-
Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Bei
jedem Verbrennungsmotor treten infolge von Gasbewegungen aufgrund
des Kolbenhubs, aufgrund von Durchblasegasen (Blow-by) und der Drehung
der Kurbelwelle im Kurbelraum unterhalb der sich bewegenden Kolben
sogenannte Ventilationsverluste auf, die u.a. durch eine nicht-adiabatische Kompression
und Expansion der Gase sowie durch Drosselverluste bei ihrem Hindurchtritt
durch verengte Ventilationsquerschnitte verursacht werden.
-
Um
diese Verluste zu minimieren, wurden in der Vergangenheit zwei Konzepte
vorgeschlagen, die beim sogenannten Gasfedermotor bzw. beim sogenannten
Pulsationsmotor verwirklicht sind. Bei dem zuerst genannten Konzept
des Gasfedermotors ist der Kurbelraum in getrennte Kurbelkammern
unterteilt, beim V8-Motor zum Beispiel in vier Kurbelkammern, die
durch Verschließen
sämtlicher
dazwischen angeordneter Ventilationsquerschnitte gasdicht gegeneinander
abgedichtete werden, wodurch in diesen Kammern eine weitgehend adiabatische Kompression
und Expansion der Gase unter den Kolben erreicht werden kann. Ein
völlig
gasdichter Verschluss der Kurbelkammern ist jedoch nicht möglich, da
das Öl
aus den Kurbelkammern weiterhin zur Ölwanne abgeführt werden
muss, was in der Regel durch eine kleine Öffnung in Form eines sogenannten Ölhobels
erfolgt. Bei dem zuletzt genannten Konzept des Pulsationsmotors
werden hingegen die offenen Ventilationsquerschnitte zwischen den
Kurbelkammern möglichst
groß gemacht,
um Drosselverluste beim Hindurchtritt der Gase durch die Ventilationsquerschnitte
weitestgehend zu minimieren. Zum Vergleich betragen die Ventilationsquerschnitte
bei einem beispielhaften, als Gasfedermotor ausgelegten V8-Motor
ca. 200 mm2, während sie bei einer Auslegung
als Pulsationsmotor ca. 4 160 mm2 betragen.
Jedoch lassen sich beim Pulsationsmotor die Ventilationsquerschnitte
wegen des begrenzten Bauraums im Kurbelgehäuse nur in eingeschränktem Maße vergrößern, wodurch
insbesondere bei hohen Drehzahlen infolge der großen Strömungsgeschwindigkeiten
der Gase verhältnismäßig hohe
Ventilationsverluste auftreten.
-
Aus
der
JP 07-145717 A ist
bereits eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt,
bei der mehrere getrennte Kurbelkammern durch eine Ölwanne verbunden
sind, wobei zwischen jeder Kurbelkammer und der Ölwanne ein Rückschlagklappenventil
angeordnet ist, das die zugehörige
Kurbelkammern wahlweise mit der Ölwanne
und damit auch mit den anderen Kurbelkammern verbindet bzw. von
diesen trennt.
-
Aus
der
DE 38 05 389 A1 ist
es bei einer Mehrzylinder-Reihenbrennkraftmaschine ebenfalls bereits
bekannt, einzelne Kurbelräume
voneinander zu trennen und durch ein sich periodisch öffnendes Ventil
mit der Ölwanne
zu verbinden, um Luftmassenverschiebungen im Kurbelgehäuse und
dadurch bedingte Leistungsverluste zu vermeiden und das Entstehen
von Ölschaum
zu verhindern. Das Öffnen
des Ventils erfolgt dort wie bei der Brennkraftmaschine aus der
JP 07-145717 A immer
dann, wenn der betreffende Kurbelraum unter Druck steht.
-
Weiter
offenbart die
DE
20 2004 010 550 U1 eine Einrichtung zur Regelung des Drucks
im Kurbelgehäuse
einer Brennkraftmaschine, mit der ein Strömungsquerschnitt mehrerer zur
Kurbelgehäuseentlüftung dienender
Einzelkanäle
druckabhängig
veränderbar
ist, wobei die Einzelkanäle
wahlweise geöffnet
oder geschlossen sein können.
-
Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich
die Vorteile der beiden beim Gasfedermotor bzw. beim Pulsationsmotor
verwirklichten Konzepte ohne deren Nachteile kombinieren lassen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
die Kurbelkammern verbindenden Ventilationskanal gelöst, der
sich wahlweise bei niedrigen Drehzahlen öffnen und bei hohen Drehzahlen
verschließen
lässt,
um den Verbrennungsmotor bei Bedarf im unteren Drehzahlbereich als
Pulsationsmotor bzw. im Pulsationsbetrieb mit kommunizierenden Kurbelkammern
und im oberen Drehzahlbereich als Gasfedermotor bzw. im Gasfederbetrieb
mit gegeneinander abgedichteten Kurbelkammern zu betreiben.
-
Da
die Ventilationsverluste bei einem als Pulsationsmotor betriebenen
bzw. im Pulsationsbetrieb arbeitenden Verbrennungsmotor mit zunehmender Drehzahl überproportional
ansteigen, während
sie bei einem als Gasfedermotor betriebenen bzw. im Gasfederbetrieb
arbeitenden Verbrennungsmotor nur in geringem Umfang drehzahlabhängig sind, jedoch
im unteren Drehzahlbereich erheblich höher sind als diejenigen im
Pulsationsbetrieb, ist der Verbrennungsmotor gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung mit einer Einrichtung zum Öffnen bzw. Verschließen des
Ventilationskanals in Abhängigkeit
von seiner Drehzahl ausgestattet, mit der sich der Ventilationskanal
im unteren Drehzahlbereich öffnen
und im oberen Drehzahlbereich verschließen lässt. Mit anderen Worten ist
es mit den erfindungsgemäßen Merkmalen
möglich,
zur Reduzierung der Ventilationsverluste eines im oberen Drehzahlbereich
im Gasfederbetrieb arbeitenden Verbrennungsmotors im unteren Drehzahlbereich
zusätzliche
Ventilationsquerschnitte für
einen Pulsationsbetrieb des Motors zuzuschalten.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden beim Umschalten des
erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
zwischen den beiden Betriebsarten Gasfederbetrieb und Pulsationsbetrieb
die Ventilationsquerschnitte des Ventilationskanals zwischen allen
Kurbelkammern gleichzeitig verschlossen bzw. geöffnet, vorzugsweise im Bereich
der Einmündungen
des Ventilationskanals in die Kurbelkammern.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass der
Ventilationskanal durch einen zur Kurbelwelle parallelen Wellentunnel verläuft, vorzugsweise
durch einen im Kurbelgehäuse
ausgesparten Ausgleichswellentunnel, wobei der Wellentunnel mit
den Kurbelkammern durch seitliche Einmündungen kommuniziert, die sich
gemäß einer weiteren
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mittels eines in den Wellentunnel
eingesetzten Drehschiebers gleichzeitig verschließen bzw. öffnen lassen.
-
Alternativ
wäre es
jedoch auch denkbar, den Drehschieber so auszubilden, dass der durch
den Wellentunnel verlaufende Ventilationskanal jeweils zwischen
zwei benachbarten Kurbelkammern durch ein Scheibensegment verschlossen
wird, das sich durch eine Drehung des Drehschiebers um seine Längsachse
wahlweise mit einer Öffnung
in einem ortsfesten Schott zur Deckung bringen oder unter Freigabe
der Öffnung
aus der Überlappung
mit der Öffnung
heraus verdrehen lässt.
-
Dazu
umfasst der Drehschieber zweckmäßig zwei
koaxiale, im Bereich der Kurbelkammern jeweils mit radialen Öffnungen
oder Ausschnitten in ihren Rohrwänden
versehene Rohre, deren Öffnungen
in einer Offenstellung des Drehschiebers mit den seitlichen Einmündungen
der Kurbelkammern deckungsgleich sind, so dass die Kurbelkammern
durch das hohle Innere des Drehschiebers miteinander kommunizieren.
Während
das äußere Rohr
des Drehschiebers zweckmäßig in den
Wellentunnel eingepresst und dadurch ortsfest mit dem Kurbelgehäuse verbunden
ist, ist das innere Rohr ist aus der Offenstellung um seine Längsachse
verdrehbar, um die Öffnungen der
Rohre in einer Schließstellung
des Drehschiebers in gegenseitigen Versatz zu bringen und dadurch
den Ventilationskanal im hohlen Inneren des Drehschiebers im Bereich
der Einmündungen
in die Kurbelkammern gasdicht zu verschließen.
-
Zur
Betätigung
des Drehschiebers ist das innere Rohr an einem Stirnende durch einen
Wellenstumpf verlängert,
der durch eine Bohrung aus dem Kurbelgehäuse herausgeführt und
mit einer Einrichtung zur drehzahlabhängigen Verstellung des Drehschiebers
verbunden ist.
-
Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1:
eine Ansicht eines geöffneten
Ausgleichswellentunnels eines Kurbelgehäuses eines erfindungsgemäßen V8-Motors
von unten her, die einen in die vier Kurbelkammern des Kurbelgehäuses mündenden
verschließbaren
Pulsations- oder Ventilationskanal zeigt;
-
2:
eine perspektivische Ansicht eines Drehschiebers zum Verschließen des
Pulsations- oder Ventilationskanals;
-
3a:
eine vergrößerte Ansicht
der Einmündung
des Pulsations- oder Ventilationskanals in eine der Kurbelkammern
in geöffnetem
Zustand;
-
3b:
eine vergrößerte Ansicht
der Einmündung
des Pulsations- oder Ventilationskanals in eine der Kurbelkammern
in verschlossenem Zustand;
-
4a:
eine Stirnseitenansicht des Kurbelgehäuses bei geöffnetem Pulsations- oder Ventilationskanal;
-
4b:
eine Stirnseitenansicht des Kurbelgehäuses bei verschlossenem Pulsations← oder Ventilationskanal;
-
5:
eine Unterseitenansicht eines Teils des V8-Motors mit abgenommener Ölwanne;
-
6:
eine graphische Darstellung von Ventilationsverlusten eines Gasfedermotors
und eines Pulsationsmotors in Abhängigkeit von der Motordrehzahl;
-
7:
eine graphische Darstellung von Ventilationsverlusten des entsprechenden
erfindungsgemäßen V8-Motors
in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl im kombinierten Pulsationsbetrieb und Gasfederbetrieb.
-
Der
in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße V8-Motor 2 besteht
im Wesentlichen aus einem Motorblock 4 und einem an der
Unterseite des Motorblocks 4 angeflanschten Kurbelgehäuse 6, in
der die Kurbelwelle 8 (4b) des
V8-Motors 2 drehbar gelagert ist. Das Kurbelgehäuse 6 umschließt vier
Kurbelkammern 10 (1), die
jeweils unterhalb der Kolben (nicht dargestellt) und in Längsrichtung
der Kurbelwelle 8 hintereinander angeordnet sind.
-
Bei
dem V8-Motor 2 sind mehrere Maßnahmen zur Vermeidung von
Gasbewegungen innerhalb des Kurbelgehäuses 6 vorgesehen:
Erstens ist eine Kurbelwellen-Zentrierbohrung
in einem zwischen den Kurbelkammern 10 und einer Ölwanne (nicht dargestellt)
in das Kurbelgehäuse 6 eingesetzten Ölhobel 12 bei 14 (5)
verschlos sen. Zweitens ist der Ölhobel 12 bei 16 mit
einer Lagertraverse 20 des Kurbelgehäuses 6 verklebt, so
dass als Öffnungsquerschnitt
zwischen den Kurbelkammern 10 und der Ölwanne nur die Ölhobelaustrittsöffnungen 22 verbleiben,
wie am besten in 5 dargestellt. Drittens sind
die vier Kurbelkammern 10 innerhalb eines oberhalb der
Kurbelwelle 8 angeordneten und zu dieser parallelen Ausgleichswellentunnels 24 (1)
im Innen-V-des Kurbelgehäuses 6 durch
einen Pulsations- oder Ventilationskanal 26 verbunden,
der mittels einer in den Wellentunnel 24 eingesetzten,
als Drehschieber ausgebildeten Schaltwalze 28 wahlweise verschlossen
oder geöffnet
werden kann, um die vier Kurbelkammern 10 gasdicht gegeneinander
abzudichten bzw. einen Druckausgleich zwischen den Kurbelkammern 10 zu
ermöglichen.
-
Wie
am besten in 2 dargestellt, besteht die Schaltwalze 28 aus
zwei koaxialen Rohren 30, 32, von denen das äußere Rohr 30 dicht
in den Wellentunnel 24 eingepresst und das innere Rohr 32 in Bezug
zum äußeren Rohr 30 um
die Längsachse
der beiden Rohre 30, 32 verdrehbar ist. Beide
Rohre 30, 32 weisen in ihren Rohrwänden jeweils
vier Öffnungen 34, 36 auf,
die nach dem Einsetzen der Schaltwalze 28 in den Wellentunnel 24 jeweils
oberhalb von einer Kolbenspritzdüse 38 im
Bereich von seitlichen Einmündungen 40 Wellentunnel
in die Kurbelkammern 10 angeordnet sind. Die Öffnungen 34, 36 des äußeren und
des inneren Rohrs 30, 32 weisen einen im Wesentlichen übereinstimmenden,
teilweise an die Form der Einmündungen 40 angepassten
rechteckigen Umriss mit gerundeten Ecken auf. Dadurch werden die
Strömungswiderstände im Bereich
des Übergangs
zwischen den Kurbelkammern 10 und dem Pulsations- oder
Ventilationskanal 26 minimiert, wenn die Rohre 30, 32 so
gegeneinander verdreht sind, dass die Öffnungen 34, 36 im
inneren und äußeren Rohr 32, 30 jeweils
deckungsgleich übereinander
liegen, wie in 3a dargestellt. Umkehrt wird der
Pulsations- oder Ventilationskanal 26 an den Einmündungen 40 der
Kurbelkammern 10 vollständig verschlossen,
wenn das innere Rohr 32 aus dieser Öffnungsstellung um einen Winkel
von etwas weniger als 180 Grad in eine Schließstellung verdreht wird, in
der sich die zusammengehörigen Öffnungen 34, 36 der
beiden Rohre 30, 32 in Umfangsrichtung nicht mehr überlappen,
wie in 3b dargestellt.
-
Um
das Verdrehen des inneren Rohrs 32 zum Öffnen bzw. Verschließen des
Pulsations← oder Ventilationskanals 26 zu
ermöglichen,
weist das innere Rohr 32 einen über sein eines Stirnende überstehenden
Wellenstumpf 42 (2) auf,
der durch eine abgedichtete Bohrung am Ende des Wellentunnels 24 aus
dem Kurbelgehäuse 6 herausgeführt ist, wie
am besten in 4a und 4b dargestellt.
Auf dem nach außen überstehenden
freien Ende des Wellenstumpfs 42 ist ein Stellhebel 44 befestigt,
der beispielsweise mit Hilfe eines Elektromotors und eines Bowdenzugs
verschwenkt werden kann, um das innere Rohr 32 in seine
Schließ-
bzw. Öffnungsstellung
zu drehen.
-
Durch
die zuvor genannten Maßnahmen
arbeitet der V8-Motor 2 in der Schließstellung des inneren Rohrs 32 (3b),
d.h. bei verschlossenem Pulsations- oder Ventilationskanal 26,
als Gasfedermotor, bei dem im Betrieb eine nahezu adiabate Verdichtung
und Expansion der Gase in den Kurbelkammern 10 unter den
Kolben erfolgt. In der Offenstellung des inneren Rohrs 32 (3a)
arbeitet der V8-Motor 2 hingegen als Pulsationsmotor, bei
dem die vier Kurbelkammern 10 durch den Pulsations- oder
Ventilationskanal 26 mit einem Öffnungsquerschnitt von etwa 1600
mm2 miteinander kommunizieren, so dass die Gase
im Inneren des Kurbelgehäuses 6 zum
Ausgleich der durch die Kolbenbewegungen verursachten Druckschwankungen
pulsierend zwischen den Kurbelkammern 10 hin und her bewegt
werden können.
-
Wie
in 6 mit einer durchgezogenen Linie A dargestellt,
weist ein dem V8-Motor 2 entsprechender konventioneller
Gasfedermotor Ventilationsverluste auf, die über den gesamten Betriebs-Drehzahlbereich
des Motors von etwa 650 bis 8 000 U/min im Bereich zwischen 500
und 1 300 Watt liegen und nach einem anfänglichen steileren Anstieg
im Bereich zwischen 650 und etwa 2 000 U/min von 500 Watt auf 1
300 Watt langsam wieder absinken, bis sie bei 8 000 U/min wieder
etwa 500 Watt erreichen. Wie in 6 mit einer
unterbrochenen Linie B dargestellt, steigen demgegenüber bei
einem dem V8-Motor 2 entsprechenden konventionellen Pulsationsmotor, bei
dem die Kurbelkammern 10 durch offene Pulsationsbohrungen
verbunden sind und weder die Kurbelwellen-Zentrierbohrung 14 bei
geschlossen noch der Ölhobel 12 mit
der Lagertraverse 20 des Kurbelgehäuses 6 verklebt ist,
die Ventilationsverluste von einem Wert von nahezu 0 Watt im Bereich
zwischen 650 und 1 500 U/min ungefähr parabelförmig auf mehr als 5 000 Watt
bei 8 000 U/min an, so dass sie bei dieser Drehzahl um 4 900 Watt
größer als
bei dem konventionellen Gasfedermotor sind.
-
Aus
diesem Grund eignen sich Gasfedermotoren idealerweise als Sportwagenmotoren,
die überwiegend
im hohen Drehzahlbereich betrieben werden, der jenseits des Schnittpunkts
S der in 6 dargestellten Kurven A und
B liegt. Andere Kraftwagenmotoren werden jedoch überwiegend im unteren Drehzahlbereich
betrieben, wo die Ventilations verluste A von Gasfedermotoren höher als
die Ventilationsverluste B von Pulsationsmotoren sind.
-
Um
die Vorteile beider Konzepte auszunutzen und gleichzeitig deren
Nachteile zu vermeiden, wird bei dem erfindungsgemäßen V8-Motor 2 der
mit der Schaltwalze 28 bestückte Pulsations- oder Ventilationskanal 26 verschlossen,
wenn die Drehzahl des V8-Motors 2 einen vorbestimmten Wert übersteigt, und
geöffnet,
wenn die Drehzahl des V8-Motors 2 wieder unter die vorbestimmte
Drehzahl absinkt.
-
Wie
in 7 für
den erfindungsgemäßen V8-Motor
sowie für
einen Schaltpunkt S der Schaltwalze 28 von etwa 4 400 U/min
mit einer durchgezogenen Linie C dargestellt, erhält man auf
diese Weise bei Drehzahlen oberhalb des Schaltpunkts S dieselben
Ventilationsverluste wie bei dem reinen Gasfedermotor in 6,
während
die Ventilationsverluste unterhalb des Schaltpunkts S etwas höher als
diejenigen des reinen Pulsationsmotors in 6 sind,
jedoch bedeutend unter denjenigen des reinen Gasfedermotors liegen.
Der Grund für
die im Vergleich zum reinen Pulsationsmotor etwas höheren Ventilationsverluste
im unteren Drehzahlbereich liegt unter anderem darin, dass anders
als bei diesem die Kurbelwellen-Zentrierbohrung bei 14 geschlossen
und der Ölhobel 12 bei 16 mit
der Lagertraverse 20 des Kurbelgehäuses 6 verklebt ist,
so dass die Drosselverluste etwas höher als beim reinen Pulsationsbetrieb
sind.
-
Zum
besseren Vergleich sind die Ventilationsverluste des reinen Gasfedermotors
und des reinen Pulsationsmotors aus 6 noch in 7 mit
einer unterbrochenen Linie A bzw. mit einer strichpunktierten Linie
B dargestellt.
-
- 2
- Verbrennungsmotor/V8-Motor
- 4
- Motorblock
- 6
- Kurbelgehäuse
- 8
- Kurbelwelle
- 10
- Kurbelkammern
- 12
- Ölhobel
- 14
- Verschluss
Zentrierbohrung
- 16
- Verklebung
- 20
- Lagertraverse
- 22
- Ölhobelaustrittsöffnungen
- 24
- Wellentunnel
- 26
- Ventilationskanal
- 28
- Schaltwalze,
Drehschieber
- 30
- äußeres Rohr
- 32
- inneres
Rohr
- 34
- Öffnungen
- 36
- Öffnungen
- 38
- Kolbenspritzdüse
- 40
- Einmündung
- 42
- Wellenstumpf
- 44
- Stellhebel