DE102004015369B4

DE102004015369B4 - Kolbenbrennkraftmaschine mit hydraulisch verschiebbarer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102004015369B4
Application number: DE200410015369
Authority: DE
Inventors: Joachim Mozdzanowski
Original assignee: Mozdzanowski Joachim Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Mozdzanowski Joachim Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: DE102004015369A1

Abstract

Kolbenbrennkraftmaschine mit einer durch Hydraulikelemente vertikal verschiebbarer Kurbelwelle, dadurch gekenzeichnet, dass die Kurbelwellenlager (2) aus zwei ober- und unterhalb der Kurbelwelle (1) angeordneten Lagerbrücken (3a, 3b) bestehen, die fest mit einem Kurbelwellengehäuse (4) verbunden sind und zylindrische Bohrungen (6a, 6b, 6C, 6d) welche in horizontaler Richtung verlaufen, aufweisen, in denen Hydraulikkolben (7a, 7b, 7C, 7d) verschiebbar so gelagert sind, dass sie auf Schrägen (8a, 8b, 8C, 8d) von den Lagerschalen (9a, 9b) der Kurbelwelle drücken und die Schrägen (8a, 8b, 8c, 8d) vorzugsweise einen Winkel von 30 grad zur horizontalen Ebene haben und dass die zylindrischen Bohrungen (6a, 6b) unabhängig von den zylindrischen Bohrungen (6c, 6d) hydraulisch angesteuert werden.

Description

Die z.Zt. gefertigten Kolbenbrennkraftmaschinen haben einen konstanten Verdichtungsraum. Dadurch verschlechtert sich der thermische Wirkungskreis im Teillastbereich erheblich und erfordert einen erhöhten Kraftstoffbedarf, gemäß der Formel für den thermischen Wirkungsgrad

Nur bei Anpassung des Verdichtungsraumes V_c an den Füllungsgrad bzw. an die angesaugte Luftmasse lässt sich der Wirkungsgrad, auch im Tellastbereich, konstant halten. Diese Zielsetzung wurde bereits in vielen Patentschriften angestrebt, wie z.B. die Schweizer Patentschrift 260702 durch einen zusätzlichen Raum im Zylinderkopf, die DE 640 06 177 T2 lehrt die Verstellung der Kurbelwelle um den oberen Topunkt und damit den Verdichtungsraum zu verändern, sowie die DE 363985011 , die eine Anderung des Abstandes zwischen Motorgehäuse und Zylinderkopf aufweist. Allerdings konnten sich diese Vorschläge bis jetzt nicht durchsetzen, da bei allen die geforderte Betriebssicherheit nicht gewährleistet wird. Eine neuere Anmeldung, die Offenlegung DE 10008423 A1 mit einer Verlagerung der Kurbelwelle durch mechanische Elemente weist in die richtige Richtung, hat aber den Nachteil einer komplizierten Mechanik und dass die Verteilung der Kräfte auf die einzelnen Kurbelwellenlager schwierig ist. In der Japanischen Patentschrift 03271530 wird die vertikale Verschiebung durch Hydraulikelemente vorgeschlagen, eine Verbesserung zu der mechanischen Lösung. Allerdings erfolgt die Einspannung der Kurbelwelle nur in vertikaler Richtung. Die Kräfte in der horizontalen Ebene müssen von Führungen aufgenommen werden. Dies erfordert eine genaue Ausrichtung der Lager im Kurbelwellengehäuse.

Da die vertikale Verschiebung der Kurbelwelle einen relativ kleinen Wert hat, wird die Feinabstimmung und Regelung der Verschiebung bei dieser Anordnung der Hydraulikkolben in vertikaler Richtung schwierig. Dazu kommt als Nachteil, dass ein hoher hydraulischer Druck benötigt wird, da die Hydraulikkolben aus Platzgründen zwischen den Zylindern nur einen kleinen Durchmesser haben können.

Die Längenausrichtung der Kurbelwelle wird in dieser Patenschrift nicht berücksichtigt, d.h. es fehlt die Kontrolle einer Schiefstellung der Kurbelwelle durch die verschiedenen Lager. Ein weiterer Schwachpunkt liegt in der Verbindung zwischen Kurbelwelle und Getriebe, um die vertikale Verschiebung der Kurbelwelle auszugleichen. Bei Motordrehzahlen bis zu 6000 min^–1 muss diese Verbindung Unwuchtfrei drehen.

Die Räder 15 (siehe Blatt -4- der Patentschrift) in 3 und 4, am Hebelarm 16a/b bilden zusammen ein labiles, nicht schwingungsfreies System, die Übertragungsräder 15, der Räder 13/14 haben dabei eine Drehzahl, die über 20.000 min^–1 liegt, wenn die Kurbelwelle eine Drehzahl von 6.000 min^–1 hat, d.h. diese Konstruktion lässt sich so nicht realisieren.

Durch die Erfindung werden diese Mängel beseitigt und die Wirkung der Hydraulikkolben verbessert. Die Hydraulikkolben werden in horizontaler Richtung angeordnet und zwar so, dass sie auf die Schrägen der Lagerschalen drucken (siehe 2). Die Kurbelwellenlager 2 bestehen bei der Erfindung aus zwei Lagerbrücken 3a und 3b, die ober- und unterhalb der Kurbelwelle 1 angeordnet und durch die Schrauben 5a/b mit dem Kurbelwellengehäuse 4 fest verbunden sind. Sie haben die zylindrischen Bohrungen 6a, b, c und d, die in horizontaler Richtung von beiden Seiten zur Kurbelwelle 1 gerichtet verlaufen und in denen die Hydraulikkolben 7a, b, c und d verschiebbar angeordnet sind und auf die Schrägen 8a, b, c und d der Lagerschalen 9a und 9b ausgerichtet sind. Durch die Leitungen 10a und 10b wird die Druckflüssigkeit zu den oberen zylindrischen Bohrungen 6a und 6b und über die Zuleitung 10c und 10b zu den zylindrischen Bohrungen 6c und 6d zu der unteren Lagerbrücke 3b geleitet. Die Abdichtung 11 der Kolben 7a, b, c und d erfolgt durch eine Forseal PTFE Dichtung mit metallischer Spannfeder und zwischen den einzelnen Bauteilen durch O-Ringe 12. Die seitliche Führung der Lagerschalen 9a und 9b in den Lagerbrücken 3a und 3b erfolgt über die schwalbenschwanzartigen Ausnehmungen 13a und 13b (siehe 3).
In 4 sind die Kräfte F_h der Hydraulikkolben in horizontaler Richtung und F_v in vertikaler Richtung eingezeichnet. Durch die Schrägen 8a, b, c und d wird bei einem Winkel α = 30° die Kraft F_v etwa doppelt so groß wie F_h. Dadurch kann der erforderliche hydraulische Druck auf die Hälfte verringert werden. Die horizontale Verschiebung s_h der Hydraulikkolben 7a, b, c und d wird durch diese Ausführung etwa doppelt so groß wie die vertikale Verschiebung s_v der Lagerschalen 9a und 9b bzw. der Kurbelwelle 1. Durch den größeren Weg s_h der Hydraulikkolben lässt sich die vertikale Verschiebung besser regeln. Der Winkel α kann bei dieser Anordnung einen Wert von 20° – 45° haben. Er wurde in 4 mit 30° gezeichnet. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass sowohl die vertikalen als auch die horizontalen Kräfte, die auf die Kurbelwelle wirken, spielfrei aufgenommen und dass dabei Bauungenauigkeiten kompensiert werden können.
5 zeigt die Hydraulikanlage für einen 4 Zylinder Reihenmotor mit fünf Lagern 2a, b, c., d und e als Schema. Hierin wird die Regelung der Druckflüssigkeit zu den Hydraulikkolben 7a, b, c und d aufgezeigt. Das Motorsteuergerät 13 (ME-MOTRONIC) berechnet aufgrund der Daten der Sensoren 14, wie Drehzahlsensor, Luftmassensensor, Drosselklappenwinkelsensor, Lambdasonde, Klopfsensor usw. die vertikale Lage der Kurbelwelle 1 bzw. die nötige Verschiebung. Die Rückmeldung erfolgt dabei über zwei Abstandsensoren 15a und 15b, die an den Kurbelwellenenden angeordnet sind. Diese regeln über die elektromagnetisch betätigten 2/2 Wegeventile 16a und 16b den Abstand der Kurbelwellenenden zum Kurbelwellengehäuse 4 auf gleiche Höhe in dem der Zufluss von Druckflüssigkeit zu den Leitungen 10a/b oder 10c/d der Lager 2a oder 2e unterbrochen wird.
Der Zufluss von Druckflüssigkeit erfolgt durch das Hydraulikaggregat 17 über das elektromagnetisch betätigte 3/4Wegeventil 18, das durch die Öffnungszeit vom Motorsteuergerät 13 vorgegeben wird. Dabei wird eine konstante Druckölmenge in der Zeiteinheit durch die Hydraulikpumpe 19, die mit konstanter Drehzahl des Elektromotors 20 angetrieben wird, erzeugt. Zwischen dem 3/4Wegeventil 18 und den Zuleitungen 10a/b und 10c/d ist der Ventilblock 21 mit Druckbegrenzungs- und Nachfüllventilen vorhanden. Dadurch wird der Druck vor den Hydraulikkolben konstant gehalten, sodass auch während der Verschiebung die Kurbelwelle fest eingespannt ist. Durch die Nachfüllventile werden die Leckagen ausgeglichen.
In 6 wird die Verbindung zwischen Kurbelwelle 1 und Abtriebwelle 22 aufgezeigt, um die vertikale Verschiebung s_v der Kurbelwelle 1 auszugleichen. Am Ende der Kurbelwelle 1 ist das schräg verzahnte Zahnrad 23 drehfest gelagert. Dieses kämmt mit den in horizontaler Lage angeordneten Zahnrädern 24a und 24b, die drehbar im Kurbelwellengehäuse 4 gelagert sind. Die Zahnräder 24a und 24b sind gleichzeitig mit dem Zahnrad 25 der Abtriebswelle 22 im Eingriff. Durch diese Anordnung wird nur das Drehmoment der Kurbelwelle 1 auf die Abtriebswelle 22 übertragen (siehe 7). Es entstehen dabei keine freien Kräfte. Durch die Verschiebung des Zahnrades 23 wird die Lagerluft entsprechen dem Durchmesser der Zahnräder 24a und 24b vergrößert. Da die Zahnräder eine Schrägverzahnung von 30° haben, die axialen Kräfte heben sich im System aufheben, kann diese Vergrößerung des Zahnspiels zugelassen werden.
In 8 und 9 ist ein Motor mit einer V-90°Anordnung der Zylinder gezeichnet. Die Erfindung lässt sich auch für diese Zylinderanordnung verwenden. Dabei muss, um die Verschiebung s_v des oberen Todpunktes zu erhalten, dieser Wert, d.h. s_v mit √2 multipliziert werden. Dabei wird allerdings eine Desachsierung e erzeugt, die den Wert e = s_v/2 hat.

Claims

Kolbenbrennkraftmaschine mit einer durch Hydraulikelemente vertikal verschiebbarer Kurbelwelle, dadurch gekenzeichnet, dass die Kurbelwellenlager (2) aus zwei ober- und unterhalb der Kurbelwelle (1) angeordneten Lagerbrücken (3a, 3b) bestehen, die fest mit einem Kurbelwellengehäuse (4) verbunden sind und zylindrische Bohrungen (6a, 6b, 6C, 6d) welche in horizontaler Richtung verlaufen, aufweisen, in denen Hydraulikkolben (7a, 7b, 7C, 7d) verschiebbar so gelagert sind, dass sie auf Schrägen (8a, 8b, 8C, 8d) von den Lagerschalen (9a, 9b) der Kurbelwelle drücken und die Schrägen (8a, 8b, 8c, 8d) vorzugsweise einen Winkel von 30 grad zur horizontalen Ebene haben und dass die zylindrischen Bohrungen (6a, 6b) unabhängig von den zylindrischen Bohrungen (6c, 6d) hydraulisch angesteuert werden.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschalen (9a und 9b) an ihren seitlichen Begrenzungen die Schrägen (8a, 8b, 8c, 8d) aufweisen, die symmetrisch zur Kurbelwellenmitte verlaufen und deren senkrechter Abstand zur Kurbelwellenmitte gleich ist, so dass die Lagerschalen (9a, 9b) zusammen eine rombusähnliche Form haben und die Hydraulikkolben (7a, 7b, 7c, 7d) an ihren den Lagerschalen (9a, 9b) zugewandten Enden ebenfalls Schrägen mit dem gleichen Winkel wie die Lagerschalen (9a, 9b) haben und dass der Winkel der Schrägen (8a, 8b, 8c 8d) zur horizontalen Ebene zwischen 20 bis 45 grad liegt.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckflüssigkeit zu den zylindrischen Bohrungen (6a, 6b, 6c, 6d) der äußeren Lager (2a, 2e) durch die Abstandspotentiometer (17a, 17b) die an den Kurbelwellenenden angeordnet sind, in Verbindung mit den elektromagnetisch betätigten 2/2 Wegeventilen (16a, 16b) so über das Motorsteuergerät (13) geregelt werden dass die vertikalen Abstände der Kurbelwellenenden zum Kurbelwellengehäuse (4) gleich sind.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet dass die Übertragung des Drehmomentes der Kurbelwelle (1) auf die Abtriebswelle (22) über die Zahnräder (24a, 24b) erfolgt, die in der horizontalen Ebene zu beiden Seiten der Kurbelwelle (1) drehbar im Kurbelwellengehäuse (4) gelagert sind und mit dem Zahnrad (23) der Kurbelwelle (1) und mit dem Zahnrad (25) der Abtriebswelle (22) gleichzeitig im Eingriff sind.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet dass die Zufuhr der Druckflüssigkeit zu den zylindrischen Bohrungen (6a, 6b, 6c, 6d) der Lagerbrücken (3a, 3b) seitlich von diesem erfolgt.