kolbenbo­ dens gegenüber dem Brennraumdach vergrößert ist und dement­ sprechend das Verdichtungsverhältnis um ein entsprechendes Maß reduziert ist. Bei einer Verschwenkung um den Winkel +ϕ_max bzw. -ϕ_max gegenüber der Basisebene wird jeweils das maximal mögliche bzw. minimal mögliche Verdichtungsverhältnis ε_max bzw ε_min eingestellt.

Statt einer Verstellung der Exzenterringe 3 über Schwenkhebel und Koppelglieder ist es auch möglich, die Exzenterringe 3 selbst oder die freien Enden der Schwenkhebel 7 jeweils über einen Teilbereich ihres Außenumfanges mit einem Zahnsegment zu versehen, das mit einer entsprechenden Ritzelanordnung in Eingriff steht, so daß für eine parallel zur Exzenterachse 14 verlaufende Stellwelle die Verschwenkung der Exzenterringe 3 erfolgen kann. Weder bei einer Anordnung mit Schwenkhebel 7 noch bei einer Anordnung über Ritzel ist es erforderlich, daß alle Exzenterringe mit dem Stellmittel in Verbindung stehen. Es genügt, wenn beispielsweise die jeweils die Endlager der Kurbelwelle tragenden Exzenterringe mit dem Stellmittel in Verbindung stehen, da bei einem Stelleingriff die anderen Ex­ zenterringe zwangsläufig über die Kurbelwelle 1 mitgenommen werden.

In Fig. 2 ist ausgehend von dem anhand von Fig. 1 beschriebe­ nen Grundprinzip eine schematische Stirnansicht einer Kolben­ brennkraftmaschine mit V-Anordnung der Zylinder dargestellt. Gleiche Elemente sind hier mit gleichen Bezugszeichen verse­ hen, so daß auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann.

Bei dem in Fig. 2 schematische dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind an der ersten Kröpfung 1.1 der Kurbelwelle 1 und entsprechend auch an allen weiteren Kröpfungen der Kurbelwel­ le 1 jeweils die Pleuel 5.1 der einen Zylinderbank und die Pleuel 5.2 der anderen Zylinderbank angelenkt und jeweils mit den zugeordneten Kolben 6 _1.1 und 6 _1.2 verbunden.

Die Kurbelwelle 1, hier angedeutet durch ihre Drehachse 13 und den Kurbelarm 1.2, ist wiederum in Exzenterringen 3 gela­ gert, die ihrerseits um die Schwenkachse 14 in dem als Lager­ bock schematisch angedeuteten Motorgehäuse 4 gelagert sind. Der Abstand der Kurbelwellendrehachse 13 zur Schwenkachse 14 ist durch eine vorgegebene Exzentrizität e bestimmt. Wie vor­ stehend anhand von Fig. 1 beschrieben, kann durch Verschwen­ ken eines mit dem Exzenterring 3 verbundenen Stellmittels, hier wiederum als Schwenkhebel 7 dargestellt, die Kurbelwel­ lendrehachse 13 relativ zur gehäusefesten Schwenkachse 14 der Exzenterringe 3 angehoben oder abgesenkt werden.

Die Drehachse 13 der Kurbelwelle 1 bewegt sich hierbei auf einer Kreisbahn 15 um die Schwenkachse 14 der Exzenterringe. Während diese Abweichung von der reinen Vertikalbewegung bei einer Mehrzylinder-Reihenmaschine, wie anhand von Fig. 1 dar­ gestellt, unbeachtlich ist, führt eine Verstellung der Kur­ belwelle bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit V-Anordnung der Zylinder dazu, daß sich neben der gewünschten Verstellung in vertikaler Richtung auch eine Verstellung in horizontaler Richtung, d. h. senkrecht zur Winkelhalbierenden zwischen den Zylinderbänken ergibt, so daß sich bei einer entsprechenden Veränderung der Höhenlage der Drehachse 13 der Kurbelwelle 1 gegenüber der Basisebene infolge der Horizontalkomponenten zwischen beiden Zylinderbänken abweichende Verdichtungsver­ hältnisse für die jeweilige Einstellung ergeben.

Wählt man nun, entsprechend Fig. 3, die Anordnung so, daß die beiden Zylinderachsen Z₁ und Z₂ eines V-Elementes sich in der Längsmittelebene 1 schneiden und daß die durch die Schwenk­ achse 14 der Exzenterringe 3 definierte Basisebene B durch den Schnittpunkt S der Zylinderachsen Z₁ und Z₂ verläuft, wo­ bei die Schwenkachse 14 so im Motorgehäuse angeordnet ist, daß die Basisebene B senkrecht zur Längsmittelebene L ausge­ richtet ist, die durch die Winkelhalbierende des Winkels zwi­ schen Z₁ und Z₂ definiert ist, dann ist es möglich, für das maximale Verdichtungsverhältnis ε_max einerseits und das mini­ male Verdichtungsverhältnis ε_min andererseits eine Position der Kurbelwelle vorzugeben, in der auf beiden Bänken die gleichen Totpunktlagen gleichzeitig erreicht werden. Diese Bedingungen sind dann erfüllt, wenn der Abstand v der Schwenkachse 14 der Exzenterringe 3 zur Längsmittelebene L so bemessen ist, daß v = e.cosϕ_max entspricht. e ist hierbei die Exzentrizi­ tät, d. h. der abstand der Kurbelwellendrehachse 13 zur Schwenkachse 14. +ϕ_max' bzw. -ϕ_max ist hierbei der für das maxi­ male Verdichtungsverhältnis bzw. minimale Verdichtungsver­ hältnis vorgesehene Schwenkwinkel ϕ - bezogen jeweils auf ein Verschwenken gegenüber der Basisebene B. Der Gesamt­ schwenkwinkel ϕ = 2.ϕ_max wird hierbei vorgegeben durch die maximale Verstellung der Kurbelwellenachse 13 gegenüber der Basisebene B nach oben und nach unten.

Wie Fig. 3 erkennen läßt, wird die Drehachse 13 der Kurbel­ welle 1 auf einem Kreisbogen 15 geführt, so daß sich die geo­ metrischen Verhältnisse für Zwischenstellungen ändern und dementsprechend die beiden Zylinderbänke in den Zwischenstel­ lungen unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse aufweisen, in den jeweils "nachlaufenden" Zylindern die Brennabläufe geringfügig verschlechtert sind. Diese Abweichung ist im Diagramm gemäß Fig. 4 dargestellt. In den Punkten a) und b) ist jeweils das Verdichtungsverhältnis für beide Zylinderbän­ ke gleich. Die Abweichungen in der Nähe dieser beiden Punkte a) bzw. b) sind jedoch noch vernachlässigbar gering, so daß - wie aus Fig. 3 ersichtlich - der Gesamtschwenkwinkel ϕ etwas größer als der vorstehend angegebene, durch die Optimalpunkte a) und b) vorgegebene Winkel ϕ gewählt werden kann.

Dies kann nun erfindungsgemäß in der Weise ausgeglichen wer­ den, daß der Verstelleinrichtung ein entsprechender Stell­ wegsensor zugeordnet wird, über den die jeweilige Einstellung des Verdichtungsverhältnisses erfaßt wird. In Fig. 2 ist dies schematisch durch einen im Exzenterring 3 zugeordneten Stell­ wegsensor 16 dargestellt, der mit einer Motorsteuerung 17 in Verbindung steht, über die in Abhängigkeit von den jeweiligen Zwischenstellungen ϕ zwischen +ϕ_max und -ϕ_max oder auch eine Erfassung der Höhenlage der Kurbelwellendrehachse 13 gegen­ über der Basisebene B der Zündzeitpunkt der Zylinderbank mit geringerem Verdichtungsverhältnis so vorverlegt wird, daß durch die Zündung der "fehlende" Druck gegenüber der anderen Zylinderbank im oberen Totpunkt erreicht wird.

Claims (4)

1. Fremdgezündete Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylinderbänken, insbesondere in in V-Anordnung angeord­ neten Zylindern und mit Kolben (6), die über Pleuel (5) mit einer Kurbelwelle (1) verbunden sind, deren Lager (2) in Ex­ zenterringen (3) angeordnet sind, die ihrerseits in Tragla­ gern im Motorgehäuse (4) um eine Schwenkachse (14) ver­ schwenkbar gelagert sind und die mit einem Stellantrieb (10) in Verbindung stehen, wobei die Schwenkachse (14) mit einer Exzentrizität (e) parallel zur Kurbelwelle verlaufend im Mo­ torgehäuse (4) ausgerichtet ist und die Drehachse (13) der Kurbelwelle (1) bei Verschwenken der Exzenterringe (3) um ei­ nen Winkel +ϕ_max bzw. -ϕ_max jeweils in der Stellung für das ma­ ximale Verdichtungsverhältnis ε_max und für das minimale Ver­ dichtungsverhältnis ε_min in etwa in der Längsmittelebene (L) der Kolbenbrennkraftmaschine verläuft, die durch die Schnitt­ punkte der Zylinderachsen (Z₁, Z₂) definiert ist.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schwenkachse (14) der Exzenterringe (3) und die Schnittpunkte S der Zylinderachsen (Z₁, Z₂) in einer senkrecht zur Längsmittelebene (L) ausgerichteten Basisebene (B) verlaufen.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) der Schwenkachse (14) zur Längsmittelebene (L) dem Maß v = e.cosϕ_max entspricht.

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellwegsensor (16) zur Er­ fassung der jeweiligen Stellung der Kurbelwelle (1) gegenüber der Basisebene (B) vorgesehen ist, der mit einer Motorsteue­ rung (17) in Verbindung steht, über die in Abhängigkeit von jeweiligen Zwischenstellungen der Zündzeitpunkt der Zylinder­ bank mit dem geringeren Verdichtungsverhältnis verändert wird.