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Die
Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest
zwei Zylindern mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Sie
geht von der deutschen Patentschrift
DE 100 53 096 B4 aus. Aus dieser ist eine
Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere eine Ein-Zylinder- oder
Zwei-Zylinder-Boxer-Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Kurbelgehäuse
mit einem Kurbelraum, in dem eine Kurbelwelle drehbar angeordnet
ist, die jeweils über ein Pleuel mit einem in jedem Zylinder
schiebebeweglich angeordneten Kolben in Wirkverbindung steht, bekannt.
Ferner verfügt die Hubkolben-Brennkraftmaschine über
eine Schmiermittelauffangvorrichtung, wobei ein Schmiermittelraum
der Schmiermittelauffangvorrichtung von dem Kurbelraum weitgehend
gasdicht durch eine Trennwand getrennt ist. Der Schmiermittelraum
und der Kurbelraum sind durch ein Ventil gasführend miteinander
verbindbar, wenn im Kurbelraum ein höherer Luftdruck anliegt
als im Schmiermittelraum. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich
durch Absenkung des Luftdrucks im Kurbelgehäuse bzw. im
Kurbelraum eine Leistungs- bzw. Drehmomentsteigerung der Brennkraftmaschine
zu erzielen.
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Weiter
ist es im Automobilrennsport ein gebräuchliches Verfahren
zur Leistungssteigerung den Kurbelraum unter den Kolben aufzuteilen
und einzeln oder phasengleich zusammenzufassen, möglichst luftdicht
zueinander abzuschotten und über eine oder mehrere Absaugpumpen
die Gase aus den einzelnen Kurbelräumen abzusaugen, wobei
das abgesaugte Luft-Schmiermittel-Gemisch einem externen Schmiermitteltank
zugeführt wird.
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Nachteilig
an dieser Ausgestaltung ist es, dass der Leistungsbedarf der Absaugpumpen über einen
großen Drehzahlbereich höher ist als die Reibleistungsverminderung
in den Kurbelräumen. Nur bei sehr hohen Drehzahlen der
Brennkraftmaschine wird insgesamt ein Vorteil erzielt. Dieses o.
g. System ist für PKW-Anwendungen unter dem Aspekt Verbrauchsminderung,
bzw. Verminderung der CO2-Emissionen nicht übertragbar.
Zudem ist dieses System teuer, schwer und hat einen hohen Platzbedarf.
Die Kurbelgehäuseentlüftung ist weiterhin hohen
Druckpulsationen ausgesetzt und wird dadurch noch komplexer.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine denkbar einfache und kostengünstige
Möglichkeit aufzuzeigen, um die Reibungsverluste in den Kurbelräumen
zu vermindern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Weiter
können in vorteilhafter Weise die Kurbelwellenhauptlageraufnahmen
im Kurbelgehäuse sehr steif und akustisch wirksam gestaltet
werden. Außerdem sind keine konstruktiven Maßnahmen
wie Durchbrüche oder Bohrungen für die übliche
von Brennkraftmaschinen bekannte Gasventilation im Kurbelgehäuse
nötig. Die Membranen der Ventile reagieren sensibel auf
die Druckpulsationen der vor- und nachgeschalteten Teilkurbelräume,
Kammern und Leitungssysteme und benötigen dadurch in erster
Linie keine weiteren Hilfs einrichtungen zu deren Betätigung.
Weiter sind die Druckpulsationen nach dem Ventil- bzw. Membranübertritt
erheblich geringer als bei konventionellen Ventilationssystemen.
Die Kurbelgehäuseentlüftung wird somit wesentlich
vereinfacht. Weiter kann durch die starke Reibminderung bei hohen
Drehzahlen ggf. auf einen Schmiermittelkühler verzichtet
werden. Ebenso ist das „Downsizing”, die bauliche
Verkleinerung bisheriger Brennkraftmaschinenkonzepte möglich,
mit den sich daraus ergebenden Vorteilen, insbesondere der Verbrauchs-
und CO2-Minderung.
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Die
Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche
2 und 3 sind zwei besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 erweitert
die Auswahlmöglichkeiten von geeigneten Ventilen.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei besonders bevorzugten
Ausführungsformen in zwei Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
in einer Schemazeichnung eine erste besonders bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine.
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2 zeigt
in einer Schemazeichnung eine zweite besonders bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine.
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Im
Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in beiden Figuren
die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt
in einer Schemazeichnung einen Schnitt in Richtung einer Hochachse
durch eine erfindungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine 1. Die Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 weist
ein Kurbelgehäuse 3 einem Kurbelraum 4 sowie
mit einem Zylinder 2 auf. Im Kurbelraum 4 ist
eine Kurbelwelle 5 drehbar gelagert, die über
ein Pleuel 6 mit einem schiebebeweglich im Zylinder 2 geführten
Kolben 7 in Wirkverbindung steht. Geodätisch unter
dem Kurbelgehäuse 3 ist eine Schmiermittelauffangvorrichtung 8 mit
einem Schmiermittelraum 9 angeordnet, in dem ein Schmiermittel
der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 gesammelt wird. Der
Kurbelraum 4 und der Schmiermittelraum 9 sind
durch eine Trennwand 15 gasdicht gegeneinander verschlossen.
In der Trennwand 15 ist ein Ventil 10 angeordnet,
im vorliegenden Fall ein druckgesteuertes Einwegeventil. Anstelle
eines druckgesteuerten Einwegeventils, wie z. B. einem Hub- oder
Kugelventil, können grundsätzlich alle Arten von
Einwegeventilen verwendet werden, auch gesteuerte Ventile wie beispielsweise
Drehschieberventile.
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Beim
Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 werden durch
einen Verbrennungsdruck in einem Brennraum, der durch den Kolben 7,
dem Zylinder 2 und einem Zylinderkopf 14 begrenzt
ist, Blow-By Gase 13 an Kolbenringen des Kolbens 7 vorbei
in den Kurbelraum 4 ausgeblasen. Hierdurch erhöht
sich beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 der
Gasdruck im Kurbelraum 4. Durch diesen Gasdruck im Kurbelraum 4 öffnet
das Ventil 10 und der Gasdruck entweicht in den Schmiermittelraum 9.
Hierbei erniedrigt sich der Gasdruck im Kurbelraum 4, wodurch
die innere Reibung der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 reduziert
wird und Verbrauchs- und CO2-Vorteile erzielt
werden. Um diesen Effekt noch weiter zu verbessern wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass für jeden einzelnen Zylinder 2 ein eigener
Teilkurbelraum vorgesehen ist, der gegenüber dem Teilkurbelraum
eines zweiten Zylinders 2 luftdicht ist und jeder Teilkurbelraum über
ein separates Ventil 10 mit dem Schmiermittelraum 9 verbindbar
ist. Dies bedeutet, dass jedem Zylinder 2 ein eigener,
abgeschotteter Kurbelraum zugeordnet ist.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform weist die Hubkolben-Brennkraftmaschine
zwei gleichfasig antreibbare Kolben 7 auf, z. B. eine Vierzylinder
Hubkolben-Brennkraftmaschine 1, bei der jeweils zwei Kolben 7 gleichfasig
arbeiten, z. B. der erste Kolben 7 saugt z. B. eine Frischluftgemisch
an, während der zweite Kolben 7 gerade seine Expansionsfase
durchläuft. In diesem Fall kann den Zylindern 2 mit
den gleichfasig betriebenen Kolben 7 ein gemeinsamer Teilkurbelraum
zugeordnet werden, der über ein gemeinsames Ventil 10 mit
dem Schmiermittelraum 9 verbindbar ist.
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Die
erfindungsgemäße „Ventil-, bzw. Membranentlüftung” ist
auf alle Bauarten von Hubkolben-Brennkraftmaschine in allen Zylindervariationen (Reihen-,
V-Anordnung ... etc.) anwendbar, wenn es mit dem „abgeschotteten
Kurbelraum” kombiniert wird. Werden bei Mehrzylinderanordnungen
die Teilkurbelräume einzeln oder auch in gleichfasigen Gruppen
zusammengefasst gegeneinander abgeschottet, dann stellen sich abhängig
von dem Austrittswiderstand aus den Teilkurbelräumen hohe Druckpulsationen
in den Teilkurbelräumen ein. Die in geeigneter Weise, z.
B. gusstechnisch, möglichst luftdicht abgeschotteten, einzeln
oder fasengleich zusammengefassten Teilkurbelräume werden über
ein oder auch mehrere Ventile 10, z. B. mit Membranen, in
einen angrenzenden Sammelbehälter, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Schmiermittelauffangvorrichtung 8 oder über
angrenzende Leitungen, wie in 2 dargestellt,
entlüftet. Bei geeigneter Strömungsführung
in den Teilkurbelräumen mittels Luftleiteinrichtungen (im
Fachjargon gerne auch „Schmiermittelhobel oder Ölhobel” genannt)
zu den Ventilen 10 gelingt es, das in den Schmiermittelraum 9 strömende
Gas-/Schmiermittelgemisch vollständig zu entsorgen. Der
in der Kolbenabwärtsbewegung entstehende Überdruck
kann dabei auch genutzt werden, das Gas-/Schmiermittelgemisch in
geodätisch höher gelegene Sammelbehälter,
bzw. Schmiermittelauffangvorrichtungen 8, zu fördern,
wie es in 2 ersichtlich ist.
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Die
Ventilationsverluste moderner Hubkolben-Brennkraftmaschinen, wie
sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, betragen in Abhängigkeit von
der Konstruktion und Größe der Hubkolben-Brennkraftmaschine
bis zu 25 % der Triebwerksreibung, bei maximaler Drehzahl. Im Kurbelgehäuse verursacht
die oszillierende Hubbewegung der Kolben eine Volumenänderung
in den einzelnen Teilkurbelräumen. Durch die konstruktiv
bedingte Drosselung der Gasbewegungen entstehen diese Verluste. Dadurch
stellen sich unterschiedliche Druckniveaus in den Teilkurbelräumen
ein und es werden Gasvolumina innerhalb des Kurbelgehäuses
ausgetauscht.
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Das
Design moderner Hubkolben-Brennkraftmaschinen, wie oben bereits
zum Stand der Technik dargestellt ist, bei dem über ein
möglichst weitgehendes Schließen des unteren Kurbelraumes ein
günstiges Geräuschverhalten (Akustik) erzielt werden
soll, verstärkt die Tendenz zu höheren Ventilationsverlusten,
da die zur Verfügung stehenden Ventilationsquerschnitte
reduziert werden. Bei minimaler Fläche der Ventilationsquerschnitte
(Ventilationsquerschnitt = 0 = abgeschottet ohne Durchtrittsöffnung
für das Gas) verhält sich die Luft unter dem Kolben
wie eine Luftfeder, sprich verlustfrei. Durch die Notwendigkeit
speziell der Abführung von Schmiermittel und der Blow-By
Gase ist eine derartige Konstruktion ausgeschlossen. Mit zunehmender Öffnung
der Ventilationsquerschnitte steigen die Ventilationsverluste bis
zu einem Maximum, das von der Bauweise der Hubkolben-Brennkraftmaschine
und dem Drehzahlniveau abhängig ist, an. Oberhalb des Maximums
sinken die Werte für die Ventilationsverluste mit größer
werdenden Querschnitten. Die Anzahl und Größe
der Ventilationsöffnungen ist jedoch durch die Strukturfestigkeit
des Kurbelgehäuses beschränkt, so dass eine beliebige
Vergrößerung der Querschnitte nicht möglich
ist. Eine Verringerung der Querschnittsflächen führt
ausgehend vom Maximum bei hohen Drehzahlen zu einer Steigerung der
Ventilationsverluste in einem zyklusrelevanten niedrigen Drehzahlbereich
und kann somit sogar kontraproduktiv wirken.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Ventil 10 im Teilkurbelraumübertritt
zum Schmiermittelraum 9 wird über weite Kurbelwinkel
der Kurbelwelle 5 der Zustand Ventilationsquerschnitt =
0 erreicht, nämlich genau dann, wenn durch eine Kolbenaufwärtsbewegung
das Gasvolumen unter den Kolben 7 wieder vergrößert
wird und beispielsweise die Membrane des Ventils 10 den Übertritt
verschließt. Bei Volumenverkleinerung, sprich einer Kolbenabwärtsbewegung, öffnet
die Membran des Ventils 10 nur entsprechend dem durch den
Eintrag von Blow-By Gas, Schmiermittel und durch Wärmeeintrag
gestiegenen Gasvolumenvergrößerung. In weiten
Drehzahlbereichen wird also das vorteilhafte Prinzip der Luftfeder ausgenutzt.
Der Gasaustausch findet nur in der gewünschten Richtung
statt.
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2 zeigt
nochmals die gleiche erfindungsgemäße Ausgestaltung
wie 1 für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine 1.
Allerdings ist in diesem Ausführungsbeispiel die Schmiermittelauffangvorrichtung 8 mit
dem Schmiermittelraum 9 in einem separaten Gehäuse 11 angeordnet,
das mit einer Gas- und Schmiermittel führenden Leitung 12 mit
dem Kurbelgehäuse 3 bzw. dem Kurbelraum 4 über
das Ventil 10 in Verbindung steht.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist eine einfache
und kostengünstige Möglichkeit realisiert, um
die Reibungsverluste in den Kurbelkammern zu minimieren. Weiter
können in vorteilhafter Weise die Kurbelwellenhauptlageraufnahmen
im Kurbelgehäuse sehr steif und akustisch wirksam gestaltet
werden. Außerdem sind keine konstruktiven Maßnahmen
wie Durchbrüche oder Bohrungen für die übliche
von Brennkraftmaschinen bekannte Ventilation im Kurbelgehäuse
nötig. Die Membranen der Ventile reagieren sensibel auf
die Druckpulsationen der vor- und nachgeschalteten Teilkurbelräume, Kammern
und Leitungssysteme und benötigen dadurch in erster Linie
keine weiteren Hilfseinrichtungen zu deren Betätigung.
Weiter sind die Druckpulsationen nach dem Ventil- bzw. Membranübertritt
erheblich ge ringer als bei konventionellen Ventilationssystemen.
Die Kurbelgehäuseentlüftung wird somit wesentlich
vereinfacht. Weiter kann durch die starke Reibminderung bei hohen
Drehzahlen ggf. auf einen Schmiermittelkühler verzichtet
werden. Ebenso ist das „Downsizing”, die bauliche
Verkleinerung bisheriger Brennkraftmaschinenkonzepte möglich,
mit den sich daraus ergebenden Vorteilen, insbesondere der Verbrauchs-
und CO2-Minderung.
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- 1
- Hubkolben-Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Kurbelgehäuse
- 4
- Kurbelraum
- 5
- Kurbelwelle
- 6
- Pleuel
- 7
- Kolben
- 8
- Schmiermittelauffangvorrichtung
- 9
- Schmiermittelraum
- 10
- Ventil
- 11
- Gehäuse
- 12
- Leitung
- 13
- Blow-By
Gas
- 14
- Zylinderkopf
- 15
- Trennwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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