DE102005030000A1

DE102005030000A1 - Mehrzylinder-Zweitaktmotor mit vollständigem Kräfte- und Momentenausgleich erster Ordnung

Info

Publication number: DE102005030000A1
Application number: DE200510030000
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Kreuter; Mathias von Dipl.-Ing. Essen
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: WO2007000317A1; DE102005030000B4

Abstract

Ein Mehrzylinder-Zweitaktmotor mit vollständigem Kräfte- und Momentenausgleich erster Ordnung enthält eine Kurbelwelle 10 mit jeweils einem der in einer Reihe angeordneten Zylinder zugeordneten Kröpfungen, durch die Kurbeln gebildet sind, welche über jeweils ein Pleuel mit einem in jeweils einem der Zylinder sich hin- und herbewegenden Kolben verbunden sind, wenigstens ein drehfest mit der Kurbelwelle verbundenes Ausgleichsgewicht 14, 18 zum teilweisen Massenausgleich erster Ordnung, wenigstens eine um eine zur Achse der Kurbelwelle parallele, mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle und in Gegendrehrichtung zur Kurbelwelle drehende Nockenwelle 30 zum Betätigen wenigstens je eines an jedem Zylinder angeordneten Einlassventils, und wenigstens ein drehfest mit der Nockenwelle verbundenes Ausgleichsgewicht 36, 38 zum vollständigen Massenausgleich der Momente erster Ordnung, wobei an jedem Zylinder wenigstens ein nockenwellenbetätigtes Auslassventil angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Zweitaktmotor mit vollständigem Kräfte- und Momentenausgleich erster Ordnung.
Zweitaktmotoren haben gegenüber Viertaktmotoren gleicher Zylinderzahl den Vorteil, dass wegen des halbierten Zündabstandes die Drehkraftschwankungen geringer sind, was zu einer komfortableren Leistungsentfaltung führt. Ein Problem, das sich insbesondere bei Hubkolbenmotoren mit wenigen Zylindern stellt, liegt in dem mangelhaften Kräfte- und Momentenausgleich, insbesondere erster Ordnung, wodurch der Einsatz solcher Motoren zu vielerlei akustischen und weiteren Schwingungsproblemen führt, die ihren Einsatz in Fahrzeugen mit gehobenem Komfortanspruch erschweren.

Aus der DE 693 03 676 T2 ist ein gespülter Zweizylinder-Zweitaktmotor mit einem nockenwellenbetätigenden Einlassventil und einem unmittelbar mittels des Kolbens schlitzgesteuerten Auslassventil bekannt, bei dem die Nockenwelle gegensinnig zur Kurbelwelle dreht und mit Ausgleichsgewichten zur Kompensation der Kräfte und Momente erster Ordnung versehen ist. Ein solcher Massenausgleich erster Ordnung für einen zweizylindrigen Zweitaktmotor, bei dem die Kurbelwellenkröpfungen um 180° versetzt sind, ist auch aus der DE 34 43 763 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrzylinder-Zweitaktmotor mit vollständigem Kräfte- und Momentenausgleich, d.h. Massenausgleich, erster Ordnung zu schaffen, der mit geringem Investitionsaufwand aus einem Viertaktmotor mit entsprechender Zylinderzahl ableitbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Mehrzylinder-Zweitaktmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Zweitaktmotor kann aus einem Viertaktmotor in einfacher Weise hergeleitet werden, indem der Nockentrieb auf Kurbelwellendrehzahl umgestellt wird und wenigs tens eine entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle rotierende Nockenwelle enthält. Zündung und/oder Einspritzung müssen ebenfalls geändert werden. Die anderen mechanischen Komponenten eines Mehrzylinder-Viertaktmotors können weitgehend beibehalten werden, so dass der erfindungsgemäße Zweitaktmotor in einfacher Weise und ohne großen Investitionsaufwand aus einem Viertaktmotor abgeleitet werden kann. Für ausreichenden Ladungswechsel sorgt eine Aufladung.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zweitaktmotors gerichtet.

Der Anspruch 2 kennzeichnet eine einfache Ausführungsform eines Nockentriebs, bei dem eine der Nockenwellen gegensinnig zur Kurbelwelle und mit gleicher Drehzahl dreht.

Der Anspruch 3 kennzeichnet eine Ausführungsform eines Zweitaktmotors, mit der der Komfort eines konventionellen Viertakt-Achtzylindermotors erreicht wird.

Der Anspruch 4 kennzeichnet eine vorteilhafte Anordnung der Ausgleichsgewichte.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 wird ein leistungs- und drehmomentstarker komfortabel laufender Motor geschaffen.

Der Anspruch 6 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausführungsform des Momentenausgleichs.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 7 wird ein komfortabler und sparsamer Motor geschalten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

In den Figuren stellen dar:
1 drei mögliche Kröpfungsanordnungen der Kurbelwelle eines vierzylindrigen Hubkolbenzweitaktmotors,
2 eine Tabelle mit den bei den Anordnungen der 1 auftretenden Kräften und Momenten erster und zweiter Ordnung,
3 eine Prinzipdarstellung des Massenausgleichs eines erfindungsgemäßen vierzylindrigen Zweitaktmotors, und
4 eine Gesamtanordnung eines Motors mit Aufladung.
1 zeigt drei verschiedene Kurbelwellenkröpfungen, wie sie grundsätzlich für Vierzylinder-Zweitaktmotoren verwendbar sind. Die arabischen Ziffern an den Kröpfungen bzw. Kurbeln bedeuten jeweils die zugehörigen Zylinder.
Die Anordnung 1 zeigt eine Kurbelwelle, bei der die Zylinder 1 und 4 gegenphasig arbeiten, die Zylinder 2 und 3 ebenfalls gegenphasig arbeiten, jedoch um 90° zum Zylinder 1 bzw. 4 versetzt.
Bei der Anordnung 2 arbeiten die Zylinder 1 und 2 sowie die Zylinder 3 und 4 gegenphasig, jedoch sind die Zylinder 1 und 2 zu den Zylindern 3 und 4 um 90° versetzt.
Bei der Anordnung gemäß 3 arbeiten die nacheinander zündenden Zylinder jeweils um 90° zueinander versetzt.
Die Tabelle der 2 gibt die bei den Anordnungen 1, 2 und 3 der 1 auftretenden Kräfte und Momente jeweils der ersten und zweiten Ordnung an. Für einen vollständigen Kräfte- und Momentenausgleich erster und zweiter Ordnung ist die Anordnung 1 vorteilhaft, bei der lediglich Momente erster Ordnung ausgeglichen werden müssen. Die in der Tabelle angegebenen Größen sind in an sich bekannter Weise auf m·r·ω² bei erster Ordnung und m·r ·ω²·λ bei zweiter Ordnung bezogen. Die Momente sind auf m·r·ω²·a bei erster Ordnung und m·r·ω²·a·λ bei zweiter Ordnung bezogen. Dabei bedeuten m die oszillierende Masse, r den Kurbelradius, ω die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, a den Hauptlagerabstand und λ das Schubstangenverhältnis.
Die Momente erster Ordnung lassen sich bei der Anordnung 1 und einem Motor mit der Anordnung von Kurbelwellen gemäß 3 in einfacher Weise vollständig ausgleichen:
Der Motor gemäß 3 weist eine Kurbelwelle 10 mit einer Kröpfungsanordnung 1 auf, wobei die Kurbeln der Kurbelwelle 10 in an sich bekannter Weise über Pleuel mit Kolben verbunden sind.
An einen Endbereich der Kurbelwelle ist eine Schwungscheibe 12 angeflanscht. Am anderen Ende der Kurbelwelle 10 ist eine Riemenscheibe 16 für einen Nockentrieb und gegebenenfalls zum Antrieb von Nebenaggregaten vorgesehen. In zum Gewichtsausgleich der Kurbeln in an sich bekannter Weise vorgesehene Gegengewichte der Kurbelwelle sind vorteilhafterweise Massenausgleichsgewichte 14 und 18 integriert, die bezüglich ihrer Drehstellung gegenphasig angeordnet sind.
Um die Riemenscheibe 16 läuft ein Umschlingungsmittel, beispielsweise ein Zahnriemen 19 um, der von einer Spannrolle 20 gespannt wird und um eine weitere Riemenscheibe 22 umläuft, die drehfest mit einer Nockenwelle 24 verbunden ist. Beispielsweise ist an dem von der Riemenscheibe 22 abgewandten Ende der Nockenwelle 24 mit der Nockenwelle 24 ein Zahnrad 26 drehfest verbunden, das mit einem Zahnrad 28 kämmt, das drehfest mit einer weiteren Nackenwelle 30 verbunden ist. Die Achsen der Wellen 10, 30 und 24 sind parallel zueinander.
Die Nockenwelle 24 ist beispielsweise eine Auslassnockenwelle, die mittels angedeuteter Nocken 32 nicht dargestellte Auslassventile der vier Zylinder des Zweitaktmotors betätigt.
Die Nockenwelle 30 ist entsprechend eine Einlassnockenwelle, die über Nocken 34 die Einlassventile eines jeweils zugehörigen Zylinders betätigt.
Wie unmittelbar ersichtlich, dreht die Nockenwelle 30 in Gegendrehrichtung zur Kurbelwelle 10 und, in Folge geeigneter Übersetzungen zwischen den Riemenscheiben 16 und 22 bzw. den Zahnrädern 26 und 28, mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle 10. Auf diese Weise ist es durch Anordnung weiterer Ausgleichsgewichte 36 und 38, die mit der Nockenwelle 30 drehfest verbunden sind, in an sich bekannter Weise möglich, die Momente erster Ordnung des skizzierten Motors vollständig auszugleichen.
Wie aus der Tabelle der 2 ersichtlich, wird damit ein Vierzylinder-Zweitaktmotor geschaffen, dessen Kräfte und Momente erster und zweiter Ordnung vollständig ausgeglichen sind.
Die Ausgleichsgewichte 14, 18, 36 und 38 können in unterschiedlichster Weise mit der jeweiligen Welle drehfest verbunden und in die Welle oder andere, mit der Welle drehfest verbundene Bauteile integriert werden. Vorteilhafterweise sind die Ausgleichsgewichte 18, 38 sowie die Ausgleichsgewichte 14 und 36 derart angeordnet, dass sie sich jeweils in einer gemeinsamen, senkrecht zu den Achsen der Wellen gerichteten Ebene befinden. Vorteilhaft sind die Ausgleichsgewichte an den Endbereichen der Kurbel- und Nockenwelle angeordnet.
Die Trägheitsmomente der Ausgleichsgewichte bzw. Ausgleichsmassen sind vorteilhafterweise derart bemessen, dass der Momentenausgleich erster Ordnung jeweils hälftig mit den Ausgleichsgewichten 14 und 18 der Kurbelwelle sowie 36 und 38 der Einlassnockenwelle 30 erfolgt.
Der beschriebene Vierzylinder-Zweitaktmotor kann auf einfache Weise aus einem üblichen Vierzylinder-Viertaktmotor abgeleitet werden, indem die Kurbelwelle derart geändert wird, dass ihre Kröpfung der Anordnung 1 der 2 entspricht und sie die für den Momentenausgleich erforderlichen Ausgleichsgewichte 14 und 18 enthält. Der Ventilantrieb wird gegenüber dem Viertaktmotor derart geändert, dass die Nockenwellen mit der Drehzahl der Kurbelwelle drehen. Die Nocken der Nockenwellen sind an die Erfordernisse des Zweitaktmotors angepasst. Ebenso werden das Einspritzsystem und die Zündfolge, falls der Motor ein Ottomotor ist, angepasst. Die Nockenwelle 30 wird mit den Ausgleichsgewichten 36 und 38 versehen.
Somit ist bei geringem Investitionsaufwand und weitgehender Erhaltung der bestehenden Produktionseinrichtungen eine Umstellung von Viertaktbetrieb auf Zweitaktbetrieb möglich, wobei mit einem Vierzylindermotor der Komfort eines Viertakt-Achtzylindermotors erreicht wird.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des beispielhaft beschriebenen Kurbeltriebs mit Massenausgleich für einen Vierzylinder-Zweitaktdieselmotor, bei dem außerhalb des Motors ein lassseitig die Luft hoch verdichtet wird und dann nach Durchströmen eines Ladeluftkühlers den nicht dargestellten Einlassventilen zugeführt wird.
Bei dieselmotorischem Betrieb treten die von früheren Zweitaktmotoren bekannten Probleme im leerlaufnahen Bereich nicht auf. Durch geeignete Steuerung der Nockenwellen lassen sich sowohl der Restgasgehalt als auch die Menge frischer Ladung in weiten Grenzen variieren.
Eine Gesamtanordnung eines solchen kopfgesteuerten Dieselmotors ist in 4 dargestellt:
Frischluft wird der insgesamt mit 40 bezeichneten Brennkraftmaschine durch einen Luftfilter 42, einen von der Kurbelwelle 10 angetriebenen Kompressor 44 und einen Ladeluftkühler 46 hindurch zugeführt. Abgas der Brennkraftmaschine 40 wird durch einen Abgassammler 48 hindurch abgeleitet.
Die beschriebene Anordnung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Der Nockentrieb muss nicht zwangsläufig über ein Umschlingungsmittel 19 erfolgen, solange wenigstens eine Nockenwelle mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle, jedoch in entgegengesetzter Drehrichtung dreht und diese Nockenwelle mit Massenausgleichsgewichten versehen ist. Die mit Massenausgleichsgewichten versehene Nockenwelle kann die einzige Nockenwelle sein.
Wenn die Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschine ist, bei der die Laststeuerung durch Steuerung der Öffnungszeitdauern und/oder Phasen der Einlassventile und gegebenenfalls der Auslassventile erfolgt, erfolgt der Massenausgleich vorteilhafterweise über diejenige der Nockenwellen, deren Phase nur wenig gegenüber der Kurbelwelle verstellt wird.
Die beschriebene Anordnung mit einer Kurbelwelle und zwei Nockenwellen lässt sich in ähnlicher Weise auch für andere Zylinderzahlen, beispielsweise Zwei-, Drei- oder Fünfzylindermotoren anwenden, wobei je nach Kurbeltrieb der Kräfte- und Momentenausgleich nicht so vollständig erfolgen kann, wie im geschilderten Beispiel eines Vierzylindermotors.

10: Kurbelwelle
12: Schwungscheibe
14: Ausgleichsgewicht
16: Riemenscheibe
18: Ausgleichsgewicht
19: Zahnriemen
20: Spannrolle
22: Riemenscheibe
24: Nockenwelle
26: Zahnrad
28: Zahnrad
30: Nockenwelle
32: Nocken
34: Nocken
36: Ausgleichsgewicht
38: Ausgleichsgewicht
40: Brennkraftmaschine
42: Luftfilter
44: Kompressor
46: Ladeluftkühler
48: Abgassammler

Claims

Mehrzylinder-Zweitaktmotor mit vollständigem Kräfte- und Momentenausgleich erster Ordnung, enthaltend eine Kurbelwelle (10) mit jeweils einem der in einer Reihe angeordneten Zylinder zugeordneten Kröpfungen, durch die Kurbeln gebildet sind, welche über jeweils ein Pleuel mit einem in jeweils einem der Zylinder sich hin- und herbewegendem Kolben verbunden sind, wenigstens ein drehfest mit der Kurbelwelle verbundenes Ausgleichsgewicht (14, 18) zum teilweisen Massenausgleich erster Ordnung, wenigstens eine um eine zur Achse der Kurbelwelle parallele, mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle und in Gegendrehrichtung zur Kurbelwelle drehende Nockenwelle (30) zum Betätigen wenigstens je eines, an jedem Zylinder angeordneten Einlassventils, und wenigstens ein drehfest mit der Nockenwelle verbundenes Ausgleichsgewicht (36, 38) zum vollständigen Massenausgleich erster Ordnung, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Zylinder wenigstens ein nockenwellenbetätigtes Auslassventil angeordnet ist.
Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung der Einlassventile eine Einlassnockenwelle (30) und zur Betätigung der Auslassventile eine Auslassnockenwelle (24) vorgesehen ist, wobei die eine Nockenwelle (24) mittels eines die Kurbelwelle und die eine Nockenwelle umschlingenden Umschlingungsmittels (19) angetrieben wird und die andere Nockenwelle (30) mit der einen Nockenwelle über je eine, an den Nockenwellen ausgebildete Verzahnung (26, 28) in Eingriff ist.
Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die vier hintereinander angeordneten Kröpfungen der Kurbelwelle (10) gesehen in Richtung der Drehachse der Kurbelwelle bezogen auf die erste Kröpfung zunächst um 90° in die eine Richtung, dann um 90° in die andere Richtung und dann um 180° versetzt sind
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsgewichte (14, 18, 36, 38) an den Endbereichen der jeweiligen Welle (10, 30) angeordnet sind, wobei sich die an sich entsprechenden Endbereichen der Wellen angeordnete Ausgleichsgewichte jeweils in einer gemeinsamen, senkrecht zu den Drehachsen der Wellen gerichteten Ebene befinden.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter und ein Ladeluftkühler vorgesehen sind, so dass dem Motor verdichtete, gekühlte Luft zuführbar ist.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentenausgleich erster Ordnung etwa jeweils hälftig durch Ausgleichsgewichte (14, 18) an der Kurbelwelle (10) und durch Ausgleichsgewichte (36, 38) an der gegensinnig zur Kurbelwelle und mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle drehenden Nockenwelle (30) erfolgt.
Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein direkteinspritzender Dieselmotor ist.