DE102007025549A1

DE102007025549A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermindern von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle einer Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007025549A1
Application number: DE102007025549A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Kreuter; Mathias Von Essen
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: DE102007025549B4; EP2150724A1; EP2150724B1; US20110083631A1; ATE546663T1; CN101711316B; HK1144317A1; US8701616B2; JP5199340B2; JP2010528216A; CN101711316A; WO2008145342A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Vermindern von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle einer Kolbenbrennkraftmaschine wird ein bewegliches Ausgleichsmassebauteil mit der Kurbelwelle derart gekoppelt, dass die kinetische Energie des Massebauteils in Phasen, in denen die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ohne deren Kopplung mit dem Ausgleichsmasseteil zunehmen würde, zunimmt und in Phasen, in denen die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ohne deren Kopplung mit dem Ausgleichsmassebauteil abnehmen würde, abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermindern von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle einer Kolbenbrennkraftmaschine.
Eine Eigenart der Drehung der Kurbelwelle von Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenbrennkraftmaschinen liegt darin, dass diese Drehung, hervorgerufen durch die Arbeitszyklen des oder der mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben, ungleichförmig ist. Diese Ungleichförmigkeit nimmt mit abnehmender Zylinderzahl, niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten zu. In der Praxis wird versucht, diesen Drehungleichförmigkeiten mit Hilfe großer Schwungmassen, die gegebenenfalls torsionsweich mit der Kurbelwelle verbunden sind, entgegenzuwirken. Ein weiterer Versuch, den Drehungleichförmigkeiten entgegenzuwirken, besteht darin, mit der Kurbelwelle eine Nockenscheibe drehfest zu verbinden, die von einem gegen Federkraft bewegbaren Abtastglied abgetastet, wird. In Phasen, in denen die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle verlangsamt werden soll, wird das Abtastglied gegen die Feder bewegt, so dass in dieser potentielle Energie gespeichert wird. Diese potentielle Energie kann in die Drehung der Kurbelwelle in Phasen rückgespeichert werden, in der die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle beschleunigt werden soll. Trotz aller bisherigen Maßnahmen weisen Motoren mit wenigen Zylindern, beispielsweise vier oder weniger Zylindern, gegenüber mehrzylindrigen Motoren Komfortnachteile auf, die ihre Akzeptanz nachteilig beeinflusst. Im Hinblick auf die zunehmende Bedeutung eines geringen Kraftstoffverbrauchs wird ein sogenanntes Downsizing der Motoren angestrebt, das wegen eines aus thermodynamischen Gründen bestimmten Mindestvolumens der einzelnen Zylinder zwangsläufig zu abnehmender Zylinderzahl führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. der auch bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit geringer Zylinderzahl die Ungleichförmigkeit der Drehung der Kurbelwelle deutlich abgesenkt werden kann, so dass Kolbenbrennkraftmaschinen mit geringer Zylinderzahl, beispielsweise einer Zylinderzahl von vier oder weniger einen für anspruchsvolle Kunden akzeptablen Laufkomfort aufweisen.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 und 3 sind auf eine vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
Der Anspruch 4 kennzeichnet die grundsätzliche Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe.
Die auf den Anspruch 4 rückbezogenen Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
Eine Grundidee der Erfindung liegt darin, in Phasen, in denen die Kurbelwelle ein hohes Drehmoment abgibt, der Kurbelwelle Energie bzw. Leistung zu entziehen und in dem Ausgleichsmassebauteil zu speichern. In Phasen, in denen die Kurbelwelle wenig Drehmoment abgibt oder selbst angetrieben werden muss, da der oder die mit ihr verbundenen Kolben Kompressions- oder Ausstoßarbeit verrichten, wird die in dem Ausgleichsmassebauteil gespeicherte Energie zurückgegeben. Dadurch, dass in dem Ausgleichsmassebauteil unmittelbar kinetische Energie gespeichert wird, sind keine aufwändigen Energiewandlungen erforderlich und arbeitet die Erfindung mit hohem Wirkungsgrad.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
1 und 2 Stirnansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in unterschiedlichen Betriebszuständen,
3 Drehmomentverläufe eines 4-Zyliner Viertaktottomotors zur Erläuterung der Erfindung,
4 eine Tabelle, die Wechseldrehmomente für unterschiedliche Motorentypen zeigt,
5 eine schematische Stirnansicht einer gegenüber der 1 abgeänderten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 eine schematische Ansicht einer Kolben-Zylindereinheit,
7 eine den 1 und 2 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer Verstellvorrichtung und
9 eine Skizze zur Erläuterung eines Massenausgleichs.
Gemäß 1, die eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, weist eine Kurbelwelle 10 einer in ihrem Aufbau an sich bekannten Hubkolbenbrennkraftmaschine einen radial vorstehenden Mitnehmeransatz 12 auf, der drehfest mit der Kurbelwelle 10 verbunden oder einteilig mit ihr ausgebildet ist. Auf der Kurbelwelle 10 ist neben dem Mitnehmeransatz 12 ein Ausgleichsmassebauteil 14 gelagert, das bezüglich der Drehachse A der Kurbelwelle 10 vorteilhafterweise ausgewuchtet ist.
Axial neben dem Ausgleichsmassebauteil 14 ist ein Lagerschild 16 (schraffiert; in 1 ist die axiale Anordnung nicht sichtbar) um eine von der Drehachse A der Kurbelwelle 10 entfernte Achse B an einem nicht dargestellten Motorgehäuse schwenkbar gelagert. Das Lagerschild 16 weist eine Durchgangsöffnung 20 auf, durch die hindurch sich die Kurbelwelle 10 erstreckt, so dass die geschilderte Baugruppe an einem Stirnende der Kurbelwelle oder in einem mittleren Bereich der Kurbelwelle angeordnet sein kann. Die Schwenkachse B ist parallel zur Drehachse A der Kurbelwelle. An dem relativ zur Kurbelwelle verschwenkbaren Lagerschild 16 ist eine Führungskoppel 22 drehbar gelagert, von der ein radialer Arm 24 vorsteht.
Der radiale Arm ist über ein Koppelglied 26 mit dem Mitnehmeransatz 12 verbunden und über ein weiteres Koppelglied 28 in einem Gelenk 29 mit dem Ausgleichsmassebauteil 14 verbunden. Die Koppelglieder 26 und 28 sind vorteilhafterweise gleichachsig an dem Arm 24 der Führungskoppel 22 angelenkt. Das Koppelglied 28 ragt bspw. in einen radialen Schlitz (nicht dargestellt) des Ausgleichmassebauteils 14 ein und ist darin mittels eines Zapfens gelagert. Die Schwenkachsen der Gelenke, um die die Koppelglieder relativ zueinander und zu dem Mitnehmeransatz 12, der Führungskoppel 22 und dem Ausgleichsmassenbauteil 14 schwenkbar sind, sind zueinander parallel und parallel zu den Achsen A und B.
Durch Verschwenken des Lagerschildes 16 um das motorgehäusefeste Lager mit der Achse B lässt sich der Abstand zwischen der Drehachse C, um die die Führungskoppel 22 dreht und der Drehachse A der Kurbelwelle verändern. Zum Verschwenken des Lagerschildes 16 ist eine insgesamt mit 40 bezeichnete Verstellvorrichtung vorgesehen, die ein Stellglied 42 aufweist, das mit einem Arm 44 gelenkig verbunden ist, der starr mit dem Lagerschild 16 verbunden ist. Etwa in Verlängerung des Arms 44 weist das Lagerschild 16 auf seiner entgegen gesetzten Seite einen weiteren, mit ihm starr verbundenen Arm 46 auf, der um die Schwenkachse B schwenkbar ist.
Das Stellglied 42 kann in an sich bekannter Weise mittels eines Hydraulikzylinders oder eines Elektromotors gemäß 1 in Senkrechtrichtung bewegt werden, wobei die Bewegbarkeit vorteilhafterweise durch Anschläge 48 und 50 begrenzt ist.
Die geschilderte Vorrichtung kann bei in einander geschachtelter Bauweise sehr kompakt bauen. Das Ausgleichsmassebauteil 14 ist zwischen der Führungskoppel 22 und dem Mitnehmeransatz 12 auf der Kurbelwelle gleichachsig mit der Drehachse A der Kurbelwelle drehbar gelagert. Die Führungskoppel 22 ist um die durch das Lagerschild 16 definierte Drehachse C drehbar gelagert. Achsial neben der Führungskoppel 22 erstrecken sich die Arme 44 und 46 des Lagerschildes 16. Es versteht sich, dass die relativ zur Kurbelwelle exzentrische Schwenkbarkeit des Lagerschildes 16 und dessen Verstellung auch durch andere Konstruktionen gewährleistet sein kann, bspw. dadurch, dass das Lagerschild unmittelbar mit einem Zapfen im Motorgehäuse gelagert ist, der exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist.
1 stellt den Zustand der Anordnung dar, bei der die Drehachse C der Führungskoppel 22 einen maximalen Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle 10 hat. Die Verbindungslinie zwischen den Drehachsen A und C ist vorteilhafterweise parallel zur Bewegungsrichtung der mit der Kurbelwelle 10 verbunden, nicht dargestellten Kolben der Brennkraftmaschine und deckt sich in der dargestellten Aufsicht vorteilhafterweise mit der Bewegungslinie der Kolben. Geringfügige Richtungsänderungen der Verbindungslinie bei einem Verschwenken des Lagerschildes 16 um die Schwenkachse B können außer Betracht bleiben. Die Anordnung des Mitnehmeransatzes 12, des radialen Arms 24 und der Koppelglieder 26 und 28 ist derart, dass die Koppelglieder 26 und 28 während einer Umdrehung der Kurbelwelle 10 bzw. der dazu exzentrischen Umdrehung der Führungskoppel 22 zweimal eine Strecklage durchlaufen, so dass die Ausgleichsmasse 14 der Kurbelwelle 10 während einer Umdrehung zweimal vorläuft bzw. nacheilt bzw. sich mit größer und kleinerer Geschwindigkeit als die Kurbelwelle dreht. Die Voreilung bzw. der Nachlauf kann durch die geometrische Anordnung der Koppelglieder an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
2 zeigt den Zustand der Anordnung der 1, bei dem die Drehachsen A und C zusammen fallen, das heißt der Zustand maximale Exzentrizität gemäß 1 in den Zustand minimaler Exzentrizität verstellt ist, bei dem die Führungskoppel 22 sich gleichachsig zur Kurbelwelle 10 dreht. In diesem Zustand bleibt die Relativstellung zwischen dem Mitnehmeransatz und den Koppelgliedern 26 und 28 und dem radialen Arm 24 konstant, so dass sich das Ausgleichsmassebauteil 14 jeweils mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle 16 dreht.
Im Unterschied dazu muss in der Stellung gemäß 1 das Ausgleichsmassebauteil 14 von der Kurbelwelle zyklisch beschleunigt und verzögert werden, so dass von der Kurbelwelle in Phasen der Drehung, in der das Ausgleichmassebauteil beschleunigt wird, ein zusätzliches Drehmoment auf das Ausgleichsmassebauteil aufgebracht werden muss und in anderen Phasen der Drehung, in der sich die Winkelgeschwindigkeit des Ausgleichmassebauteils relativ zur Kurbelwelle vermindert, von dem Ausgleichsmassebauteil ein zusätzliches Drehmoment erfährt.
3a) zeigt einen typischen Verlauf des Drehmoments eines aufgeladenen 4-Zylinder Ottomotors, der im Viertaktverfahren betrieben wird und beispielsweise mit einer Drehzahl von 1000/min bei Volllast dreht. Die Abszisse gibt jeweils die Drehstellung der Kurbelwelle in Grad an, die Ordinate gibt das von der Kurbelwelle in den Antriebsstrang des Fahrzeugs wirkende Drehmoment an. Mit zunehmender Last werden die Drehmomentschwankungen größer und machen sich mit abnehmender Drehzahl zunehmend unangenehm im Antriebsstrang bemerkbar, sei es durch Beschleunigungsschwankungen des gesamten Fahrzeugs, sei es durch Geräusche oder Vibrationen, die für die Fahrzeuginsassen jeweils komfortmindernd spürbar sind.
Der Figurenteil b) der 3 zeigt das mit der vorstehend geschilderten erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugbare, von der Ausgleichsmasse 14 auf die Kurbelwelle 10 aufbringbare Drehmoment. Wie ersichtlich ist zur Beschleunigung des Ausgleichsmassebauteils in den Phasen, in denen die Kurbelwelle ein hohes positives Drehmoment erzeugt, zur Beschleunigung des Ausgleichsmassebauteils ein negatives Drehmoment erforderlich und umgekehrt gibt das Ausgleichsmassebauteil unter Abbremsung in den Phasen, in denen die Kurbelwelle in Folge der Kolben ein negatives Drehmoment abgibt, ein positives Drehmoment an die Kurbelwelle ab. In der Summe ergibt sich durch Ausrüstung einer an sich bekannten Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung an der Kurbelwelle ein Summenmoment, das in 13c dargestellt ist und dessen Schwankungen gegenüber den Drehmomentschwankungen der 3a erheblich vermindert sind. Somit wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein sehr komfortabler Gleichlauf der Kolbenbrennkraftmaschine erzielt, auch wenn diese nur eine geringe Zylinderzahl hat. Es sei noch darauf hingewiesen, dass in 3 die Drehmomentschwankungen dargestellt sind. Insbesondere in den Darstellungen a und c müssten die Kurven um das mittlere, von der Kurbelwelle an das Fahrzeug abgegebene Moment nach oben verschoben werden. Durch Verschwenken des Lagerschildes 16 kann die Vorrichtung jeweils an den Ausgleichsbedarf angeglichen werden. Bei hohen Schwankungen wird somit mit großer Exzentrizität bzw. großen Abstand zwischen den Drehachsen A und C gearbeitet. Bei kleineren Schwankungen wird die Exzentrizität vermindert.
4 zeigt tabellarisch für Brennkraftmaschinen mit unterschiedlicher Zylinderzahl und unterschiedlichem Betrieb (Zweitaktverfahren, Viertaktverfahren) die Hauptordnungen des in 3a) dargestellten Wechseldrehmoments, die ausgeglichen werden müssen.
Die in 1 und 2 dargestellte Anordnung eignet sich zur Verringerung der Drehmomentschwankungen an der Kurbelwelle für die zweite Ordnung eines 2-Zylinder Zweitaktmotors oder eines 4-Zylinder Viertaktmotors.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 5 wird die exzentrische bzw. Hubbewegung der Führungskoppel 22 relativ zur Kurbelwelle 10 durch Verschwenken des Koppelgliedes 52 in eine Relativdrehung zwischen dem Ausgleichsmassebauteil 14 und der Kurbelwelle 10 umgewandelt. Diese Verschwenkung erfolgt während einer Umdrehung der Kurbelwelle einmal, so dass sich die Ausführungsform gemäß 5 zur Verringerung von Drehmomentschwankungen an der Kurbelwelle für die erste Ordnung bei einem 1-Zylinder Zweitaktmotor oder einem 2-Zylinder Viertaktmotor eignet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für einen Ausgleich von Drehmomentschwankungen bzw. Drehungleichiförmigkeiten an der Kurbelwelle anderen Motoren, bspw. 3-Zylindermotoren verwendet werden, in dem bspw. der Mitnehmeransatz 12 nicht starr mit der Kurbelwelle verbunden wird, sondern über ein Übersetzungs- bzw. Untersetzungsgetriebe mit der Kurbelwelle verbunden wird, in Folge derer der Mitnehmeransatz mit einer zum Ausgleich von Drehmomentschwankungen geeigneten Drehzahl dreht, bspw. bei einem 3-Zylindermotor mit um den Faktor 1,5 erhöhten Drehzahl im Vergleich zur Ausbildung der jeweiligen Vorrichtung für einen 2-Zylindermotor.
6 zeigt schematisch einen Kolben 60 eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, der über einen Pleuel 62 in an sich bekannter Weise mit der Kurbelwelle 10 verbunden ist. Bei Viertaktbetrieb erfolgt in bekannter Weise während zweier Kurbelwellenumdrehungen nur ein Arbeitstakt, in dem vom Kolben 60 ein Antriebsdrehmoment MK auf die Kurbelwelle 10 aufge bracht wird. Die Neigung des Pleuels 62 relativ zu Senkrechten führt dazu, dass sich der Kolben 60 mit Seitenkräften an der Zylinderwand abstützt. Diese Seitenkräfte können dadurch ausgeglichen werden, dass ein Stützmoment FN × s(t) auf das Zylinderkurbelgehäuse aufgebracht wird.
7 zeigt ein Beispiel, wie ein solches Stützmoment auf das Zylinderkurbelgehäuse aufgebracht wird. Dazu wird im dargestellten Beispiel die Anordnung gemäß 1 derart erweitert, dass das Ausgleichsmassebauteil 14 mit einer Umfangsverzahnung 64 versehen wird, und im Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle am Motorgehäuse um eine Achse D drehbar ein weiteres Ausgleichsmassebauteil 66 gelagert wird, das mit einer Umfangsverzahnung 68 ausgebildet ist, deren Durchmesser halb so groß ist wie der Durchmesser der Umfangsverzahnung 64. Dadurch dreht sich das weitere Ausgleichsmassebauteil 66 mit gegenüber der Drehgeschwindigkeit des Ausgleichsmassebauteils 14 doppelter Drehgeschwindigkeit, wobei es die Drehungleichförmigkeiten des Ausgleichsmassebauteils 14 voll mitmacht. Auf diese Weise lässt sich das zusätzliche Ausgleichsmassebauteil 66 zur Erzeugung eines die Kolbenseitenkräfte kompensierenden Stützmoments gemäß 6 nutzen, im dargestellten Beispiel für einen 4-Zylinder Viertaktmotor.
An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass das Ausgleichsmassebauteil 14 und das weitere Ausgleichsmassebauteil 66 bezüglich ihrer Drehachsen vorteilhafterweise ausgewuchtet sind. Sie können scheibenförmig oder sonst wie ausgebildet sein. Das zusätzliche Ausgleichsmassebauteil 66 lässt sich als Antrieb für einen an sich bekannten Zweiwellenausgleich zweiter Ordnung für die freien Massenkräfte nutzen. Im Unterschied zur konventionellen Drehungleichförmigkeitsdämpfung mit Hilfe einer Schwungscheibe wird erfindungsgemäß die Winkelgeschwindigkeit des Ausgleichsmassebauteils gezielt im Wesentlichen gleichphasig zu der der Kurbelwelle verändert. Dadurch kann das Trägheitsmoment des Ausgleichmassebauteils kleiner sein als das herkömmlicher Schwungscheiben, so dass der Motor gut auf Gaspedalstellungsänderungen reagiert.
8 zeigt schematisch eine besonders einfache Ausführungsform einer Verstelleinrichtung 40. Der Arm 44 des Lagerschildes 16 (1) ist gelenkig mit einem als Stellglied 42 dienenden Schaft eines Kolbens 72 einer doppelt wirkenden Kolbenzylindereinheit 74 verbunden, deren Druckräume über zwei Leitungen 76 und 78 miteinander verbunden sind. In jeder der Leitungen 76 und 78 ist ein Rückschlagventil 80 und 82 angeordnet, wobei die Rückschlagventile 80 und 82 gegensinnig zueinander wirken. Weiter ist in jeder der Leitungen ein Absperrventil 84 bzw. 86 angeordnet.
Durch die exzentrische Lagerung des Lagerschildes 16 wirken auf den Arm 44 während einer Umdrehung des Ausgleichsmassebauteils 14 alternierend Kräfte, die gemäß den Figuren nach oben oder nach unten gerichtet sind. Je nach Öffnung eines der Absperrventile 84 oder 86 kann ein in der Kolbenzylindereinheit 74 befindliches Hydraulikfluid nur von dem einen Druckraum in den anderen strömen, so dass durch zweckentsprechende Steuerung der Absperrventile 84 und 86 eine Verstellung in die eine oder in die andere Richtung erfolgt, ohne dass dazu eine externe Druckmittelquelle erforderlich ist. Es versteht sich, dass durch eine geeignete Hydraulikfluid-Nachfülleinrichtung sichergestellt ist, dass die Leitungen und die Kolbenzylindereinheit ständig luftfrei mit Hydraulikfluid gefüllt sind.
Anhand der 9 wird eine Möglichkeit erläutert, wie erfindungsgemäß nicht nur Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle ausgeglichen werden können, sondern zusätzlich ein Massenausgleich bei einem 1-Zylinder Zweitaktmotor oder einem 2-Zylinder Viertaktmotor erfolgen kann. Das mit 14 bezeichnete Ausgleichsmassebauteil der 9 entspricht dem Ausgleichsmassebauteil 14 der Ausführungsform gem. 5, deren restliche Teile in 9 der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Das Ausgleichsmassebauteil 14 weist eine Umfangsverzahnung 64 auf, die mit einer Umfangsverzahnung 68 eines weiteren Ausgleichsmassebauteils 88 kämmt. Mit 90 und 92 sind Unwuchten der Ausgleichsmassebauteile bezeichnet, das heißt das Ausgleichsmassebauteil 14 ist im Gegensatz zu der bevorzugten Ausbildung bezüglich seiner Drehachse nicht ausgewuchtet, sondern weist eine gezielte Unwucht 90 auf. Die Unwuchten 90 und 92 sind bevorzugt einander gleich und derart angeordnet, dass sie sich gemäß 5 jeweils gleichzeitig in senkrechter Stellung befinden, das heißt gleichzeitig den OT und den UT durchlaufen und bei waagrechter Stellung gegenphasig angeordnet sind. Die Anordnung wird, wie anhand der 5 bereits erläutert, bevorzugt zum Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle eines 1-Zylinder Zweitaktmotors oder 2-Zylinder Viertaktmotors verwendet. Wenn die Unwuchten bezüglich des Kolbens eines 1-Zylinder Zweitaktmotors oder der Kolben eines 2-Zylinder Viertaktmotors derart angeordnet sind, dass sie sich im UT befinden, wenn sich der bzw. die Kolben im OT befinden, lässt sich mit der Anordnung gemäß 5 für die genannten Motoren ein Massenausgleich erzielen.
Die im Vorstehenden beispielhaft geschilderten erfindungsgemäßen Vorrichtungen können in vielfältiger Weise abgeändert werden. Bspw. kann die Verstelleinrichtung 40 in ihrer Ausführungsform für die 1, 2, 5 und 7 einen Hydraulikzylinder enthalten, dessen Hydraulikmittel unter Druck stehender Kraftstoff, bspw. aus einem Common-Rail-System abgezweigter Dieselkraftstoff, ist, so dass keine gesonderte Hydraulikdruckquelle erforderlich ist. Der Hydraulikzylinder wird in an sich bekannter Weise mittels Ventilen gesteuert, die von einer elektronischen Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem am jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine erforderlichen Drehmomentschwankungsausgleich betätigt werden. Die geschilderte Verschwenkung des Lagerschildes 16 kann durch eine lineare Bewegbarkeit des Lagerschildes in einer motorgehäusefesten Kulisse ersetzt werden. Die Erfindung eignet sich sowohl zur Anwendung an Hubkolbenbrennkraftmaschinen oder als auch an Drehkolbenbrennkraftmaschinen.
An Stelle oder zusätzlich zur Verstellbarkeit des Lagerschildes 16 kann das Ausgleichsmassebauteil 14 derart ausgebildet werden, dass sein Trägheitsmoment 14 veränderbar ist, bspw. indem das Ausgleichsmassebauteil zwei in ihrem Abstand veränderbare Massenkörper enthält. Durch Verändern des Trägheitsmoments lässt sich die Vorrichtung an die jeweils auszugleichenden Drehungleichförmigkeiten anpassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Ausgleichsmassebauteil und der Kupplung mit der Kurbelwelle kann unterschiedlich angeordnet werden, beispielsweise an einem Ende der Kurbelwelle oder – bei mehrzylindrischen Motoren – zwischen den Kolben. An einer Kurbelwelle können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen sein.

10: Kurbelwelle
12: Mitnehmeransatz
14: Ausgleichsmassebauteil
16: Lagerschild
20: Durchgangsöffnung
22: Führungskoppel
24: radialer Arm
26: Koppelglied
28: Koppelglied
29: Gelenk
40: Verstelleinrichtung
42: Stellglied
44: Arm
46: Arm
48: Anschlag
50: Anschlag
52: Koppelglied
54: Arm
56: Arm
58: Koppelglied
60: Kolben
62: Pleuel
64: Umfangsverzahnung
66: Ausgleichsmassebauteil
68: Umfangsverzahnung
72: Kolben
74: Kolben/Zylindereinheit
76: Leitung
78: Leitung
80: Rückschlagventil
82: Rückschlagventil
84: Absperrventil
86: Absperrventil
88: Ausgleichsmassebauteil
90: Unwucht
92: Unwucht

Claims

Verfahren zum Vermindern von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle (10) einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei welchem Verfahren ein bewegliches Ausgleichsmassebauteil (14) mit der Kurbelwelle derart gekoppelt wird, dass die kinetische Energie des Ausgleichsmassebauteils in Phasen, in denen die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ohne deren Kopplung mit dem Ausgleichsmassebauteil zunehmen würde, zunimmt, und in Phasen, in denen die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ohne deren Kopplung mit dem Ausgleichsmassebauteil abnehmen würde, abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausgleichsmassebauteil (14) um eine Achse drehbar ist und mit der Kurbelwelle (10) derart gekoppelt ist, dass in Phasen, in denen die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ohne Kopplung mit dem Ausgleichmassebauteil zunehmen würde, die Winkelgeschwindigkeit des Ausgleichsmassebauteils relativ zur Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zunimmt, und in Phasen, in denen die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ohne Kopplung mit dem Ausgleichmassebauteil abnehmen würde, die Winkelgeschwindigkeit des Ausgleichsmassebauteils relativ zur Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Größe der Zunahme und Abnahme der Winkelgeschwindigkeit des Ausgleichsmassenbauteils (14) relativ zur Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 10 veränderbar ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Kurbelwelle (10), einem beweglichen Ausgleichsmassebauteil (14) und einer Kopplungseinrichtung, mittels der das Ausgleichsmassebauteil derart mit der Kurbelwelle koppelbar ist, dass in vorbestimmten Phasen der Drehung der Kurbelwelle zusätzliche Energie auf das Ausgleichmassebauteil übertragbar und von dem Ausgleichsmassebauteil auf die Kurbelwelle rückübertragbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Ausgleichsmassebauteil (14) um eine Achse drehbar ist und die Kopplungseinrichtung ein Getriebe enthält, das das Ausgleichsmassebauteil während einer Umdrehung der Kurbelwelle (10) mit relativ zur Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle wenigstens einmal zunehmender und abnehmender Winkelgeschwindigkeit drehantreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ausgleichmassebauteil (14) gleichachsig zur Kurbelwelle 10 gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Getriebe eine exzentrisch zur Kurbelwelle drehbar gelagerte Führungskoppel (22) enthält, die über wenigstens ein Koppelglied (26; 52) mit einem drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Mitnehmeransatz (12) gekoppelt ist und über wenigstens ein weiteres Koppelglied (28; 58) mit dem Ausgleichmassebauteil (14) verbunden ist, wobei die Achsen aller Gelenkverbindungen zwischen den Koppelgliedern, der Führungskoppel und dem Mitnehmeransatz parallel zur Drehachse der Kurbelwelle sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Mitnehmeransatz (12) starr mit der Kurbelwelle 10 verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Mitnehmeransatz (12) über ein Übersetzungsgetriebe mit der Kurbelwelle 10 drehfest verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Ausgleichsmassebauteil (14) zwischen dem Mitnehmeransatz (12) und der Führungskoppel (22) auf der Kurbelwelle gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die mit der Führungskoppel (22) verbundenen Koppelglieder (26, 28) gleichachsig an dieser gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei eine Verbindungslinie zwischen der Drehachse C der Führungskoppel (22) und der Drehachse A der Kurbelwelle (10) in Aufsicht auf die Drehachsen etwa mit der Bewegungslinie eines mit der Kurbelwelle verbundenen Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zusammenfällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Führungskoppel (22) an einem Lagerschild (16) gelagert ist, dessen Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle (10) veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Antrieb (40) zur Verstellung des Abstandes der Drehachse C der Führungskoppel (22) von der Drehachse A der Kurbelwelle (10) einen Hydraulikzylinder enthält, der an eine Kraftstoffdruckleitung der Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Antrieb (40) zur Verstellung des Abstandes der Drehachse C der Führungskoppel (22) von der Drehachse A der Kurbelwelle (10) einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder enthält, dessen Druckräume derart miteinander verbunden sind, dass die Strömung von Hydraulikmittel zwischen den Druckräumen selektiv in die eine oder die andere Richtung steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Antrieb (40) zur Verstellung des Abstandes der Drehachse C der Führungskoppel (22) von der Drehachse A der Kurbelwelle (10) einen Elektromotor enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei der Mitnehmeransatz (12) über ein erstes Koppelglied (26) mit der Führungskoppel (22) verbunden ist, die über ein weiteres Koppelglied (28) mit dem Ausgleichsmassebauteil (14) verbunden ist, wobei die Koppelglieder bei exzentrisch zur Kurbelwelle angeordneter Führungskoppel während einer Umdrehung der Kurbelwelle zweimal eine Strecklage durchlaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, wobei der Mitnehmeransatz (12) und die Führungskoppel (22) über einen Arm (54) eines zweiarmigen Koppelgliedes (52) verbunden sind, dessen anderer Arm (56) über ein weiteres Koppelglied mit dem Ausgleichsmassebauteil (14) verbunden ist, wodurch eine radiale Relativbewegung zwischen der Führungskoppel und der Kurbelwelle (10) in eine Relativdrehung zwischen der Kurbelwelle und dem Ausgleichsmassebauteil umgewandelt wird, die einmal pro Umdrehung der Kurbelwelle voreilend und nacheilend ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, enthaltend eine von dem Ausgleichsmassebauteil (14) mit vorbestimmter Übersetzung drehangetriebenes weiteres Ausgleichsmassebauteil (66; 88).
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die beiden Ausgleichsmassebauteile (14, 66) über Verzahnungen (64, 68) drehfest miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 und Anspruch 19 oder 20, wobei das weitere Ausgleichsmassebauteil (66) mit gegenüber dem Ausgleichsbauteil (14) doppelter Drehzahl dreht.
Vorrichtung nach Anspruch 18 und Anspruch 19 oder 20, wobei beide Ausgleichsbauteile mit gleicher Drehzahl gegensinnig drehen und Unwuchten aufweisen, die sich im UT befinden, wenn sich der Kolben eines 1-Zylinder Zweitaktmotors oder die Kolben eines 2-Zylinder viertaktmotors im OT befinden.