DE102006024048A1

DE102006024048A1 - Brennkraftmaschine mit einem Kurbelraum

Info

Publication number: DE102006024048A1
Application number: DE102006024048A
Authority: DE
Inventors: Alfred Ottowitz
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: DE102006024048B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelraum, der mehrere getrennte Kurbelkammern (12, 13, 14, 15) umfasst. Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung (11) zum wahlweisen gezielten Verbinden oder Trennen zweier oder mehrerer der Kurbelkammern (12, 13, 14, 15) abhängig von Betriebsparametern vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelraum gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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 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 so genannten Gasfedermotor bzw. beim so genannten Pulsationsmotor verwirklicht sind. Bei dem zuerst genannten Konzept des Gasfedermotors ist der Kurbelraum in getrennte Kurbelkammern unterteilt, beim V8-Motor z.B. in vier Kurbelkammern, die durch Verschließen sämtlicher dazwischen angeordneter Ventilationsquerschnitte gasdicht gegeneinander abgedichtet werden, wodurch diese Kurbelkammern 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 kleinen Öffnung in Form eines so genannten Ölhobels erfolgt. Außerdem bietet der Gasfedermotor nur in bestimmten, hohe Drehzahlbereichen Vorteile.
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. 4169 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 DE 10 2005 003 934.0 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen Kurbelraum aufweist, der mehrere getrennte Kurbelkammern umfasst. Es ist ein die Kurbelkammern verbindender Ventilationskanal vorgesehen, der sich wahlweise öffnen oder schließen lässt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine so weiterzubilden, dass ein bedarfsangepasster und verbrauchsverbesserter Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Kurbelraum, der mehrere getrennte Kurbelkammern umfasst, weist eine Einrichtung auf zum wahlweisen gezielten Verbinden oder Trennen zweier oder mehrerer der Kurbelkammern abhängig von Betriebsparametern. Da die Ventilationsverluste bei einer als Pulsationsmotor betriebenen bzw. im Gasfederbetrieb arbeitenden Brennkraftmaschine mit zunehmender Drehzahl überproportional ansteigen, während sie bei einer als Gasfedermotor betriebenen bzw. im Gasfederbetrieb arbeitenden Brennkraftmaschine nur in geringerem Umfangdrehzahlabhängig sind, jedoch im unteren Drehzahlbereich erheblich höher sind als diejenigen im Pulsationsbetrieb, ist die Brennkraftmaschine vorteilhaft zu betreiben, wenn abhängig von den Betriebsparametern wie etwa Drehzahl, Last, Temperatur, Ladedruck und dergleichen, Kurbelkammern gezielt miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können, um z.B. im hohen Drehzahlbereich die Gasfeder gezielt zu nutzen und z.B. im niederen Drehzahlbereich zu umgehen oder abzuschwächen. So können in einem ersten Drehzahlband z.B. andere Kurbelkammern miteinander in Verbindung stehen als in einem zweiten Drehzahlband.
In einer günstigen Ausgestaltung umfasst die Einrichtung Verbindungskanäle, die betriebsparameterabhängig umschaltbar sind. Diese können sowohl innerhalb der Brennkraftmaschine im Kurbelraum als auch außerhalb des Kurbelraums oder der Brennkraft maschine angeordnet sein, z.B. gemäß einer günstigen Ausgestaltung in Form außerhalb der Brennkraftmaschine verlaufender Verbindungsrohre.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind die getrennten Kurbelkammern gegeneinander verschließbar, z.B. mittels stellbaren Klappen, welche Öffnungen zwischen den Kurbelkammern verschließen oder freigeben.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung kommuniziert die Einrichtung durch seitliche Einmündungen mit den Kurbelkammern.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Einrichtung parallel zu einer Kurbelwelle verläuft, was eine relativ einfache und Platz sparende Konstruktion der Einrichtung erlaubt. So kann etwa die Einrichtung als Hohlwelle oder als Schaltwalze ausgebildet sein.
Zur Ansteuerung der Einrichtung kann ein Elektromotor oder auch eine Unterdruckeinrichtung vorgesehen sein.
Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum wahlweisen gezielten Verbinden oder Trennen zweier oder mehrerer der Kurbelkammern als Längsschnitt;
2 eine Prinzipskizze einer alternativen Ausgestaltung;
3 eine Prinzipskizze einer weiteren alternativen Ausgestaltung.
1 zeigt schematisch eine vierzylindrige Brennkraftmaschine 10 mit vier Kolben 20, 21, 22, 23 in Zylindern 1, 2, 3, 4 von denen jeder in einer separaten Kurbelkammer 12, 13, 14, 15 in einem Kanal 26 des Kurbelraums der Brennkraftmaschine 10 angeordnet ist. Unter jedem Kolben 20, 21, 22, 23 gibt es einen zugeordneten, abgetrennten und relativ gasdichten Raum. Wenn sich der Kolben 20, 21, 22, 23 nach unten bewegt, wird das Gas unter dem Kolben 20, 21, 22, 23 komprimiert. Beim Hochlaufen des Kolbens 20, 21, 22, 23 lässt sich die Kompressionsarbeit aus der damit gebildeten Gasfeder zum Teil wieder gewinnen, was bei hohen Drehzahlen vorteilhaft ist.
Eine Einrichtung 11 zum wahlweisen gezielten Verbinden oder Trennen zweier oder mehrerer der Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 steht mit den Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 in Verbindung und ist parallel zu einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 angeordnet. Die Einrichtung 11 ist als Schaltwalze ausgebildet und verbindet in der gezeigten Position die Kurbelkammer 12 mit der Kurbelkammer 14 sowie die Kurbelkammer 13 mit der Kurbelkammer 15. Ein Verbindungskanal 27 in der Einrichtung 11 verbindet die Kurbelkammern 12 und 14, ein Verbindungskanal 28 die Kurbelkammern 13 und 15. Dazu weist die Einrichtung 11 Öffnungen an ihren seitlichen Einmündungen 16, 17, 18, 19 in die Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 auf. Die Einrichtung 11 kommuniziert durch die seitlichen Einmündungen 16, 17, 18, 19 mit den Kurbelkammern 12, 13, 14, 15. Die Verbindungskanäle 27, 28 sind durch eine Trennwand 25 getrennt und verlaufen parallel zur Längsachse der Einrichtung 11
Diese Stellung der Einrichtung 11 entspricht z.B. in einem ersten Drehzahlband einer Zylinder-Zündfolge 1-3-4-2, bei der erste Zylinder 1 mit dem dritten Zylinder 3 und der vierte Zylinder 4 mit zweiten Zylinder 2 schaltbar verbunden ist. Für ein anderes Drehzahlband kann z.B. der erste Zylinder 1 mit dem vierten Zylinder 4 und der dritte Zylinder 3 mit dem zweiten Zylinder 2 verbunden sein.
Die getrennten Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 lassen sich vorteilhaft so verbinden, dass die Verluste über den Druckausgleich on den Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 gering sind. Die Verringerung der Verluste verbessert den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 10. Bestimmende Parameter sind Zylinderzahl, Zündfolge bzw. die geometrische Ausführung der jeweiligen Kurbelkammer 12, 13, 14, 15. Die Schaltung der Einrichtung 11 erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und/oder Motortemperatur der Brennkraftmaschine 10.
Gemäß einem zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Einrichtung mittels Stellern sind die entsprechenden Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 über außen oder innen liegende Rohre verbunden, wobei die Rohrverbindung mittels eines als Klappe ausgebildeten Stellers trennbar ist. Im einfachsten Fall sind die nebeneinander angeordneten Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 durch schaltbare Klappen verbunden und werden von diesen entsprechend dem Betriebspunkt verbunden. In einem ersten Schaltzustand können alle Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 geschlossen sein. In einem anderen Schaltzustand kann Kurbelkammer 12 mit Kurbelkammer 13 und Kurbelkammer 14 mit Kurbel kammer 15 verbunden sein, aber Kurbelkammer 13 nicht mit Kurbelkammer 14. In einem dritten Schaltzustand können alle Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 verbunden sein.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Einrichtung 11 in gleicher Schaltstellung wie in 1. Die Einrichtung 11 ist als Rohr ausgebildet mit seitlichen Einmündungen 16, 17, 18, 19 in die Kurbelkammern 12, 13, 14, 15 und weist eine Trennwand 25 auf, welche das Innere des Rohrs in zwei die Verbindungskanäle 27, 28 bildende Teilräume unterteilt.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Einrichtung 11 auf. Zwischen den Kurbelkammern 12, 13, 14 sind Trennwände 29 angeordnet. In der Außenhaut der Hohlwelle sind Öffnungen, die als Einmündungen 16, 17a bzw. 17b und 18 mit den Kurbelkammern 12, 13, 14 kommunizieren und z.B. Kurbelkammer 12 mit Kurbelkammer 13 und Kurbelkammer 13 mit Kurbelkammer 14 verbinden.
Die Verbindungen der Kurbelkammern 12, 13, 14 können so geschaltet werden, dass der Gasfedereffekt gegebenenfalls verstärkt wird.

1: Zylinder
2: Zylinder
3: Zylinder
4: Zylinder
10: Brennkraftmaschine
11: Einrichtung
12: Kurbelkammer
13: Kurbelkammer
14: Kurbelkammer
15: Kurbelkammer
16: Einmündung
17: Einmündung
18: Einmündung
19: Einmündung
20: Kolben
21: Kolben
22: Kolben
23: Kolben
25: Trennwand
26: Kanal
27: Verbindungskanal
28: Verbindungskanal
29: Trennwand

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Kurbelraum, der mehrere getrennte Kurbelkammern (12, 13, 14, 15) umfasst, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (11) zum wahlweisen gezielten Verbinden oder Trennen zweier oder mehrerer der Kurbelkammern (12, 13, 14, 15) abhängig von Betriebsparametern.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) Verbindungskanäle (27, 28) umfasst, die betriebsparameterabhängig umschaltbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelkammern (12, 13, 14, 15) gegeneinander verschließbar sind.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) durch seitliche Einmündungen (16, 17, 18, 19) mit den Kurbelkammern (12, 13, 14, 15) kommuniziert.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) parallel zu einer Kurbelwelle verläuft.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) außerhalb der Brennkraftmaschine (10) verlaufende Verbindungsrohre umfasst.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Öffnen bzw. Verschließen der Kurbelkammern (12, 13, 14, 15) stellbare Klappen vorgesehen sind.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) als Hohlwelle ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11) als Schaltwalze ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der Einrichtung (11) ein Elektromotor vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der Einrichtung (11) eine Unterdruckeinrichtung vorgesehen ist.