DE102009024162B4

DE102009024162B4 - Verbrennungsmotor mit drei Zylinder in W-Form

Info

Publication number: DE102009024162B4
Application number: DE200910024162
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: DE102009024162B9; DE102009024162A1

Abstract

Dreizylinder-Verbrennungsmotor (3) mit in einer Ebene flächerförmig angeordneten Zylindern, wobei der gewünschte enge Zylinderwinkel bei üblicher Bauhöhe des Motors mit konventioneller Bauweise nicht zu realisieren ist. Gelöst wurde erfindungsgemäß das Problem durch die Einführung eines Koppelgliedes (1), dessen Drehbewegung über zwei Kurbelwellen (4, 5) gleichen Hubes und ein beide Kurbelwellen verbindender Synchrontrieb (6) gewährleistet ist. Aufgrund der W-Form und der vorteilhaften Verwendung eines OHV-Ventiltriebs wird die traditionelle Anmutung und die Anlehnung an einen Sternmotor besonders hervorgehoben. Interessant ist ein solcher Motor insbesondere für großvolumige Motorräder im Cruiser-Segment.

Description

Stand der Technik
Dreizylinder-Verbrennungsmotoren werden üblicherweise als Reihenmotoren gebaut (R3) und sind hinlänglich bekannt. Als Sonderformen existieren V-Anordnungen, bei denen der mittige Zylinder im Winkel angeordnet ist, um insbesondere die Baubreite des Motors zu verringern. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Bauart eines üblichen V2-Motors mit benachbartem Einzylinder, der ähnlich wie bei doppelreihigen Sternmotoren bei seitlicher Ansicht auf Lücke angeordnet ist. Diese Anordnung ergibt einen sehr inhomogenen Motor, da beispielsweise auf dem einen Hubzapfen ein Pleuel, auf dem anderen zwei Pleuel angeordnet sind. Eine sinnvolle Ableitung aus doppelreihigen Sternmotoren ist also nicht möglich.
Ziel der Erfindung
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, vorrangig für den Einsatz in einem Motorrad einen Motor darzustellen, der in dem heute bekannten Spektrum noch nicht vorhanden ist und primär Emotionen bedient, wie sie von den großen V2-Motoren insbesondere amerikanischer Herkunft ausgehen. Der wohl berühmteste Vertreter dieser Gattung ist der V2-Motor von Harley Davidson, der von den Japanern vielfach kopiert wurde, wenn auch mit unterschiedlicher Technik. Ziel dieser Erfindung ist es nun, einen neuen Dreizylindermotor zu realisieren, dessen Zylinder in einer Ebene liegen und den man in dieser Hinsicht als Teilstück eines Sternmotors bezeichnen könnte. Dabei sollten die Zylinder aus baulichen und optischen Gründen in einem engen Winkel zueinander stehen, nach Möglichkeit unterhalb von 60° (Gesamtwinkel zwischen vorderem und hinterem Zylinder). Weiterhin sollte bei der Auswahl der Technik (z. B. Ventiltrieb) das traditionelle Erscheinungsbild bestmöglich abgebildet werden.
Nachteile und Problematik konventioneller Lösungen
Ausgehend von einem R3 ergeben sich bei Auffächerung der Zylinder grundsätzlich zwei Probleme:
Wählt man den Zylinderwinkel in der gewünschten Größenordnung (z. B. 2 × 22.5° = 45° wie bei dem hier vorgestellten Motor), gewinnt man bei konventioneller Bauweise keine Baubreite. Prinzipiell sind gegenüber einem R3 lediglich Bauaufwand und Kosten erhöht worden.
Arbeiten dagegen drei Pleuel auf einen Hubzapfen, wird entweder der Zylinderwinkel zu groß oder die Bauhöhe des Motors (Pleuellänge) unrealistisch groß.
Auch die klassische Bauform des Sternmotors mit einem Zentralpleuel und (im Falle des hier vorgestellten Dreizylindermotors) zwei angelenkten Nebenpleueln ist nicht geeignet, da der geringe Zylinderwinkel und die damit verbundene Hebelwirkung auf das Zentralpleuel zu hohe Seitenkräfte auf den mittleren Kolben erzeugen würde.
Die US 2,083,807 A beschreibt einen W-Motor mit zwei außenliegenden Arbeitskolben und einem mittlerem Steuerkolben für den Gaswechel eines Zweitakt-Motors, wobei der Steuerkolben über ein Nebenpleuel an dem jeweiligen Pleuel des Arbeitskolbens angelenkt ist. Dieser Steuerkolben ist naturgemäß geringeren Kräften ausgesetzt, so dass nur, in einem geringen Maße die daraus resultierenden Seitenkräfte auf den Arbeitskolben wirken.
Erfindungsgemäße Lösung der beschriebenen Problematik
Gelöst wurde das Problem durch die Einführung eines Koppelgliedes (1), das über zwei Lager (2, 3) zwei Kurbelwellen (4, 5) miteinander verbindet. Zur Unterscheidung wird die Kurbelwelle, deren Hubzapfen in Lager (2) läuft, als Primärkurbelwelle (4), die zweite Kurbelwelle als Sekundärwelle (5) bezeichnet. Gewährleistet wird der Gleichlauf beider Kurbelwellen durch einen Synchrontrieb (6), der in den Figuren symbolisch als Kettentrieb dargestellt ist. Um Abweichungen im Gleichlauf, Fertigungstoleranzen oder Wärmedehnungen zu kompensieren, ist die Lagerung (3) für die Sekundärwelle (5) als Schiebestück ausgebildet, das in einer Gabel (7) des Koppelgliedes (1) die erwähnten Abweichungen der Achsabstände beider Hubzapfen zulässt. Geschmiert werden die Gleitflächen (8, 9, 10, 11) durch Bohrungen (12), die das vom Hubzapfen der Sekundärwelle eingebrachte Öl ausreichend auf die Gleitflächen verteilen. Lager (3) ist konventionell geteilt und verschraubt. Das gilt auch für das Lager (2), dessen Oberschale den eigentlichen Körper des Koppelgliedes (1) bildet. Hier sind drei Lagerungen (13, 14, 15) zur Aufnahme der Bolzen (16) vorgesehen, die als Gegenstück zu den Kolbenbolzen die Lagerung der unteren Augen der Pleuel (17, 17') bilden. Für eine leichtere Montage sind die Durchmesser (18, 19) der Bolzen (16) geringfügig abweichend ausgeführt. Mit Hilfe einer geeigneten Innenkontur (21) werden die Bolzen über das Gewinde (20) im Koppelglied verschraubt. Andere Variationen der axialen Fixierung sind denkbar, jedoch nicht dargestellt.
Die Bohrungen (13, 14, 15) beschreiben bei Drehung der Kurbelwellen gleichen Hubes gleichgroße Kreise mit den entsprechenden Kurbelradien. Für einen relativ zum oberen Totpunkt (OT) des Kolbens symmetrischen Kolbenweg müssen die Bohrungen (13, 14, 15) so angeordnet sein, daß ihre Achsen im Kolben-OT die Zylinderachse Z des betreffenden Zylinders schneiden. Die Ebenen, die jeweils von den Kurbelwellen- und Hubzapfenachsen gebildet werden, liegen dabei naturgemäß parallel zur betreffenden Zylinderachse Z. Im Sinne eines konventionellen geschränkten Kurbeltriebs können die Bohrungen (13, 14, 15) einfach versetzt werden, sodaß für alle Zylinder bzw. Kolben die gleichen unsymmetrischen Verhältnisse entstehen. Das kann aus Gründen einer Reibleistungsreduzierung sinnvoll sein. Hier zeigt sich der Vorteil des erfindungsgemäßen Koppelgliedes (1). Bei konventionellen V- oder W-Motoren ist das nicht möglich. Drei gleichlange Pleuel sind nicht zwingend notwendig. So wurden die äußeren Pleuel (17) länger ausgeführt als das mittlere (17'), weil die baulichen Verhältnisse dies zulassen und damit die Massenkräfte im OT reduziert werden können.
Die Seitenansicht des Motors (1) zeigt sehr deutlich, daß die Zylinderachsen sich nicht in der Kurbelwellenachse schneiden, ihr Schnittpunkt S liegt deutlich tiefer. Das Koppelglied (1) erlaubt die abgebildete Verschiebung der Kurbelwellen in Richtung der Zylinder, obwohl diese in einer Ebene liegen (2) und nur in einem geringen Winkel von 2 × 22.5° = 45° zueinander stehen. Sie bilden mit der oberen Hälfte des Motorgehäuses eine steife Einheit und sind nur optisch als drei einzelne Zylinder ausgestaltet. Es handelt sich hier also um ein Zylinderkurbelgehäuse (22).
Es kann der jeweils gleiche Zylinderkopf (23) verbaut werden. Das kostengünstige Gleichteilkonzept zeigt. 4. Der Stösselstangen-Ventiltrieb gewährleistet einerseits die gewünschte traditionelle Anmutung und andererseits eine Drehung der Zylinderköpfe um die Zylinderachse Z. Die technischen Nachteile bekannter V2-Motoren mit stark abgewinkelten Kanälen sowohl auf der Ein wie auf der Auslassseite werden hier vermieden. Vier Ventile mit engen Ventilwinkeln und einem steilen Einlasskanal (25) schaffen optimale Verhältnisse für den Gaswechsel. Die in den Bildern erkennbaren Einstellschrauben (26) können naturgemäß auch durch übliche hydraulische Ausgleichselemente ersetzt werden. In der Seitenansicht des Motors (1) bilden die Stösselstangen bzw. deren Schutzrohre (27) trotz der Drehung der Zylinderköpfe um 45° den klassischen Anblick. Das wurde durch die gleichsinnige Anordnung von Einlaßkipp-(28) und Auslaßkipphebel (29) ermöglicht. Das Kerzenrohr (30) liegt zwischen den Einlassventilen und dem Auslasskipphebel (29).
Die Stössel (31) sind verdrehgesichert im Stösselführungselement (24) angeordnet. Aus Gründen geringer Masse und enger Nachbarschaft tragen sie am Fußende eine Gleitplatte (32), die gerade oder auch gewölbt ausgeführt sein kann, um die Auswanderung der Kontaktlinie zwischen Nocken (35) und Gleitfläche zu verringern und die Flächenpressung zu minimieren.
1 zeigt weiterhin den Antrieb der Nockenwellen über Stirnräder (vereinfachte Teilkreis-Darstellung). Die Lage der Nockenwellenachsen ist festgelegt durch die Bedingungen Übersetzung 1:2, Zylinderwinkel β und gleiche Entfernung vom Schnittpunkt S der Zylinderachsen, um das in 4 dargestellte Gleichteilkonzept realisieren zu können. Diese Bedingungen sind in 1 erfüllt. Die Zahnräder könnten im gezeigten Fall mit einem üblichen Modul (z. B. 2.0) gefertigt werden.
Sinnvoll gezündet werden mit einem Versatz von 45° die äußeren und danach der mittlere Zylinder. Damit ergibt sich ein emotional ansprechender Sound. Die erforderliche Schwungmasse kann auf dem treibenden Rad (36) des Primärtriebs (6) adaptiert werden.
Der Abtrieb (5) erfolgt beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite über ein Zahnrad (36) der Sekundärwelle (5). Je nach den baulichen Verhältnissen des Gesamtfahrzeugs sind andere Lösungen möglich oder sinnvoll.

Claims

Verbrennungsmotor in W-Form, dadurch gekennzeichnet, dass drei Zylinder in einer orthogonal zu den Kurbelwellenachsen liegenden Ebene angeordnet sind, die mit der Oberseite des Motorgehäuses (22) eine Einheit bilden, wobei der Winkel β zwischen den Zylinderachsen Z einen Wert von 40° nicht übersteigt; dass der Schnittpunkt S der Zylinderachsen Z in einem Abstand a unterhalb der Ebene E liegt, die durch die beiden Kurbelwellenachsen beschrieben wird; dass die Anordnung zweier Kurbelwellen (4, 5) gleichen Hubes mit jeweils einem Hubzapfen in Tandembauweise ausgeführt ist, deren Synchronlauf durch einen Primärtrieb (6) gewährleistet wird, wobei nicht die Art der Transmission, sondern der gleiche Drehsinn der Kurbelwellen (4, 5) entscheidend ist; dass die Verbindung beider Hubzapfen über ein Koppelglied (1) erfolgt, das den einen Zapfen über ein Lager (2) konventionell umschließt und dessen gabelartige Gestaltung (7) ein zweites Lager (3) für den anderen Zapfen aufnimmt, das in der Ebene der Zylinderachsen Z eine Gleitbewegung ausführen kann, um Abweichungen im Synchronlauf, Wärmedehnungen und Fertigungstoleranzen der Achsabstände zu kompensieren; dass die Anlenkung der Pleuel (17, 17') im Koppelglied (1) über axial fixierte Bolzen (16) erfolgt; dass für einen relativ zum oberen Totpunkt (OT) des Kolbens symmetrischen Kolbenweg die Bohrungen (13, 14, 15) so angeordnet sind, dass ihre jeweilige Achse im Kolben-OT die Zylinderachse schneidet, die parallel zu der Ebene steht, die durch die Kurbelwellen- und Hubzapfenachse gebildet wird oder auch so angeordnet sind, dass im Sinne eines konventionellen geschränkten Kurbeltriebs sich für alle Kolben die gleichen, jedoch zum Kolben-OT unsymmetrischen Kolbenwege ergeben; dass die Pleuel (17, 17') im Sinne einer Reduzierung von Massenkräften von unterschiedlicher Länge sein können; dass die Zylinderköpfe (23) um die Zylinderachse Z derart verdreht sind, dass die Ansaugung (25) oder der Gasaustritt (37) durch den benachbarten Zylinderkopf nicht verdeckt wenden; dass vorteilhaft der Zylinderkopf (23) als Gleichteil konzipiert ist; dass bei Verwendung eines Stösselstangen-Ventiltriebs (OHV) die gleichsinnige Anordnung der Kipphebel (28, 29) mit in gleiche Richtung weisenden Armen zur Ventilbetätigung gegeben ist.
Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung untenliegender Nockenwellen (35) und eines Stirnradtriebes das treibende Rad (34) mit der Übersetzung 1:2 auf das Rad der mittleren Nockenwelle wirkt, das wiederum die Räder der beiden benachbarten Nockenwellen antreibt.
Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass analog zu konventionellen Verbrennungsmotoren Ausgleichswellen für einen besseren Massenausgleich eingesetzt werden können.