DE102004042765A1

DE102004042765A1 - Kraftrad mit kompakter Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102004042765A1
Application number: DE102004042765A
Authority: DE
Inventors: Clemens Neese
Original assignee: Individual
Current assignee: Kj Ip Verwaltungs De GmbH
Priority date: 2004-09-05
Filing date: 2004-09-05
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2024-09-06
Also published as: DE102004042765B4; ES2397848T3; EP1789664B1; US7753012B2; EP1789664A1; US20080168957A1; WO2006026960A1; CA2578579C; CA2578579A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftrad mit einer platz- und gewichtsparenden Motoranordnung. Durch Verwendung einer kompakten Verbrennungskraftmaschine nach dem VR- und W-Prinzip werden sehr geringe Abmessungen und Gewichte des Kraftrades erzielt. Auch Verbrennungskraftmaschinen mit sechs bis zwölf Zylindern können dadurch für Krafträder eingesetzt werden. Durch die kompakten Abmessungen des Motors werden trotz hoher Zylinderzahl Krafträder mit schlanker Form und günstiger Aerodynamik realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftrad mit einer platz- und gewichtsparenden Motoranordnung gemäß den aufgeführten Patentansprüchen. Insbesondere wird eine kompakte Verbrennungskraftmaschine nach dem VR- und W-Prinzip verwendet, welche sich im Verhältnis zu Hubraum und/oder Zylinderzahl durch sehr geringe Abmessungen und geringes Gewicht auszeichnet.

Als Antrieb haben Krafträder hauptsächlich Verbrennungskraftmaschinen. Üblicherweise werden luft- oder flüssigkeitsgekühlte Ottomotoren eingesetzt, die nach dem Zwei- oder Viertaktprinzip arbeiten. Auch Dieselantriebe bzw. Wankelmotoren sind bekannt. Als Zylinderanordnung werden Boxer-, Reihen oder V-Anordnungen mit querliegender oder längsliegender Kurbelwelle eingesetzt. Bekannt sind Einzylinder und – bei mehrzylindriger Anordnung – Zwei- bis Sechszylindermotoren. Mangels Platz wurden bisher keine Motoren mit größerer Zylinderanzahl in der Großserie verbaut, auch sechs Zylinder sind aufgrund Ihrer Baugröße bis heute nur vereinzelt aufgetreten.

Krafträder sind nach heutigem Stand der Technik mit Motoreneinbauten versehen, die man in zwei grundsätzliche Geometrien einteilen kann: In ersten Fall liegt die Kurbelwelle längs zur Fahrtrichtung und ermöglicht somit eine Kraftübertragung über das Getriebe bis zur Hinterradachse über einen längsliegenden Wellenzug (Kardanantrieb). Zum Antrieb des Hinterrades ist nur eine Wellenrichtungsänderung (90 Grad) direkt am Hinterrad nötig und somit wird ein relativ verlustarmer, leichter und wartungsarmer Antrieb gewährleistet. Im zweiten Fall liegt die Kurbelwelle quer zur Fahrtrichtung. Dies bedeutet eine Kraftübertragung zum Hinterrad mit querliegenden Wellen, sowie zumeist eine Kettenübertragung zwischen Getriebeabtrieb und Hinterrad. Diese Bauart erzielt den höchsten Wirkungsgrad in der Kraftübertragung, ermöglicht niedriges Gewicht und niedrige Herstellungskosten, ist aber wartungsintensiver. Bauausführungen, bei denen eine Kraftübertragung ausschließlich mit Wellen ohne Verwendung einer Kettenübertragung zum Hinterrad bei quer zur Fahrtrichtung liegender Kurbelwelle stattfindet, benötigen zwei Wellenrichtungsänderungen in der Wellenübertragungssequenz, zunächst eine Richtungsänderung (90 Grad) am Getriebeausgang von quer nach längs (bezogen auf die Fahrtrichtung) zur Entfernungsüberbrückung zum Hinterrad und dort wieder von längs nach quer (90 Grad) zur Übertragung des Antriebsmomentes auf die Hinterachse. Dies hat einen schlechteren Wirkungsgrad des Antriebes zur Folge, erfordert mehr Gewicht und Bauraum und ist teurer in der Herstellung. Diese Bauausführung kommt dennoch wegen der größeren Wartungsarmut gegenüber Kettenantrieben ebenfalls zum Einsatz. Beispiele von Kettenantrieben bei längsliegender Kurbelwelle sind in der Großserie nicht bekannt.

Bei längsliegenden Kurbelwellen und mehrzylindriger Motorenausführung ist von Nachteil, daß übliche Anordnungen entweder zu großer Baubreite führen (Boxermotoren, traditionelle V Motoren) oder zu großer Baulänge (z.B. Einbau eines mehrzylindrigen Reihenmotors in Längsrichtung). Zudem sind bei Boxer- oder V-Motoren die Zylinderköpfe mehrfach vorhanden. Bauausführungen dieser Art sind schon seit den 1920er Jahren bekannt, wie auch die damit zusammenhängende Problematik von Abmessungen und Gewichten.

Querliegende Kurbelwellen sind nicht zweckmäßig zur Realisierung eines leichten, einfachen und effektiven Kardanantriebes. Sie liefern aber unter Verwendung einer Kettenübertragung zu Hinterrad ein günstiges Gewicht und den besten Wirkungsgrad im Antriebsstrang. Nachteilig ist beim Quereinbau von Reihenmotoren die breite Stirnfläche, die mit wachsender Zylinderzahl der gewünschten Stromlinienform und der Wendigkeit eines Kraftrades durch große seitliche Abstände zum Fahrzeugschwerpunkt zuwiderläuft. Daher sind z.B. Modelle mit querliegenden, sechszylindrigen Reihenmotoren von 750 bis 1300 ccm Hubraum aus den 1980er Jahren von verschiedenen Herstellern ohne größeren Erfolg wieder vom Markt verschwunden. Die heute maximal übliche Zylinderzahl bei querliegenden Reihenmotoren für Krafträder liegt bei vier.

Bei existierenden Ausführungen von Kraftrad-V-Motoren mit querliegender Kurbelwelle und großem V-Winkel erweisen sich die Baulänge in Fahrtrichtung sowie die Notwendigkeit mehrfacher Zylinderköpfe als nachteilig. Serienausführungen dieser Art sind mit zwei bis fünf Zylindern bekannt.

Krafträder haben keine Karosserie wie ein PKW, dessen Motor großflächig von dieser umgeben wird. Anders als im PKW beeinflußt die äußere Form und Größe eines Kraftradmotors die Aerodynamik und Wendigkeit eines Kraftrades ganz unmittelbar als maßgeblicher Bestandteil der äußeren Kontur. Verbesserungen im Bereich der Motorabmessungen und -gewichte für Krafträder sind daher von besonders großer Bedeutung.

Der Erfindung liegt die deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kraftrad mit einem kompakteren, mehrzylindrigen Motor anzugeben.

Die Lösung der Aufgabe ist gelenkt durch ein Kraftrad nach den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren, abhängigen Ansprüchen angegeben.

Durch eine VR-Anordnung oder W-Anordung der Zylinder ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Motors. Egal ob z.B. als Dreizylindermotor oder als Zwölfzylinder erhält man dadurch deutlich kompaktere Abmessungen als bei bekannten Kraftradmotorkonzepten.

Dies ermöglicht bei (bezogen auf die Fahrtrichtung) längs- oder querliegenden Kurbelwellen größere Zylinderzahlen und/oder Hubräume bei geringeren Baumaßen und Gewichten sowie bessere Aerodynamik und Wendigkeit.

Insbesondere erhält man durch die VR-Anordnung bei querliegender Kurbelwelle eine sehr kleine Stirnfläche der Zylinderanordnung (dies gilt auch für querliegende W-Anordnungen). Von Vorteil ist dabei die aerodynamisch günstige Form des Kraftradmotors, die zudem die Bodenfreiheit für große Kurwenschräglagen des Kraftrades erhöht. Es lassen sich viele Zylinder anordnen, ohne daß eine breite, unharmonische Stirnfläche des Motors entsteht. Ferner wird der Motor erheblich leichter, so daß auch vielzylindrige Motoren mit Hubräumen über 750–1000 ccm für fahrdynamisch leistungsfähig ausgelegte Krafträder eingesetzt werden können.

Bei einem querliegenden VR5 oder VR6-Motor ergeben sich beispielsweise derart kompakte Abmessungen, daß der Motor sich trotz Quereinbau sehr schlank in die Linie des Kraftrads einfügt, anders als die sehr breiten, bekannten Sechszylinderreihenmotoren. Damit wird neben den obengenannten Aspekten eine deutlich größere Akzeptanz beim Kunden erzielt. Ferner ist denkbar, daß sich auch ein VR8-Motor einbauen läßt, der sich bei angepaßtem Hubraum auch quer gut in die Linie eines Kraftrads einfügt und nicht durch klobige Abmessungen stört.

Im folgenden wird eine VR-Zylinderbank als die Summe zweier VR Zylinderreihen in einem gemeinsamen Zylindergehäuse bezeichnet. Ein VR- Motor besteht somit aus einer Zylinderbank mit zwei auf Lücke angeordneten Zylinderreihen. Durch V-förmige Koppelung zweier VR-Zylinderbänke, die alle auf eine Kurbelwelle wirken, erhält man eine W-Anordnung. Dadurch kann ein Vier-, Sechs-, Acht-, Zehn- oder Zwölfzylindermotor derart kompakt gebaut werden, daß er sich für den Einbau in ein Kraftrad eignet. Ein W- Motor besteht somit aus der Koppelung von zwei VR-Zylinderbänken mit jeweils zwei, also insgesamt vier Zylinderreihen Bei längsliegender Kurbelwelle lassen sich somit über eine W-Anordnung (wie auch über eine VR- Anordnung) mehrzylindrige Motoren mit für Krafträder typischen oder sogar größeren Hubräumen realisieren, bei gleichzeitiger Erzielung von sehr kompakten Längen- und Breitenmaßen des Kraftrades. Zudem kommt die Form eines W- oder VR-Motors mit längsliegender Kurbelwelle der Bodenfreiheit eines Kraftrades entgegen und ermöglicht vergleichsweise starke Schräglagen bei Kurvenfahrt sowie einen günstigen Kardanantrieb mit nur einer Wellenrichtungsänderung.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, daß der Kurbeltrieb der Kraftradmotoren geschränkt ausgeführt ist. Bei einem VR-Kraftradmotor schneiden sich dabei die beiden Ebenen, die durch die Zylinderachsen jeder Zylinderreihe gebildet werden, unterhalb der Kurbelwellenachse. Unter der Annahme einer lotrechten Mittelebene (die die Kurbelwellenmittelachse beinhaltet) bei einem W-Motor schneiden sich die jeweiligen zwei Ebenen der beiden VR-Zylinderbänke (mit je zwei Zylinderreihen) unterhalb der Kurbelwellenachse und auf der gegenüberliegenden Seite der Mittelebene.

In weiterer, bevorzugter Ausführung ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, daß bei VR- und W-Kraftradmotoren die VR-Zylinderbänke mit zwei Zylinderreihen jeweils zu einem zusammenhängenden Zylinderblock zusammengefaßt sind, welcher von einem diesen beiden Reihen gemeinsamen Zylinderkopf abgedeckt ist.

In vorteilhafter Ausführung ist gemäß Anspruch 5 und 17 vorgesehen, VR- und W-Kraftradmotoren in Blockmotorbauweise einzusetzen. Motor und Getriebe bilden dabei eine platz- und gewichtsparende Einheit, indem sie ein gemeinsames Gehäuse und ein gemeinsames Ölreservoir nutzen. Dies ist im Kraftradbau insbesondere bei quereingebauten Motoren mit querliegenden Wellen bis zum Getriebeabtrieb üblich und somit werden die Platzvorteile, die sich aus der VR- oder W-Anordnung der Zylinder und aus der Blockmotorbauweise ergeben, in günstiger Weise kombiniert.

In weiterer vorteilhafter Ausführung ist gemäß Anspruch 6 vorgesehen, daß bei quereingebauten VR-Kraftradmotoren mit ungerader Zylinderzahl eine strömungsgünstige, in Fahrtrichtung nach vorne eingeschnürte Form von Zylinderblock und Zylinderkopf vorgesehen wird. Dabei beträgt die Anzahl der Zylinder in der vorderen Zylinderreihe n, in der hinteren Zylinderreihe n + 1, mit n größer oder gleich 1.

Als günstig erweist sich auch die Möglichkeit, Kraftradmotoren nach dem VR- und W-Prinzip gemäß Anspruch 20 und 21 in wahlweise langhubiger oder kurzhubiger Bauweise zu gestalten. Je nach Kraftradart werden dabei in langhubiger Bauweise ein günstigerer Drehmomentverlauf, bei kurzhubiger Bauweise höhere Drehzahlen und eine höhere Spitzenleistung erzielt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1: Vorteilhafte Nutzung eines geschränkten Kurbeltriebes
2: Günstige Zylinderkopfgestaltung für VR Motoren mit ungerader Zylinderzahl für Quereinbau in Krafträder, Gasführung, Draufsicht
3: Günstige Zylinderkopfgestaltung für VR Motoren mit ungerader Zylinderzahl für Quereinbau in Krafträder, Nockenwellenantrieb, Draufsicht
4: Platzsparende Zylinderkopfgestaltung für hohe Drehzahlen bei Krafträdern
5: Schematische Darstellung, einer platz- und gewichtsparenden VR-Kraftradmotorausführung in Blockmotorbauweise, Ansicht 1
6: Schematische Darstellung, einer platz- und gewichtsparenden VR-Kraftradmotorausführung in Blockmotorbauweise, Ansicht 2
7: Schematische Darstellung, einer platz- und gewichtsparenden W-Kraftradmotorausführung
8: Ausführungsbeispiel für ein VR–6 Kraftrad, Ansicht 1
9: Ausführungsbeispiel für ein VR–6 Kraftrad, Ansicht 2
10: Ausführungsbeispiel für ein W–8 Kraftrad, Ansicht 1
11: Ausführungsbeispiel für ein W–8 Kraftrad, Ansicht 2
Bei herkömmlichen Ottomotoren ist der Kurbeltrieb so gestaltet, daß die Mittelachse der Kolbenlaufbahn die Drehachse der Kurbelwelle und die Drehachse des Kolbenbolzens schneidet, abgesehen von der üblichen Desachsierung des Kolbenbolzens zur Beeinflussung der Umklappdynamik durch das Kolbenspiel. Dies ergibt eine symmetrische Kurbelgeometrie und -dynamik zwischen OT und UT, die bei einem Kurbelwinkel ϕ von 0° bzw. 180° zu liegen kommen. Bei einem ausgeprägt geschränkten Kurbeltrieb ist die Mittelachse der Kolbenlaufbahn um das Schränkungsmaß +/–b (1) gegenüber der Kurbelachse verschoben. Bei Kombination zweier, spiegelbildlich geschränkter Kurbeltriebe in einer V-Motor Konfiguration (1) führt dies zu einer Höhenreduzierung der Motormaße um das Maß d, welches sich aus dem Abstand zwischen der gedachten Mittelachse eines ungeschränkten Kurbelkreises 1.2 und der Mittelachse des durch die Schränkung verschobenen Kurbelkreises 1.1 mit dem Radius h und dem Kurbelwinkel ϕ ergibt. Dies ist speziell bei einem engen V-Winkel α von Vorteil, da die Laufbüchsen der Zylinder durch die Schränkung sehr eng und auf Lücke zusammengerückt werden können, ohne daß sich eine zu große Höhe der Zylinder über der Kurbelachse ergibt. So wird eine sehr kompakte Motorkonfiguration erzielt, in der die Zylinderabstände in Kurbelwellenrichtung minimiert werden, ohne daß sich eine wesentliche Vergrößerung der Baumaße in Richtung der Linie 1.5 ergibt. Gegenüber einem Reihenmotor mit gleicher Zylinderanzahl und gleichem Hubvolumen kann so eine Verkürzung des Kurbelgehäuses von ca. 20–35% erreicht werden. Der Grad der Verkürzung hat folgende wichtigste Einflußgrößen:

• Höhe der Zylinder über der Kurbelwelle
• V-Winkel
• Grad der Schränkung
• Kurbelwellenfestigkeit (Lagerbreite)
• Dimensionierung der Gaswechselkanäle im Zylinderkopf

Weiterhin trägt zur Kompaktheit bei, daß sich der Hub bei einem gegebenen Kurbelkreis 1.1 mit dem Radius h und gegebener Bohrung mit dem Radius r sowie mit einem Pleuel 1.4 der Länge 1 durch die Schränkung um das Maß b leicht erhöht, es ergibt sich aus 1 gemäß Pythagoras folgender Hubraum V_S pro Zylinder
Der Hubraum V_n des Zylinders eines ungeschränkten Kurbeltriebes mit Bohrungsradius r und Kurbelkreisradius h ergibt sich hingegen durch b = 0 zu: Vn = π·r2·2h (< Vs)Somit erhöht sich der Hubraum um das Volumen V_s – V_n
Ferner führt eine Schränkung b zu einer unsymmetrischen Winkeldifferenz zwischen OT und UT mit einer Abweichung von symmetrischen 180° um den Winkel φ₂ – φ₁ (1). Dies muß zum einen beim Kräfte- und Momentenausgleich für gegebene Zylinderkonfigurationen berücksichtigt werden, zum anderen auch für die Auslegung der Ventilsteuerzeiten.
Maßgebend für den Kolbenweg bei einem geschränkten Kurbeltrieb sind das Kurbelstangenverhältnis λ = h/1 sowie das Verhältnis von Schränkungsmaß zu Pleuellänge: β = b/1.
Eine beliebige Kolbenposition x_k ergibt sich somit als Funktion vom Kurbelwinkel ϕ gemäß der Gleichung:
In dieser Gleichung ist das Vorzeichen für β gemäß 1 zu wählen. Wird in der Gleichung die Schränkung b und somit β zu Null gesetzt, ergibt sich die bekannte Gleichung für den einfachen Kurbeltrieb.
Bei der Wahl eines engen V-Winkels α erhält man zum einen bei einem gegebenen Schränkungsmaß b eine erhebliche Längenreduktion d (1) durch die Hochverlegung der Kurbelachse vom Punkt 1.2 auf den Punkt 1.1, zum anderen eröffnet dies die Möglichkeit, für beide Zylinderreihen einen gemeinsam genutzten Zylinderkopf an der Teilungslinie 1.5 plan aufzusetzen, wobei die Zylinder gegenüber der Teilungsliniensenkrechten um jeweils α/2 nach außen geneigt sind. Dies erlaubt, beide Zylinderbänke durch einen gemeinsamen Zylinderkopf zu steuern statt der Verwendung zweier, separater Zylinderköpfe, was sich als vorteilhaft für Baumaße und Gewicht eines Kraftradmotors erweist. Der maximal sinnvolle V-Winkel α, der den Einsatz eines gemeinsamen Zylinderkopfes erlaubt, wird dabei durch den Anstieg der Kolbenseitenkräfte durch den Verbrennungsdruck und durch die Ventilgeometrie begrenzt.
Traditionelle V Motoren nutzen einen gemeinsamen Kurbelzapfen für einander gegenüberliegende Kolbenpaare. Für einen ruhigen Motorlauf bedingt dies V-Winkel, die bei gegebener Zylinderzahl eine gleichmäßige Zündverteilung über einen 720° Kurbelwinkel 4-Takt-Zyklus ermöglichen. So hat beispielsweise ein traditioneller V8 Motor für eine gleichmäßige Zündverteilung einen fest definierten V Winkel von α = 90°, was sich aus der Division eines 4 Takt Zyklus von 720° durch die Anzahl von Zylindern ergibt (720°/8 = 90°). Dies ist bei einem – wie oben beschrieben – engen Zylinderwinkel und üblichen Zylinderzahlen und paarweise gemeinsamen Kurbelzapfen ungünstig, denn ein traditioneller V Motor würde beispielsweise bei einem V Winkel von 15° 48 Zylinder benötigen (48·15° = 720°) um eine gleichmäßige Zündverteilung zu erreichen. Um dies auch mit weniger Zylindern zu ermöglichen, besitzt die Kurbelwelle von VR Motoren einen Kurbelzapfen für jeden Zylinder. Die durch die enge Zylinderanordnung reduzierte Breite von Hauptlagern, Pleuellagern und Kurbelwangen kann durch größere Lagerdurchmesser und Überdeckungen ausgeglichen werden. Durch den V-Winkel und die Unsymmetrie der Hubwege und -winkel müssen die Hubzapfen mit anderen Winkeldifferenzen untereinander angeordnet werden als bei einem Reihenmotor. So muß zum Beispiel bei einem VR6 Motor der bei einem R6 Reihenmotor gegebene Winkelversatz der Hubzapfen von 120° (6·120° = 720°) so korrigiert werden, daß eine gleichmäßige Zündverteilung von 120° beibehalten wird. Dazu wird jeder Hubzapfen um den halben V-Winkel α/2 und um den OT Winkel φ₁ (1) in Richtung der jeweiligen Zylindermittelachse verdreht.
Zylinderköpfe für VR-Motoren zeichnen sich durch unterschiedlich lange Einlaß- und Auslaßkanäle aus, was dazu führt, daß elektronische Motorsteuerungssysteme Parameter wie Zündwinkel, Einspritzzeitpunkte u.a.m. zylinderindividuell berücksichtigen müssen. Auch müssen Saugrohrsysteme und Auspuffanlagen auf diese Gegebenheiten abgestimmt sein. Ein VR-Motor mit ungerader Zylinderzahl (z.B. 3,5,7) hat naturgemäß eine kurze und eine lange Zylinderreihe. Diese geometrische Eigenschaft läßt sich für einen Kraftradmotor nutzen, dessen äußere Form erheblichen Einfluss auf die Aerodynamik eines Kraftrades nimmt. Die VR-Zylinderanordnung eines VR5 Motors kann somit in nach vorne eingeschnürter Form ausgeführt werden (2). Dabei ist der Zylinderkopf mit der Nockenwellenmittelachse über der hinteren Zylinderreihe 2.2 und der Nockenwellenmittelachse über der vorderen Zylinderreihe 2.1 über der Kurbelwellenmittelachse 2.3 angeordnet. Die Gasführung läßt sich so vorteilhaft anordnen, daß Zylinder und Zylinderkopf nach vorne schmäler gestaltet sind und somit ein besonders strömungsgünstiger Quereinbau des Motors in ein Kraftrad möglich wird. Die unterschiedlichen geometrischen Eigenschaften der Ein- und Auslaßkanäle über den beiden Zylinderreihen werden durch angepaßte Anordnung von Saugrohr- und Auspuffanlage sowie durch obengenannte, elektronische Motorsteuerungssysteme berücksichtigt.
Die vorteilhafte Einschnürung von VR-Kraftradmotoren mit ungerader Zylinderzahl in Fahrtrichtung bedingt zusätzlich, daß eine darauf angepaßte Nockenwellenausführung gewählt wird (3). Dabei sind zwei Nockenwellen mit den Mittelachsen 3.2 und 3.3 über der Kurbelwelle mit der Mittelachse 3.1 angeordnet. Die hintere Nockenwelle 3.4 für die lange Zylinderbank wird direkt von der Kurbelwelle über eine Kette 3.6 angetrieben, während die vordere Nockenwelle 3.5 in einer anderen, senkrecht zur den Nockenwellenachsen stehenden Ebene innerhalb der Einschnürung durch eine zweite Kette oder Verzahnung 3.9 von der hinteren Nockenwelle 3.4 angetrieben wird. Dadurch kann die vordere Nockenwelle 3.5 in der Länge an die strömungsgünstige Einschnürung des Zylinderkopfes angepaßt werden. Bei Verwendung von zwei Nockenwellen für vier Ventilreihen werden dabei diagonale Kipphebel (3.8) verwendet, die die Ventilschäfte 3.7 der vier Ventilreihen betätigen. Der Primärantrieb zum Getriebe befindet sich auf der dem Nockenwellenantrieb gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle 3.10.
Für VR-Kraftradmotoren mit gerader Zylinderzahl oder bei Verzicht auf die oben erwähnte Einschnürung bei VR-Kraftradmotoren mit beliebiger Zylinderzahl läßt sich ein sehr steifer, drehzahlfester Querstromventiltrieb mit Tassenstößeln realisieren, der die geometrischen Vorteile eines gemeinsamen Zylinderkopfes für die zwei VR-Zylinderreihen in platz- und gewichtsparender Weise vorteilhaft nutzt (4). Hierbei ist ein gemeinsamer Zylinderkopf an der Teilungslinie 4.4 auf einen VR-Zylinderblock mit dem V-Winkel α und den Zylinderreihen R1 und R2 aufgesetzt. Die VR-Zylinderreihe R1 besitzt kurze Einlaßkanäle, die über die Nockenwelle 4.3 und deren Ventile gesteuert werden. Analog dazu besitzt die VR-Zylinderreihe R2 kurze Auslaßkanäle, die durch die Nockenwelle 4.1 und deren Ventile beaufschlagt sind. Die beiden Ventilreihen für die langen Auslaßkanäle von R1 sowie für die langen Einlaßkanäle von R2 werden über die Nockenwelle 4.2 betätigt. Dabei sind diese zwei Ventilreihen so angeordnet, daß sich ihre Mittelachsen mit der Mittelachse der Nockenwelle 4.2 schneiden und diese gemeinsam nutzen können. Somit ergibt sich für vier Ventilreihen eine steife, drehzahlfeste und platzsparende Tassenstößelanordnung mit nur drei Nockenwellen. Diese Anordnung ist auch für Zylinderköpfe mit mehr als 2 Ventilen pro Zylinder anwendbar und eignet sich insbesondere für den Einsatz in hochtourigen Kraftradmotoren.
Als VR-Kraftradmotorbeispiel ist ein quereinbaubarer VR6 Kraftradmotor in prinzipiellen Seitenrissen skizziert (5/6). Der Hubraum von 1005 ccm ergibt sich aus 6 Zylindern mit 57,6 mm Bohrung, 64,4 mm Hub, einem Schränkungsmaß b von +/–8,9 mm sowie einem Zylinderabstand von 46,2 mm in Kurbelwellenrichtung, wobei jeweils 3 Zylinder in einer VR Reihe angeordnet sind. Der V-Winkel α in diesem Ausführungsbeispiel beträgt 15°. Die daraus erzielbare Motorbreite liegt im Bereich vergleichbarer gängiger Kraftrad-Vierzylindermotoren mit ähnlichem Hubraum.
Das im Kraftradbau allgemein bekannte und platzsparende Prinzip des Kraftrad-Blockmotors wird hier mit den Vorteilen des VR-Prinzips kombiniert. Ein Blockmotor in der Kraftradtechnik zeichnet sich dadurch aus, daß Motor und Getriebe eine platz- und gewichtsparende Einheit bilden, indem sie ein gemeinsames Gehäuse und ein gemeinsames Ölreservoir nutzen. Kurbelwelle und Getriebewellen bis zum Getriebeabtrieb sind dabei parallel zueinander angeordnet. Üblich ist ein Primärantrieb von der Kurbelwelle über Zahnräder oder Kette zur Getriebevorgelegewelle, auf der sich auch die Kupplung befindet. Die daran anschließende Getriebehauptwelle dient gleichzeitig als Abtrieb auf einen Sekundärantrieb (Kette oder Kardanwelle) zum Hinterrad.
Durch den geschränkten Kurbeltrieb (Schränkungskreis 5.8, 6.9 mit Radius +/–b) wird die Länge und Höhe des Motors um das Maß d reduziert. Die VR-Zylinderbank ist um 30° aus der Senkrechten nach vorne geneigt, um eine günstige Einbaugeometrie für Krafträder zu erzielen. Bei dieser Zylinderneigung bewirkt die Kurbelschränkung das Abstandsmaß d und damit eine Längeneinsparung von 34 mm und eine senkrechte Einsparung von 59 mm, während sich die Motorbreite in Kurbelwellenrichtung durch die beiden auf Lücke zusammengerückten Zylinderreihen 6.1, 6.2 mit den Pleuelstangen 6.7) mit einem Zylinderabstand von 46,2 mm (bei einer Bohrung von 57,6 mm) gegenüber einem Reihenmotor deutlich vermindert ohne dabei nennenswert an Länge in Fahrtrichtung zu gewinnen. Der Antrieb 5.7 der beiden Nockenwellen 5.1 und 5.2 liegt seitlich in einer Ebene ohne Einschnürung nach vorne. Die Nockenwellenkette treibt zusätzlich eine Hilfswelle 5.3 an, die zum Antrieb von Nebenaggregaten wie Anlasser Generator und Pumpen dient. Dadurch bleiben die Kurbelwellenenden frei von Aggregaten, die zu größerer Breite führen würden und nehmen nur den Primärantrieb 6.10 und den Nockenwellenkettenantrieb 5.7 auf.
Der von beiden VR-Reihen gemeinsam genutzte Zylinderkopf 5.6 bzw. 6.6 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem OHC Ventiltrieb mit zwei Nockenwellen und Kipphebeln ausgeführt, um die Betätigung von 4 Ventilreihen mit zwei Nockenwellen zu ermöglichen.
Über den Primärantrieb 6.10 und Vorgelegewelle 5.4, auf der die Ölbadlamellenkupplung 6.4 angeordnet ist, wird das Drehmoment über die Getriebehauptwelle 5.5 bzw. 6.5, auf das Kettenritzel 6.11 für die Hinterradantriebskette 5.9 bzw. 6.12 geführt. Nicht dargestellte Baugruppen wie Gemischbildung und Abgasführung ähneln in Ihrer physischen Ausführung denen traditioneller Reihenmotoren mit der Einschränkung, daß Ein- und Auslaßkanäle innerhalb des Zylinderkopfes in ihrer Länge zwischen den beiden Zylinderbänken differieren.
Kraftradausführungen mit VR-Motor und längs eingebauter Kurbelwelle zeichnen sich durch senkrecht stehende, ungeneigte Zylinder (horizontaler Längswellenzug mit Kardanantrieb zur Hinterachse) und ein angeblocktes, separates Getriebe anstelle eines Blockmotorgehäuses aus. Die für Krafträder günstigen Breiten-, Längen- und Höhenmaße lassen dabei viel Spielraum für die Wahl von Zylinderanzahl und Hubraum.
Als Ausführungsbeispiel für eine Kraftrad-W-Motorausführung ist in 7 ein längseinbaubarer W8 Kraftradmotor mit Saugrohreinspritzung im Frontriß skizziert. Der Hubraum von 1500 ccm ergibt sich aus 8 Zylindern mit 60,6 mm Bohrung, 65 mm Hub, den beiden Schränkungsmaßen b von jeweils +/9 mm sowie einem Zylinderabstand in jeder Bank in Kurbelwellenrichtung von 46,9 mm. In jeder der vier Zylinderreihen sind dabei 2 Zylinder angeordnet. Der V-Winkel α innerhalb der zwei VR-Zylinderreihen in diesem Ausführungsbeispiel beträgt 15°. Durch Zusammenfügen der zwei VR-Zylinderbänke unter einem Winkel β von 72° ergibt sich ein Gesamtmotorblock mit einem Außenwinkel von 87° und einer Außenbreite von 500 mm. Dies ist eine günstige Breite für Kraftradmotoren, insbesondere durch die nach oben geöffnete V-Form, mit der ein großer Schräglagenwinkel bei Kurvenfahrt erzielt wird. Um eine möglichst kompakte Baulänge zu ermöglichen, werden beim W-Kraftradmotor jeweils zwei Zylinder einem Kurbelzapfen zugeordnet. Jeweils zwei gegenüberliegende Kolbenpaare der Zylinderreihen 7.10 und 7.5 sowie die Zylinderreihen 7.6 und 7.7 wirken dabei auf einen gemeinsamen Kurbelzapfen unter einem jeweils inneren Winkel von 72°, so daß sich ein Kurbelstern mit 4 Kröpfungen ergibt. Die dadurch entstehende Zündverteilung wäre für einen Zehnzylinder gleichmäßig gemäß dem Quotienten aus 720°/10. Bei einem Achtzylinder jedoch ergibt sich ein notwendiger V-Winkel von 90° gemäß dem Quotienten 720°/8. Daraus erwächst für diesen Achtzylinder W-Motor innerhalb der Zylinderpaare, die gemeinsame Hubzapfen nutzen, eine Abweichung von 90° – 72° = 18° von der gleichmäßigen Zündverteilung, die bei einem analogen Zehnzylindermotor vorherrscht. Diese Abweichung kann gemäß 7 durch einen Versatz der beiden zugehörigen Pleuel innerhalb eines Hubzapfens um den Winkel ε = 18° erreicht werden („Split-Pin"). Hierzu werden die beiden Kreisquerschnitte 7.8 der beiden Hubzapfenlager innerhalb eines Hubzapfens um 18° auf dem Kurbelkreis gegeneinander verschoben. Bei ausreichendem Lagerdurchmesser ist hierbei die Überdeckung groß genug, um eine genügende Festigkeit sicherzustellen.
Auf diese Weise können durch geschickte Kombination von VR-Winkel α, Bankwinkel β und Split-Pin-Winkel ε verschiedene Zylinderanzahlen und Bauformen bei gleichmäßiger Zündverteilung und für individuelle Abmessungen realisiert werden. Dabei sind insbesondere Acht-, Zehn- und Zwölfzylinderanordnungen vorteilhaft, bei denen durch die Wahl eines geeigenten Pleuelversatzwinkels ε eine gleichmäßige Zündverteilung erzielt werden kann. Bei einem Zwölfzylinder mit α = 15° und β = 72° kann dies beispielsweise (analog zur Berechnung für einen Achtzylinder) durch einen Pleuelversatzwinkel ε = –12° (gemäß 60° – 72° = –12°) erreicht werden. Darüberhinaus sind auch W-Kraftradmotoranordnungen denkbar, bei denen auf die Einhaltung einer gleichmäßigen Zündverteilung über einen 720° Kurbelwinkelzyklus verzichtet wird, da bei Krafträdern das Ziel maximaler Laufruhe nicht immer im Vordergrund steht. Ausführungen mit dieser Eigenschaft sind im Kraftradbau beispielsweise bei traditionellen V2 Motoren bekannt.
Neben einer besonders kurzen Kurbelwelle erweist sich für das Ausführungsbeispiel gemäß 7 als vorteilhaft, daß durch die gemeinsame Nutzung der Kurbelzapfen durch jeweils zwei Zylinder ein geringer Versatz zwischen den beiden VR Bänken ermöglicht wird, der der Dicke der unteren Pleuelaugen entspricht (Ausführungsbeispiel 7: 10mm).
7 zeigt zudem einen OHC Ventiltrieb, bei dem die jeweils äußere Nockenwelle 7.12 jeder VR-Bank beide Auslaßventile über Schlepphebel steuert, während die jeweils innere Nockenwelle 7.13 jeder VR-Bank beide Einlaßventile betätigt. Durch die dabei entstehende Geometrie sind Ein- und Auslaßventile verschiedener Länge nötig. In dieser Ausführung ist eine Steuerzeitänderung durch Verdrehen der Nockenwellen möglich, da pro Nockenwelle ausschließlich Ein- bzw. Auslaßventile betätigt werden. Die unterschiedliche Geometrie von Ein- und Auslaßkanälen erfordert zwei verschiedene Positionierungen der Einspritzdüsen. Während die Einspritzdüse 7.2. den langen Ansaugkanal der linken, ersten Zylinderreihe 7.10 versorgt, zeigt die Einspritzdüse 7.1. die Positionierung für einen kurzen Ansaugkanal. Die Längenunterschiede der Auslaßkanäle sind jeweils umgekehrt zu denen der dazugehörigen Einlaßkanäle. Neben der bereits erwähnten zylinderindividuellen Anpassung durch eine elektronische Motorsteuerung für die verschiedenen Formen von Ansaug- und Abgasführung kann eine optimale Abstimmung zusätzlich über angepaßte Öffnungszeiten der Ventile je nach Gaswechselgeometrie erreicht werden.
Die jeweils zwei Zylinderreihen in den beiden VR-Zylinderbänken sind um das Schränkungsmaß b geschränkt, welches +/–9 mm beträgt und dem Radius des Kreises 7.9 entspricht. Der Motor gewinnt so an Kompaktheit, indem die beiden VR-Zylinderbänke durch die Schränkung ineinandergeschoben werden. Bei einem VR-Winkel α von 15° und einem Bankwinkel β von 72° ergibt sich eine Höhenreduktion d_v von 55,8 mm und eine Breitenreduktion von 2·d_h = 81 mm.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen für einen W-Kraftradmotor ergeben sich durch den Einbau mit querliegender Kurbelwelle und die dadurch mögliche Verwendung eines Blockmotorgehäuses (gemeinsames Gehäuse für Motor und Getriebe). Die günstigen Breiten-, Längen-, und Höhenmaße erlauben auch hier viel Spielraum für die Wahl von Zylinderanzahl und Hubraum, die sich harmonisch in die Linien eines Kraftrades einfügen.
Die vorteilhaften Eigenschaften von VR-Motoren für Krafträder ergeben sich aus der Eignung eines großvolumigen, mehrzylindrigen VR-Motors für ein kleines Fahrzeug wie in 8, 9 dargestellt. Bei einem vergleichsweise geringen Radstand von 1440 mm läßt sich ein VR-Blockmotor mit 6 Zylindern und 1005 ccm bei einem VR-Winkel α von 15°, 57,6 mm Bohrung, 64,4 mm Hub, einem Schränkungsmaß von +/– 8,9 mm sowie einem Zylinderabstand von 46,2 mm mit harmonischer Kontur einbauen. Trotz des geringen Radstandes kann ein langes Abstandsmaß von 575 mm zwischen Abtriebsritzel und Hinterachse erzielt werden, wodurch eine fahrdynamisch günstige, lange Hinterradschwinge 8.7 ermöglicht wird. Weiterhin kann ein drehzahlfester Zylinderkopf 8.1 mit drei Nockenwellen und Tassenstößeln realisiert werden. Die Wasserkühlung 8.2 ist erforderlich, um eine ausreichende Kühlung der dem Wind abgewandten, hinteren VR Zylinderreihe mit 3 Zylindern sicherzustellen. Diese Anordnung erlaubt es trotz des kurzen Radstandes, bei üblichem Vordergabelwinkel, -nachlauf und Raddurchmesser einen Teleskopgabelfederweg von größer 120 mm einzuhalten. Um die Breite des Motors zu minimieren, sind Hilfsaggregate 8.3 wie Anlasser, Lichtmaschine und Pumpen separat und oberhalb der Kurbelwelle 8.4, der Vorgelegewelle mit Kupplung 8.5 und der Abtriebswelle 8.6 platzsparend angeordnet. Die beiden Kurbelwellenenden sind somit nur mit Nockenwellen-, und Primärantrieb beaufschlagt, dadurch weist der Motor insgesamt eine vorteilhafte Breite auf Kurbelwellenhöhe von 371 mm auf (9). Übliche, quereingebaute Kraftradreihenmotoren mit nur vier Zylindern in dieser Hubraumklasse weisen eine Breite von ca 400 mm auf.
Elemente wie Luftfilter, Zündanlage, Saugrohreinspritzung sowie der Ansaugtrakt mit Luftmengenmesser, Drosselklappe und Luftfilter sind in dem Volumen 8.8 bzw. unter der Sitzbank angeordnet und an den Zylinderkopf 8.1. angeschlossen.
Die vorteilhaften Eigenschaften von W – Motoren für Krafträder lassen sich durch die Eignung eines großvolumigen Motors in einem Kraftrad durchschnittlicher Größe aufzeigen (10, 11). Der Hubraum von 1500 ccm ergibt sich aus 8 Zylindern mit 60,6 mm Bohrung, 65 mm Hub, den beiden Schränkungsmaßen b von +/–9 mm in beiden VR Bänken sowie einem Zylinderabstand innerhalb jeder VR-Bank von 46,9 mm. Der VR-Winkel α innerhalb der Zylinderreihen beider Zylinderbänke in diesem Ausführungsbeispiel beträgt 15°. Die Mittelachsen der zwei VR-Zylinderbänke bilden zueinander einen Winkel β von 72°. Die maximale Außenbreite von 500 mm in 11 ergibt sich an dem am Motor hinten angeordneten Nockenwellenantriebsgehäuse 10.1 in dem sich ein dreistufiger Antrieb befindet. Dieser verläuft zunächst über eine Hauptkette von der Kurbelwelle 10.2 an eine Zwischenwelle 10.3 und von dort über zwei Nebenketten an die zwei Nockenwellenpaare 10.4 bzw 11.2 der beiden VR-Bänke. Der Antriebsstrang orientiert sich an bekannten Konzepten für Kraftradkardanantriebe bei längsliegender Kurbelwelle mit einer an diese anschließenden Schwungscheibe mit Trockenkupplung 10.5 und einem angeflanschten Schaltgetriebe 10.6 mit eigenem Ölreservoir. Besonders zweckmäßig erweist sich bei dieser Ausführung die kurze Baulänge des Motors von nur 320 mm (einschließlich der Kupplung am hinteren- und Ölpumpenantrieb am vorderen Kurbelwellenende) bis zum Getriebeeingang, sowie eine maximale Höhe von 450 mm zwischen Ölwanne und der Oberkante des Ansaugtraktes. Bei einem vergleichsweise kurzen Radstand von 1520 mm ermöglichen die kompakten Abmessungen dieser W8 Anordnung eine Schwingenlänge von 447 mm ausgehend vom Schwingenlager/Kardangelenk 10.7 bis zur Hinterachse mit Winkelgetriebe 10.8. Durch die vorteilhafte Baulänge des Motors kann die Wasserkühlung 10.9 so angeordnet werden, daß sich für die Teleskopvordergabel ein Federweg von größer 150 mm ergibt. Die hohe Lage der Zylinderköpfe mit jeweils zwei Nockenwellen (mit Schlepphebeln für 4 Ventilreihen; 10.4 bzw. 11.2) und die Führung der Auspuffkrümmer 10.10 bzw. 11.1) in diesem Ausführungsbeispiel ermöglichen große Schräglagen bei Kurvenfahrt.
Nebenaggregate 10.11 wie Lichtmaschine und Anlasser sind am Umfang der Schwungscheibe 10.5 angeordnet und über den Zahnkranz der Schwungscheibe mit dem Motor verbunden.
Elemente wie Luftfilter, Zündanlage, Saugrohreinspritzung sowie der Ansaugtrakt mit Luftmengenmesser, Drosselklappe und Luftfilter sind in dem V-Zwischenraum 10.12 zwischen den zwei VR Zylinderbänken und dahinter über dem Getriebe 10.6 angeordnet.

Claims

Kraftrad mit mehrzylindriger Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß deren Zylinderanordnung eine VR-Zylinderanordnung ist.
Kraftrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die VR-Zylinderreihen einen geschränkten Kurbeltrieb besitzen.
Kraftrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Zylinderkopf für zwei VR-Zylinderreihen vorhanden ist.
Kraftrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit querliegender Kurbelwelle eingebaut ist.
Kraftrad nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß Motor und Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuseblock mit gemeinsamer Ölversorgung, also als Kraftrad-Blockmotor angeordnet sind.
Kraftrad nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinder – und Zylinderkopfanordnung bei ungerader Zylinderzahl nach vorne eingeschnürt sind.
Kraftrad nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit längsliegender Kurbelwelle eingebaut ist.
Kraftrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein VR3-Motor ist.
Kraftrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein VR4-Motor ist.
Kraftrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein VR5-Motor ist.
Kraftrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein VR6-Motor ist.
Kraftrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein VR7-Motor ist.
Kraftrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein VR8-Motor ist.
Kraftrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine W-Anordnung der Zylinder, also zwei VR-Zylinderbänke vorhanden sind, die auf eine gemeinsame Kurbelwelle wirken.
Kraftrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit längsliegender Kurbelwelle eingebaut ist.
Kraftrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit querliegender Kurbelwelle eingebaut ist.
Kraftrad nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Motor und Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuseblock mit gemeinsamer Ölversorgung, also als Kraftrad-Blockmotor angeordnet sind.
Kraftrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle einen Zylinder pro Kurbelzapfen hat.
Kraftrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle zwei Zylinder pro Kurbelzapfen hat.
Kraftrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Zylinderbohrungsdurchmesser zu Kolbenhubweg größer als 1 ist (Kurzhuber).
Kraftrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Zylinderbohrungsdurchmesser zu Kolbenhubweg kleiner oder gleich 1 ist (Langhuber).