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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb, mit dem über ein Zugmittelgetriebe wie z. B. einen Riemen- oder Kettentrieb ein erstes Aggregat und zumindest ein weiteres Aggregat antreibbar sind.
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Brennkraftmaschinen mit bis zu 8 Zylindern (8-Zylinder Brennkraftmaschine mit einer ebenen Kurbelwelle) benötigen, außer einer Reihensechszylinderbrennkraftmaschine, für eine bessere Laufruhe einen Massenausgleich. Mit Massenausgleich bezeichnet man alle Maßnahmen zum teilweisen oder vollständigen Ausgleich der Massenkräfte und Momente von Kurbeltrieben. Treten an der Gesamtbrennkraftmaschine nach außen keine freien Massenkräfte und -momente auf, liegt ein vollständiger äußerer Massenausgleich vor. Dabei können innerhalb der Brennkraftmaschinenstruktur noch Kräfte und Momente auftreten, welche die Lagerung und Brennkraftmaschinengehäuse belasten sowie Verformungen und Schwingungen verursachen. Die grundsätzlichen Belastungen aufgrund von Gas- und Massenkräften sind beispielsweise Wechseldrehmoment, Querkippmoment, Rückdrehmoment, freie Massenkräfte oder inneres Biegemoment. Diese unterschiedlichen Kräfte und Momente haben ihre Ursache in Gaskräften, Tangentialkräften sowie Massentangentialkräften bei den Ordnungszahlen 1, 2, 3 und 4, durch nicht ausgeglichene oszillierende Massenkräfte der ersten Ordnung bei einer Zweizylinder-, der 2ten Ordnung bei 1,2,4-Zylinderbrennkraftmaschinen, durch nicht ausgeglichene oszillierende Massenkräfte als Kräftepaar 1. und 2. Ordnung sowie durch rotierende und oszillierende Massenkräfte. Einflussgrößen auf diese Massenmomente sind gegeben durch die Zylinderzahl, Zündabstände, Hubvolumen, Kurbelstern, Kröpfungsanzahl, Brennkraftmaschinenlänge und Gehäusesteifigkeit. Die Beseitigung der freien Massenkräfte durch rotierende Ausgleichssysteme ist möglich, jedoch aufwendig. Die inneren Biegemomente werden meist durch Gegengewichte eliminiert.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 025 881 A1 ist beispielsweise ein Massenausgleich für eine Dreizylinder-Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei wird von einem Kurbeltrieb über eine Kette eine erste Ausgleichswelle direkt angetrieben, während die zweite Ausgleichswelle über eine Stirnverzahnung von der ersten Ausgleichswelle angetrieben wird. Für den Nockenwellenantrieb ist üblicherweise ein separater, in einer zweiten Ebene angeordneter Nockenwellenantrieb vorzusehen.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 058 248 A1 ist beispielsweise ein Massenausgleich für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine beschrieben, wobei über den Kurbeltrieb mit dem entsprechenden Zugmittel eine erste Ausgleichswelle und ein Abtriebsrad angetrieben wird. Das Abtriebsrad treibt in einer zweiten Ebene die zweite Ausgleichswelle sowie eine Ölpumpe an. Für den Antrieb des ersten Aggregates ist auf der Kurbelwelle ein weiteres Ritzel in einer dritten Antriebsebene vorgesehen.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 40 19 304 C1 ist weiter ein Massenausgleich für eine fünfzylindrige Brennkraftmaschine mit gleichmäßiger Zündfolge beschrieben. Die Kurbelwelle weist die gleichmäßig versetzten Kurbelkröpfungen 1 bis 5 auf. Die Zündfolge ergibt sich für diesen Kurbelstern zu 1, 2, 4, 5, 3. Die Zählung der Kröpfungen 1 bis 5 beginnt von einem, einem Schwungrad abgewandten Ende der Kurbelwelle. Zum Ausgleich der Massenmomente 2ter Ordnung sind unter den Lagerstellen und zwischen den Kurbelkröpfungen erste und zweite Ausgleichsmassen vorgesehen. Der Antrieb dieser Ausgleichsmassen erfolgt durch erste und zweite Zahnkränze, welche mit einer dritten Wange bzw. einer achten Wange der Kurbelwelle verbunden sind.
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Nachteilig an den oben genannten Konzepten ist, dass für jede Brennkraftmaschinenart (genauer Hubkolbenbrennkraftmaschine) mit entsprechender Zylinderanzahl, d. h. 3, 4, 5, 6, 8 Zylinder, jeweils passend für den benötigten Massenausgleich komplett unterschiedliche Brennkraftmaschinen bzw. Kurbelgehäuse konstruiert werden müssen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Grundkonstruktion für eine Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit der der Massenausgleich zumindest für 3- und 4-Zylinder Brennkraftmaschinenkonzepte gleichzeitig realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist ein kostengünstiger, bauraumvereinheitlichter und -minimierter Zugmitteltriebsbaukasten für eine Brennkraftmaschinenfamilie möglich. Zusätzlich werden zusätzliche Antriebselemente wie z. B. Zahnräder oder weitere Zugmittelspuren vermieden.
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Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 kann auch eine Fünfzylinder-Brennkraftmaschine mit einer Ausgleichwelle mit der Ordnung –1 in die bauraumvereinheitlichte Brennkraftmaschinenfamilie mit aufgenommen werden.
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Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 kann auch eine Fünfzylinder-Brennkraftmaschine mit zwei Ausgleichwellen der Ordnungen +2 und –2 in die bauraumvereinheitlichte Brennkraftmaschinenfamilie mit aufgenommen werden.
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Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 kann auch eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine ohne Ausgleichwelle in die bauraumvereinheitlichte Brennkraftmaschinenfamilie mit aufgenommen werden.
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Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 kann auch eine V-Achtzylinderbrennkraftbrennkraftmaschine mit einer ebenen Kurbelwelle und jeweils um 45° geneigten Zylinderachsen gegenüber der Brennkraftmaschinenhochachse mit zwei Ausgleichwellen der Ordnungen +2 und –2 in der Hochachse und symmetrisch zur Brennkraftmaschinenlängsachse in die bauraumvereinheitlichte Brennkraftmaschinenfamilie mit aufgenommen werden.
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Mit der Ausgestaltung gem. Patentanspruch 6 ist eine weitere Bauraumminimierung möglich.
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Mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 7 bis 12 sind Brennkraftmaschinenkonzepte für Drei-, Vier-, Fünf-, Sechs- und V8-Zylinderbrennkraftmaschinen in einfacher Weise als Baukastensystem darstellbar.
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Im Folgenden sind sieben unterschiedliche Brennkraftmaschinenkonzepte in zwei Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Zugmitteltriebslayout für eine R3-, R4-, R5a-, R5b-, R6- und V8 Brennkraftmaschine.
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2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Zugmitteltriebslayout für die R3-, eine zweite R3- und die R4-Brennkraftmaschine.
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Für gleiche Bauelemente gelten in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern.
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Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenfamilie in 1 und 2 wird vorab nochmals dargestellt, welche Brennkraftmaschinen mit jeweils wie viel Zylindern welche Art von Massenausgleich benötigen:
Für unterschiedliche Zylinderzahlen benötigt man unterschiedliche Ausgleichswellen-Konfigurationen:
Es bedeuten:
- BKM
- = Brennkraftmaschine
- AGW
- = Ausgleichswelle
- R3
- = Reihendreizylinder-Brennkraftmaschine
- R4
- = Reihenvierzylinder-Brennkraftmaschine
- R5a
- = Reihenfünfzylinder-Brennkraftmaschine (Kurbelstern-Variante a)
- R5b
- = Reihenfünfzylinder-Brennkraftmaschine (Kurbelstern-Variante b)
- R6
- = Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
- V8
- = V-Achtzylinder-Brennkraftmaschine, mit ebener Kurbelwelle
- R3:
- 1 AGW mit Ordnung –1.
- R4:
- 2 AGW mit den Ordnungen +2 und –2, im Wesentlichen symmetrisch zur BKM-Hochachse (in dieser liegen die Zylinderachsen) und vorteilhafterweise mit Höhenversatz (+2 in Richtung O) ggü. –2 versetzt, der gemeinsame Schwerpunkt der beiden AGWn kann in der Höhe beliebig gewählt werden.
- R5a:
- 1 AGW mit Ordnung –1 oder
- R5b:
- 2 AGW mit den Ordnungen +2 und –2.
- R6:
- keine AGW.
- V8:
- 2 AGW mit den Ordnungen +2 und –2, in der Hochachse und symmetrisch zur BKM-Längsachse.
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1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Zugmitteltriebslayout für eine R3-, R4-, R5a-, R5b-, R6- und V8 Brennkraftmaschine. Ein Zugmittelgetriebe, insbesondere ein Ketten- oder Riementrieb, ist für eine R3- und R5a-Brennkraftmaschine als durchgezogener Strich dargestellt. Ein Zugmittelgetriebe für eine R4-, R5b- und eine V8-Brennkraftmaschine ist gepunktet dargestellt. Ein Zugmittelgetriebe für eine R6-Brennkraftmaschine ist gestrichelt dargestellt.
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Alle Brennkraftmaschinen weisen eine erste Drehachse 1 für einen Kurbeltrieb auf, mit dem mit einem Zugmittelgetriebe, insbesondere einem Riemen- oder Kettentrieb, ein um eine zweite Drehachse 2 drehbar angeordnetes erstes Aggregat oder ein direkt oder über ein weiteres Zugmittelgetriebe angetriebener Ventiltrieb und zumindest ein, um eine dritte Drehachse 3 drehbares weiteres Aggregat der Brennkraftmaschine antreibbar ist. Eine Drehrichtung ist durch einen Pfeil dargestellt. Eine Ebene, die von der ersten Drehachse 1 und der zweiten Drehachse 2 aufgespannt wird, teilt die Brennkraftmaschine in einen geodätisch oberen Bereich (O) und einen geodätisch unteren Bereich (U) ein. Der Kurbeltrieb, das erste Aggregat und das weitere Aggregat weisen dieselbe Drehrichtung auf. Vorzugsweise ist für jedes vom Kurbeltrieb antreibbare Element ein Antriebsrad vorgesehen, wobei vorzugsweise alle Antriebsräder in einer einzigen Ebene angeordnet sind.
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Es gilt:
Für eine Reihen-Dreizylinderbrennkraftmaschine ist weitgehend zwischen der ersten Drehachse 1 und der dritten Drehachse 3 im geodätisch unteren Bereich (U) eine vierte Drehachse 4 für eine erste Ausgleichswelle 5 für die –1te Ordnung vorgesehen. Das Zugmittelgetriebe umschlingt, ausgehend von der ersten Drehachse 1 diese zuerst, dann die zweite Drehachse 2, dann die dritte Drehachse 3 und dann die vierte Drehachse 4 jeweils zumindest abschnittsweise.
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Für eine Reihen-Vierzylinderbrennkraftmaschine ist im geodätisch oberen Bereich (O) eine fünfte Drehachse 6 für eine zweite Ausgleichswelle 7 für die +2te Ordnung vorgesehen und für die vierte Drehachse 4 ist eine dritte Ausgleichswelle 8 für die –2te Ordnung vorgesehen. Das Zugmittelgetriebe umschlingt, ausgehend von der ersten Drehachse 1 diese zuerst, dann die fünfte Drehachse 6, dann die zweite Drehachse 2, dann die dritte Drehachse 3 und dann die vierte Drehachse 4 jeweils zumindest abschnittsweise.
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Für eine Reihen-Fünfzylinderbrennkraftmaschine (R5a) ist für die vierte Drehachse 4 eine vierte Ausgleichswelle 5' für die –1te Ordnung vorgesehen. Das Zugmittelgetriebe umschlingt, ausgehend von der ersten Drehachse 1 diese zuerst, dann die zweite Drehachse 2, dann die dritte Drehachse 3 und dann die vierte Drehachse jeweils zumindest abschnittsweise.
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Für eine Reihen-Fünfzylinderbrennkraftmaschine (R5b) ist für die fünfte Drehachse 6 eine fünfte Ausgleichswelle 7' für die +2te Ordnung vorgesehen und für die vierte Drehachse 4 eine sechste Ausgleichswelle 8' für die –2te Ordnung vorgesehen. Das Zugmittelgetriebe umschlingt, ausgehend von der ersten Drehachse 1 diese zuerst, dann die fünfte Drehachse 6, dann die zweite Drehachse 2, dann die dritte Drehachse 3 und dann die vierte Drehachse 4 jeweils zumindest abschnittsweise.
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Für eine Reihen-Sechszylinderbrennkraftmaschine ist keine Ausgleichswelle vorgesehen ist. Das Zugmittelgetriebe umschlingt, ausgehend von der ersten Drehachse 1 diese zuerst, dann die zweite Drehachse 2 und dann die dritte Drehachse 3 jeweils zumindest abschnittsweise.
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Für eine V-Achtzylinderbrennkraftmaschine mit einer ebenen Kurbelwelle und jeweils um 45° geneigten Zylinderachsen gegenüber der Brennkraftmaschinenhochachse ist für die vierte Drehachse 4 eine siebente Ausgleichswelle 8'' für die –2te Ordnung vorgesehen und für die fünfte Drehachse 6 ist eine achte Ausgleichswelle 7'' für die +2te Ordnung vorgesehen. Das Zugmittelgetriebe umschlingt, ausgehend von der ersten Drehachse 1 diese zuerst, dann die fünfte Drehachse 6, dann die zweite Drehachse 2, dann die dritte Drehachse 3 und dann die vierte Drehachse 4 jeweils zumindest abschnittsweise.
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Als Aggregat kann jedes beliebige Nebenaggregat einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eine Pumpe zum Einsatz kommen. Als erstes Aggregat kann beispielsweise der Ventiltrieb oder auch eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffeinspritzung verstanden werden.
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2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Zugmitteltriebslayout für die R3-Brennkraftmaschine aus 1, eine zweite R3-Brennkraftmaschine und die R4-Brennkraftmaschine aus 1.
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Für die zweite, gestrichelt dargestellte Variante einer Reihen-Dreizylinderbrennkraftmaschine gilt, dass das Zugmittelgetriebe, ausgehend von der ersten Drehachse 1 diese zuerst, dann die zweite Drehachse 2, dann die vierte Drehachse 4 und dann die dritte Drehachse 3 jeweils abschnittsweise umschlingt.
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Selbstverständlich können die Anordnungen in 1 und 2 auch an der Brennkraftmaschinenhochachse (H) gespiegelt dargestellt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine ist ein kostengünstiger, bauraumvereinheitlichter und minimierter Kettentriebsbaukasten für eine Brennkraftmaschinenfamilie möglich. Zusätzlich werden zusätzliche Antriebselemente wie Zahnräder oder weitere Riemen- oder Kettenspuren vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Drehachse
- 2
- zweite Drehachse
- 3
- dritte Drehachse
- 4
- vierte Drehachse
- 5
- erste Ausgleichswelle
- 5'
- vierte Ausgleichswelle
- 6
- fünfte Drehachse
- 7
- zweite Ausgleichswelle
- 7'
- fünfte Ausgleichswelle
- 7''
- achte Ausgleichswelle
- 8
- dritte Ausgleichswelle
- 8'
- sechste Ausgleichswelle
- 8''
- siebente Ausgleichswelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005025881 A1 [0003]
- DE 102004058248 A1 [0004]
- DE 4019304 C1 [0005]
