DE102009055757A1

DE102009055757A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009055757A1
Application number: DE200910055757
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Hofheinz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10') mit drei Zylindern (12, 14', 16), insbesondere in Reihenbauweise, und mit einer Kurbelwelle (32), welche drei, zu jeweils einem Zylinder (12, 14', 16) korrespondierende Hubzapfen (34, 36, 40) aufweist, wobei jeweils zwei in Längserstreckungsrichtung der Kurbelwelle (32) unmittelbar aufeinander folgende Hubzapfen (34, 36, 40) in Umfangsrichtung der Kurbelwelle (32) in einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet sind, und wobei sich der erste und der dritte Hubzapfen (34, 40) in radialer Richtung der Kurbelwelle (32) in dieselbe Richtung erstrecken, wobei aus einer Drehung der Kurbelwelle (32) resultierende, den Hubzapfen (34, 36, 40) zugeordnete, zumindest oszillierende Massenkräfte mittels eines dem zweiten Hubzapfen (36) zugeordneten Pleuels (60') und/oder mittels eines dem zweiten Hubzapfen (36) zugeordneten Kolbens (44) und/oder mittels eines dem zweiten Hubzapfen (36) zugeordneten Kolbenbolzen (52') zumindest im Wesentlichen ausgleichbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 3.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind hinlänglich bekannt. So offenbart die US 4569316 eine Ausgleichsstruktur für einen dreizylindrigen Reihenmotor mit einer Kurbelwelle, deren drei Hubzapfen gleichmäßig in Winkeln von jeweils 120° jeweils bezüglich zueinander über den Umfang der Kurbelwelle verteilt sind.
Ein solcher Motor mit einer derartigen, um jeweils 120° getwisteten Kurbelwelle weist den Nachteil auf, dass sie nur unwesentlich leichter oder gar schwerer ist als die eines Vierzylinders mit gleichem Hubvolumen, da ein solcher Motor prinzipbedingt im Wesentlichen zu 100 Prozent rotatorisch ausgeglichen sein muss, was größere Kurbelwellengegengewichte erfordert. Durch diese größeren Kurbelwellegegengewichte ist auch eine größere Deckhöhe als bei einem vierzylindrigen Motor mit gleichem Zylindervolumen erforderlich. Zudem ist zum Ausgleich von Massenkräften bei dem dreizylindrigen Motor eine Taumelmomenten-Ausgleichswelle erforderlich, wodurch der Motor wesentlich breiter ist als der vierzylindrige Motor.
Die innermotorische Reibleistung eines solchen Motors liegt wegen zusätzlicher Reibung der Ausgleichswelle und des schwereren Motors in der Größenordnung eines hubraumgleichen Vierzylindermotors. Auch das Gewicht unterscheidet sich kaum merklich.
Die US 518993 offenbart einen Verbrennungsmotor in Reihenbauweise mit einer Kurbelwelle, deren drei Hubzapfen jeweils zueinander in einem Winkel von 180° in Umfangsrichtung der Kurbelwelle angeordnet sind. Der Massenausgleich dieses Verbrennungsmotors ist derart realisiert, dass ein dem mittleren Hubzapfen zugeordneter Zylinder und Kolben größer und damit schwerer ausgebildet sind als den anderen beiden Hubzapfen zugeordnete Zylinder beziehungsweise Kolben. Dies ist nachteilig, da somit der Verbrennungsmotor einen unerwünscht hohen Bauraum sowie ein unerwünscht hohes Gewicht aufweisen. Zudem herrschen aufgrund der unterschiedlich großen Zylinder unterschiedliche Verbrennungsbedingungen in den Zylindern, was zu Verbrauchs- und Emissionsnachteilen führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einen wesentlich geringeren Bauraumbedarf und ein geringeres Gewicht bei gleichzeitiger Realisierung eines sehr guten Massenausgleichs aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit drei Zylindern, insbesondere in Reihenbauweise, und mit einer Kurbelwelle, welche drei, zu jeweils einem Zylinder korrespondierende Hubzapfen aufweist, wobei jeweils zwei in Längserstreckungsrichtung der Kurbelwelle unmittelbar aufeinander folgende Hubzapfen in Umfangsrichtung der Kurbelwelle in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sind, und wobei sich der erste und der dritte Hubzapfen in radialer Richtung der Kurbelwelle in dieselbe Richtung erstrecken, zeichnet sich dadurch aus, dass aus einer Drehung der Kurbelwelle resultierende, den Hubzapfen zugeordnete, zumindest oszillierende Massenkräfte mittels eines dem zweiten Hubzapfen zugeordneten Pleuels und/oder mittels eines dem zweiten Hubzapfen zugeordneten Kolbens und/oder Kolbenbolzens zumindest im Wesentlichen ausgleichbar sind und im Falle einer sich drehenden Kurbelwelle auch ausgeglichen sind.
Das heißt, dass sich die Massenkräfte über die dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine hinweg gegenseitig nach außen zumindest nahezu aufheben, da die dem zweiten Hubzapfen zugeordneten, oszillierenden Massenkräfte, welche somit auch den Mittenzylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind, durch entsprechende Auslegung der Massen der genannten Bauteile (Pleuel/Kolben/Kolbenbolzen) derart ausgelegt sind, dass die aus den Massen resultierenden, oszillierenden Massenkräfte zumindest im Wesentlichen der Summe der jeweiligen, dem ersten und dem dritten Hubzapfen (Randzylinder) zugeordneten Massenkräfte entsprechen.
Da die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine alle die gleichen Außenmaße aufweisen und somit auch entsprechende, den Zylindern zugeordnete Kolben den gleichen Durchmesser aufweisen, hat die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine den Vorteil inne, dass sie nur einen geringen Bauraumbedarf aufweist. Dieser geringe Bauraumbedarf führt insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie dem Motorraum eines Kraftwagens zur Vermeidung von Package-Problemen und vermeidet zeit- und kostenintensive konstruktive Änderungen beziehungsweise Anpassungen.
Hierbei ist beispielsweise der dem zweiten Hubzapfen zugeordnete Kolben bei gleichem Durchmesser wie die jeweils dem ersten bzw. dem dritten Hubzapfen zugeordneten Kolben höher in dessen Gewicht ausgebildet, also aufgelastet.
Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ein nur geringes Gewicht auf, woraus ein geringer Energiebedarf zum Betrieb des Kraftwagens resultiert. Daraus folgt wiederum ein geringer Kraftstoffverbrauch und damit geringe CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.
Darüber hinaus sind durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine in optimaler Weise die Voraussetzungen zur Darstellung eines Fertigungsverbunds eines Reihenmotorenbaukastens geschaffen, welche sowohl eine vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine als auch die erfindungsgemäße dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine umfasst, welche aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ohne beträchtlichen konstruktiven sowie kostentechnischen Aufwand ausgehend von der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine als Basismotor herstellbar ist. Dies spart aufgrund von Skaleneffekten Herstellungskosten sowohl für die vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine als auch für die erfindungsgemäße dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine ein.
Dabei weist die erfindungsgemäße dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen die gleichen kompakten Hauptabmessungen wie die vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine auf.
Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine einen sehr ruhigen Lauf auf, da die Massenkräfte 1. Ordnung bei ihrem Betrieb auf die erfindungsgemäße Art und Weise ausgleichbar beziehungsweise ausgeglichen sind. Dieser Massenausgleich ist dabei ohne zusätzliche Massenausgleichsvorrichtungen, wie beispielsweise die eingangs erwähnte Taumelmomenten-Ausgleichswelle, ermöglicht, was einerseits sowohl das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine als auch ihre Reibleistung und damit ihre Verluste in einem geringen Rahmen hält. Dies ist wiederum einem niedrigen Energiebedarf und damit einem geringen Kraftstoffverbrauch sowie geringen CO₂-Emissionen positiv zuträglich. Diese Vorteile sind allerdings gegenüber dem Nachteil eines nicht konstanten Zündabstands akustisch und schwingungstechnisch abzuwägen.
Zur Einsparung von Kosten ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise derart darstellbar, dass man von einer vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Reihenbauweise, ausgeht, die eine Kurbelwelle mit vier jeweils einem Zylinder zugeordnete Hubzapfen aufweist, bei welcher in Längserstreckungsrichtung der Kurbelwelle ein erster Hubzapfen gegenüber einem unmittelbar darauf folgenden zweiten Hubzapfen in Umfangsrichtung der Kurbelwelle in einem 180°-Winkel angeordnet ist, wobei ein dritter, unmittelbar auf den zweiten Hubzapfen folgender Hubzapfen in dieselbe Richtung weist wie der zweite Hubzapfen. Ein vierter Hubzapfen wiederum weist in dieselbe Richtung wie der erste Hubzapfen. Bei einer derartigen Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise Kurbelwelle ist nun der zweite oder der dritte Hubzapfen beziehungsweise Zylinder zu entfernen und die übrigen Zylinder zur Schaffung einer gewissen Symmetrie zusammen zu schieben. Der daraus resultierende Zündabstand von beispielsweise 0 Grad Kurbelwinkel, 180° Kurbelwinkel, 360° Kurbelwinkel, 720° Kurbelwinkel, 900° Kurbelwinkel, 1080° Kurbelwinkel usw. fällt vor dem Hintergrund der mannigfaltigen Vorteile nicht gravierend ins Gewicht und ist bei entsprechend kleinhubiger Ausbildung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine geräuschtechnisch wenig bis gar nicht wahrnehmbar.
Auf diese Art und Weise ist ein Baukastensystem mit einer vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, von der die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ableitbar ist, geschaffen. Die Höhe einer der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Zylinderdeckplatte des Kurbelgehäuses der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine kann dabei dieselbe Höhe aufweisen wie die der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine aufgrund des erfindungsgemäßen Massenausgleichs, wodurch ein echter Bauraumvorteil der kleineren, dreizylindrigen, erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine erreicht ist.
Gleiches gilt für das Gewicht der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine, das aufgrund des Massenausgleichs und der Unnötigkeit zusätzlicher Massenausgleichsvorrichtungen gering gehalten werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind den Hubzapfen zugeordnete, rotatorische Unwuchten zumindest im Wesentlichen mittels eines dem zweiten Hubzapfen zugeordneten Pleuellagerdeckels ausgleichbar beziehungsweise bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und rotierender Kurbelwelle tatsächlich ausgeglichen. Der dem zweiten Hubzapfen zugeordnete Pleuellagerdeckel weist dabei beispielsweise eine höhere Masse auf und somit schwerer als dem ersten und dem zweiten Hubzapfen zugeordnete Pleuellagerdeckel.
Ausgehend von der genannten vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, sozusagen als Plattform, ist die fehlende Unwucht des weggelassenen zweiten oder dritten Zylinders beziehungsweise Hubzapfens dadurch ersetzbar, dass verminderte Gegengewichte am verbliebenen, zweiten Hubzapfen beziehungsweise Zylinder, der bei der erfindungsgemäßen dreizylindrigen Verbrennungskraftmaschine den Mittenzylinder beziehungsweise den Mittenhubzapfen darstellt, gegenüber der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine vorgesehen werden oder diese Gegengewichte gar weggelassen werden.
Der Massenausgleich durch den Pleuellagerdeckel erfolgt gegenüber der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine durch eine Verstärkung desselbigen, was zu erhöhten Fliehkräften der aufgelasteten Pleuelstange sowie zu einer gewünschten Steigerung der dem zweiten Hubzapfen der erfindungsgemäßen dreizylindrigen Verbrennungskraftmaschine zugeordneten, rotatorischen Unwucht beiträgt.
Die bisher beschriebene erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine bezieht sich also auf einen ersten Aspekt der Erfindung. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit drei Zylindern, insbesondere in Reihenbauweise, und mit einer Kurbelwelle, welche drei, zu jeweils einem Zylinder korrespondierende Hubzapfen aufweist, wobei in Längserstreckungsrichtung der Kurbelwelle der erste Hubzapfen und der zweite, unmittelbar auf den ersten Hubzapfen folgende Hubzapfen in Umfangsrichtung der Kurbelwelle in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass auch der erste Hubzapfen und der dritte, unmittelbar auf den zweiten Hubzapfen folgende Hubzapfen in Rotationsrichtung der Kurbelwelle in Winkel von 180° zueinander angeordnet sind. Das bedeutet also, dass der zweite und der dritte Hubzapfen in radialer Richtung der Kurbelwelle in dieselbe Richtung weisen. Dadurch, dass die Zylinder und damit den Zylindern zugeordnete Kolben die gleiche Größe beziehungsweise gleiche Ausmaße und damit das gleiche Gewicht aufweisen, ist auch bei dem zweiten Aspekt der Erfindung das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine äußerst gering bei gleichzeitiger Realisierung eines nur geringen Bauraumbedarfs.
Wiederum ausgehend von der bezüglich des ersten Aspekts der Erfindung beschriebenen vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine ist die Verbrennungskraftmaschine des zweiten Aspekts der Erfindung dadurch ableitbar, dass der erste oder der vierte Zylinder der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine weggelassen beziehungsweise abgeschnitten wird. Für den Zündabstand gilt das bezüglich der Verbrennungskraftmaschine des ersten Aspekts der Erfindung gesagte analog.
Gerade im Vergleich zu dieser vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine ist durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine des zweiten Aspekts der Erfindung eine tatsächliche Reduzierung sowohl des Bauraumbedarfs als auch des Gewichts der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht bei gleichzeitiger Beibehaltung eines ruhigen Laufs der Verbrennungskraftmaschine, woraus ebenso die Vorteile eines guten Komforts, eines geringen Energieverbrauchs, eines geringen Kraftstoffverbrauchs und geringer CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine des zweiten Aspekts der Erfindung resultieren.
Zur weiteren Verbesserung des Laufs der Verbrennungskraftmaschine des zweiten Aspekts der Erfindung und damit deren Komforteindruck für Insassen eines Kraftwagens mit dieser Verbrennungskraftmaschine ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass den Hubzapfen zugeordnete rotatorische Unwuchten mittels eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Schwungrads, insbesondere einer Schwungradnabe, ausgleichbar sind und bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und rotierender Kurbelwelle auch tatsächlich ausgeglichen sind.
In Zusammenhang mit der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, von welcher als Plattform ausgehend das oben genannte Baukastensystem ebenso mit der Verbrennungskraftmaschine des zweiten Aspekts der Erfindung realisierbar ist, bedeutet dies, dass dem weggelassenen vierten Zylinder beziehungsweise dem weggelassenen vierten Hubzapfen zugeordnete fehlende Massen durch zumindest das Schwungrad ausgleichbar beziehungsweise ausgeglichen sind. Dieser rotatorische Massenausgleich kann derart wie beschrieben dargestellt werden, dass die Schwungradmittelebene ungefähr den gleichen Abstand zum dritten Zylinder aufweist, wie die übrigen Zylinder bezüglich einander.
Zur weiteren Verbesserung dieses Massenausgleichs ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass den Hubzapfen der Verbrennungskraftmaschine des zweiten Aspekts der Erfindung zugeordnete oszillierende Unwuchten mittels zumindest zweier, mit jeweils zumindest einer Unwucht beaufschlagter Steuerräder, insbesondere Zahnräder, eines Steuertriebs der Verbrennungskraftmaschine ausgleichbar beziehungsweise ausgeglichen sind. Diese Steuerräder, welche also beispielsweise als Zahnräder oder als Kettenräder ausgebildet sind, rotieren mit der gleichen Drehzahl wie die Kurbelwelle (Übersetzung 1 zur Kurbelwelle) und sind also mit Unwuchten belastet, wodurch ein Rotationspulser geschaffen ist, der für einen ruhigen und angenehmen Lauf der Verbrennungskraftmaschine infolge des Massenausgleichs sorgt.
In Bezug auf die vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine bedeutet dies, dass die Mittelebene des Steuertriebs zumindest nahe der Achse des weggelassenen vierten Zylinders liegt, so dass die durch den Rotationspulser erzeugte Massenkraft ebenso zumindest im Wesentlichen in der Achse dieses vierten, fiktiven Zylinders oszilliert und sowohl in Betrag als auch in Richtung mit den dem ersten Hubzapfen bzw. dem ersten Zylinder zugeordneten Massenkräften zumindest im Wesentlichen übereinstimmt. Dadurch ist die dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine auch in Bezug auf die oszillierenden Massenkräfte zu einem quasi-Vierzlinder ergänzt, der bezüglich oszillierender Massenkräfte 1. Ordnung ausgeglichen ist.
Der genannte Steuertrieb kann dabei beispielsweise als Umschlingungstrieb mit einer Kette oder mit einem Riemen ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang ist ein zweistufiger Umschlingungstrieb möglich, bei welchem zwei Umschlingungselemente, wie beispielsweise eine Kette und/oder ein Riemen vorgesehen sind, wobei mittels eines Umschlingungselements beispielsweise der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Nockenwellen und mittels des anderen Umschlingungselements die entsprechenden Steuerräder antreibbar sind beziehungsweise angetrieben sind. Bei einem Rädertrieb als Steuertrieb ist ein solches Umschlingungselement überflüssig, da die Steuerräder über eine jeweilige Verzahnung in Eingriff stehen.
In jeglicher Hinsicht sind die Steuerräder also mit jeweils einer Unwucht beaufschlagt, wodurch bei einer Rotation der Steuerräder Massenkräfte resultieren, deren resultierende Kraft zumindest im Wesentlichen in einer Achse des weggelassenen vierten Zylinders phasen- und betragsgleich zum ersten Hubzapfen beziehungsweise zum ersten Zylinder oszilliert.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beide erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschinen die Vorteile aufweisen, dass die Höhe der jeweiligen Zylinderdeckplatte des jeweiligen Kurbelgehäuses auf dem für den Bedarf der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine abgestimmten niedrigen Wert verbleiben kann. Zudem sind die erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinen wesentlich leichter als die vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine als Ausgangspunkt, da sie eben einen Zylinder weniger aufweisen und eine Ausgleichswelle nicht erforderlich ist.
Dies, sowie die oben genannten Umstände führen zu einer niedrigeren Reibleistung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinen, was mit einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch und mit geringeren CO₂-Emissionen einhergeht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinen wesentlich vorteilhafter für ein Packaging des entsprechenden Kraftwagens sind, da sie einen nur geringen Bauraumbedarf aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine schematische Längsansicht einer vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine, sowie jeweils eine schematische Längsansicht zweier dreizylindriger Verbrennungskraftmaschinen, die von der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine abgeleitet sind;
2 jeweils eine schematische Draufsicht auf zwei Steuertriebe, welche bei der dreizylindrigen Verbrennungskraftmaschine einsetzbar sind, die gemäß 2 rechts unten dargestellt ist.
Die 1 zeigt gemäß Darstellung A eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem ersten Zylinder 12, einem zweiten Zylinder 14, einem dritten Zylinder 16 und einem vierten Zylinder 18. Die aufsteigende Zählung der Zylinder 12, 14, 16 und 18 erfolgt dabei ausgehend von einer Riementriebseite 20 hin zu einer Abtriebsseite 22 der Verbrennungskraftmaschine 10.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine Kurbelwelle 32, die entsprechend den Zylindern 12, 14, 16 und 18 einen ersten Hubzapfen 34, einen zweiten Hubzapfen 36, einen dritten Hubzapfen 38 sowie einen vierten Hubzapfen 40 aufweist. Wie der 1 zu entnehmen ist, ist der ersten Hubzapfen 34 bezüglich des zweiten Hubzapfens 36 in Umfangsrichtung beziehungsweise Rotationsrichtung der Kurbelwelle 32 in einem Winkel von 180° angeordnet. Gleiches gilt für den dritten Hubzapfen 38 bezüglich des vierten Hubzapfens 40. Der zweite Hubzapfen 36 und der dritte Hubzapfen 38 weisen dabei in radialer Richtung der Kurbelwelle 32 in dieselbe Richtung.
Ebenso dargestellt sind den jeweiligen Zylindern 12, 14, 16 und 18 beziehungsweise den Hubzapfen 34, 36, 38 und 40 zugeordnete Kolben 42, 44, 46 und 48, die über entsprechende Kolbenbolzen 50, 52, 54 und 56 mit Pleueln 58, 60, 62 und 64 verbunden sind. Die Pleuel 58, 60, 62 und 64 wiederum sind auf den entsprechenden Hubzapfen 34, 36, 38 und 40 gelagert.
Richtungspfeile 24, 26, 28 und 30 deuten rotatorische Massenkräfte an, die den jeweiligen Hubzapfen 34, 36, 38 und 40 zugeordnet sind, woraus rotatorische Unwuchten resultieren. Bei der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine 10 gleichen sich diese Unwuchten beziehungsweise diese Massenkräfte in der Summe nach außen vollständig aus.
Richtungspfeile 66, 68, 70 und 72 deuten den jeweiligen Hubzapfen 34, 36, 48 und 40 zugeordnete Massenkräfte an, die aus der oszillierenden, translatorischen Bewegung der Zylinder 12, 14, 16 und 18 beziehungsweise der diesen zugeordneten Komponenten (Kolben, Pleuel usw.) resultieren. Auch diese oszillierenden Massenkräfte gleichen sich bei der vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine 10 aus.
Zudem sind an der Kurbelwelle 32 Gegengewichte 74, 76, 78 und 80 vorgesehen, die den vorgenannten rotatorischen Unwuchten entgegenwirken und sie bereits zylinderanteilig zumindest teilweise ausgleichen, so dass die Belastung der Hauptlager der Kurbelwelle 22 durch die resultierenden Fliehkräfte nicht unzulässig erhöht wird. Die Tatsache, dass der rotatorische Massenausgleich nach außen vollständig, d. h. die Kraftvektorsumme gleich null ist, ändert sich dadurch nicht.
In der 1 dargestellt ist auch eine dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine 10', die derart von der Verbrennungskraftmaschine 10 abgeleitet ist, dass der zweite Zylinder 14 oder der dritte Zylinder 16 beziehungsweise die entsprechenden Hubzapfen 36 oder 38 entfernt und die verbleibenden Zylinder zusammen geschoben ist, weswegen die Verbrennungskraftmaschine 10' nun den ersten Zylinder 12, einen zweiten Zylinder 14' sowie einen dritten Zylinder 16' aufweist, wobei der dritte Zylinder 16' bezüglich der diesem zugeordneten Komponenten und Elementen dem vierten Zylinder 18 der Verbrennungskraftmaschine 10 entspricht.
Zum Ausgleich der oszillierenden Massenkräfte sowie der Massenkräfte resultierend aus Unwuchten, also rotatorische Massenkräfte, sind nun ein dem Hubzapfen 36 zugeordneter Kolbenbolzen 52' sowie ein diesem Hubzapfen 36 zugeordnetes Pleuel 60' gegenüber dem Kolbenbolzen 52 und dem Pleuel 60 aufgelastet, das heißt in ihrem Gewicht erhöht, woraus sich zusätzliche oszillierende sowie Massenkräfte aus Unwuchten (rotatorische) ergeben, die durch Richtungspfeile 68' beziehungsweise 26' dargestellt sind. Gegebenenfalls kann ebenso eine solche Auflastung des Kolbens 44 vorgesehen sein.
Dadurch sind die oszillierenden und die rotatorischen Massenkräfte auch bei der dreizylindrigen Verbrennungskraftmaschine 10' ausgleichbar beziehungsweise bei einem Betrieb ausgeglichen.
Zudem sind die Gegengewichte 76 und 78 der Kurbelwelle 32 verringert bzw. entfernt, was durch Bereiche 82 und 84 hervorgehoben ist. Das Pleuel 60' ist dabei derart aufgelastet, dass ein Pleuellagerdeckel gegenüber einem Pleuellagerdeckel der Verbrennungskraftmaschine 10 verstärkt und damit schwerer ausgebildet und gegebenenfalls größer ist. Diese rotatorische Auflastung des Pleuels 60' des Zylinders 14', welcher auch als Mittenzylinder bezeichnet wird, ist natürlich nur notwendig, wenn alleine das Verringern bzw. Weglassen der Gegengewichte am Zylinder 14' für den Ausgleich nicht schon ausreicht.
Eine in der 1 ebenfalls dargestellte, dreizylindrige Verbrennungskraftmaschine 10' ist dadurch von der Verbrennungskraftmaschine 10 ableitbar, dass der vierte Zylinder 18 beziehungsweise der vierte Hubzapfen 40 weggelassen ist.
Die dem weggelassenen vierten Zylinder 18 zugeordneten Massen und die fehlenden Massenkräfte infolge von Unwuchten beziehungsweise die oszillierenden Massenkräfte sind bei der Verbrennungskraftmaschine 10'' durch eine Anpassung eines der Verbrennungskraftmaschine 10'' zugeordneten Massenschwungrades 86 ausgeglichen, welches beispielsweise als Zweimassenschwungrad ausgebildet ist. Eine Schwungradnabe des Massenschwungrades 86 ist mit einer Unwucht beaufschlagt, die einer dem vierten Zylinder 18 zugeordneten, rotatorischen Unwucht entspricht. Vorteilhafterweise sollte die Mittelebene dieser mit dem Massenschwungrad 86 rotierenden zusätzlichen Unwucht in der Nähe der Achse des fiktiven vierten Zylinders 18 liegen, damit die Symmetrie gewahrt bleibt, die die Basis für einen guten Massenausgleich ist.
Die fehlende oszillierende Massenkraft des vierten Zylinders 18 ist durch einen Rotationspulser ausgeglichen, der durch einen der Verbrennungskraftmaschine 10'' zugeordneten Steuertrieb 88 gebildet ist, welcher in 2 verdeutlicht ist. Vorteilhafterweise sollte auch hier die Mittelebene dieses Rotationspulsers nahe der Achse des fiktiven vierten Zylinders 18 liegen, damit die Symmetrie gewahrt bleibt.
Die aus der Unwucht der Schwungradnabe des Massenschwungrades 86 resultierende Massenkraft ist durch einen Richtungspfeil 30' angedeutet. Die oszillierende Massenkraft des Rotationspulsers beziehungsweise des Steuertriebs 88 ist durch einen Richtungspfeil 72' dargestellt. Diese Massenkräfte entsprechen dabei den Massenkräften des weggelassenen vierten Zylinders 18, wodurch also auch ein Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung bei der Verbrennungskraftmaschine 10'' erreicht ist.
Somit ist bei den Verbrennungskraftmaschinen 10' und 10'' ein sehr guter Ausgleich von Massenkräften insbesondere erster Ordnung ohne eine Erhöhung ihrer Reibleistungen realisiert bei gleichzeitiger Reduzierung ihres Gewichts und ihres Bauraumbedarfs im Vergleich zu einer hubraumgleichen dreizylindrigen Verbrennungskraftmaschine mit um 120° getwisteter Kurbelwelle, bzw. einem hubraumgleichen Vierzylindermotor.
Die 2 zeigt einerseits eine erste alternative Ausführungsform eines Steuertriebs 88' sowie eine zweite alternative Ausführungsform eines Steuertriebs 88'', die als Steuertrieb 88 in Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine 10'' gemäß 1 einsetzbar sind.
Bei dem Steuertrieb 88', der als Zahnradtrieb in Kombination mit einem Umschlingungstrieb ausgebildet ist, steht ein mit der Kurbelwelle 32 drehfest verbundenes Kurbelwellenrad 94 über eine entsprechende Verzahnung in Eingriff mit einer entsprechenden Verzahnung eines Wasserpumpenrades 96, das drehfest mit einer Welle einer Wasserpumpe verbunden ist. Ebenso steht das Kurbelwellenrad 94 über eine entsprechende Verzahnung in Eingriff mit einem Ölpumpenrad 98, das wiederum drehfest mit einer Welle einer Ölpumpe verbunden ist.
Das Ölpumpenrad 98 wiederum steht über eine entsprechende Verzahnung in Eingriff mit einem Kraftstoffpumpenrad 100, das drehfest mit einer Welle einer Kraftstoffpumpe verbunden ist. Die entsprechenden Drehrichtungen dieser als Zahnräder ausgebildeten Steuerräder 94, 96, 98 und 100 sind durch Richtungspfeile 102, 104, 106 und 108 dargestellt. Zudem ist durch das Kurbelwellenrad 94 eine ersten Ausgleichswelle 110 eines Lancaster-Massenausgleichs und durch das Ölpumpenrad 98 ein zweite Ausgleichswelle 112 des Lancaster-Massenausgleichs antreibbar. Der Lancaster-Massenausgleichs dient dabei zum Ausgleich von Massenkräften zweiter Ordnung.
Ein Gerade durch den Mittelpunkt des Kurbelwellenrads 94 und den Mittelpunkt des Wasserpumpenrads 96 schließt dabei mit einer Achse 114, die parallel zur Hochachse der Verbrennungskraftmaschine 10'' verläuft, einen Winkel α₁ ein. Ebenso schließt eine Gerade durch den Mittelpunkt des Kurbelwellenrads 94 und dem Mittelpunkt des Kraftstoffpumpenrades 100 mit der Achse 114 einen zweiten Winkel α₂ ein. Die Anordnung sollte nun vorteilhafterweise so gestaltet werden, dass α₁ = α₂ zumindest näherungsweise gilt.
Wie der 2 zu entnehmen ist, ist das Kraftstoffpumpenrad 100 mit einer ersten Unwucht u₁ beaufschlagt. Ebenso sind das Wasserpumpenrad 96 mit einer zweiten Unwucht u₂ und das Kurbelwellenrad 94 mit einer dritten Unwucht u₃ beaufschlagt. Die aus den Unwuchten u₁, u₂ und u₃ resultierende Massenkraft ist durch den Richtungspfeil 72' angedeutet, der sich genau in der Motormittelebene befindet, wenn die oben genannte Winkelgleichheit erreicht ist und gleichzeitig u₁ und u₂ zueinander im umgekehrten Verhältnis ihrer Hebelarme zur Kurbelwellenmitte gewichtet sind sowie u₃ dann der Differenz aus u₁ und u₂ entspricht. Als letztlich vierte Bedingung gilt, dass die Vektorsumme der Unwuchtkräfte genau der oszillierenden Massenkraft 1. Ordnung des fehlenden vierten Zylinders 18 entspricht. Dadurch ist ein Rotationspulser realisiert, der die oszillierenden Massenkräfte des vierten Zylinders 18 realisiert und somit einen sehr guten Massenausgleich der Verbrennungskraftmaschine 10'' ermöglicht.
Ein Richtungspfeil 116 deutet dabei einen Spanner in Verbindung mit einer Spannschiene, insbesondere ein Spannrad an, mittels welchem ein Umschlingungselement 118 gespannt ist, mittels welchem eine erste Nockenwelle 90 sowie eine zweite Nockenwelle 92 der Verbrennungskraftmaschine 10'' über ein mit der Welle der Kraftstoffpumpe drehfest verbundenes Steuerrad 117 antreibbar sind.
Natürlich ist die oben genannte Pumpenzuordnung zu den einzelnen Steuerrädern 94, 96, 98 und 100 nur eine besonders vorteilhafte. Selbstverständlich können die Pumpen für die zu fördernden Medien der Verbrennungskraftmaschinen 10' und 10'' den genannten Steuerrädern 94, 96, 98 und 100 auch in abgewandelter Form zugeordnet sein, so kann z. B. das Steuerrad 96 statt der Wasserpumpe auch die Kraftstoffpumpe antreiben usw.
Der Steuertrieb 88'' ist als zweistufiger Umschlingungstrieb in Form eines zweistufigen Kettentriebs ausgebildet, bei welchem ein erstes Umschlingungselement 118' in Form einer Kette und ein zweites Umschlingungselement 118'' in Form einer Kette vorgesehen sind.
Ein Richtungspfeil 116 deutet wiederum einen Spanner für das Umschlingungselement 118'' an. Auch die Ausgleichswellen 110 und 112 sowie das Kurbelwellenrad 94, das Wasserpumpenrad 96, das Ölpumpenrad 98 und das Kraftstoffpumpenrad 100 sind im Gegensatz zum Steuertrieb 88' über das Umschlingungselement 118' antreibbar, wobei Richtungspfeile 102', 104', 106' und 108' die Rotationsrichtungen der entsprechenden Steuerräder andeuten. Auch hier gilt, dass entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Steuertriebs 88'' die Anordnung der Steuerräder 94, 96, 98 und 100 ist und nicht die Funktion der jeweils zugeordneten Pumpe, d. h. diese letztlich gegeneinander austauschbar sind.
Zudem ist bei dem Steuertrieb 88'' ein Spannrad 112 vorgesehen, der das Umschlingungselement 118' spannt, was durch den Richtungspfeil 116'' angedeutet ist.
Ein strichlierter Verlauf 120 deutet an, dass der Lancaster-Massenausgleich nicht notwendigerweise und somit auch der Antrieb der Ausgleichswellen 110 und 112 nicht notwendigerweise vorgesehen sein müssen. Bezüglich der Funktion des Steuertriebs 88'' gilt das zum Steuertrieb 88' Gesagte analog, wonach das Kurbelwellenrad 94, das Wasserpumpenrad 96 und das Ölpumpenrad 98 mit jeweils einer Unwucht u₁, u₂ und u₃ beaufschlagt sind, woraus sich eine resultierende, oszillierende Massenkraft ergibt, die durch den Richtungspfeil 72' dargestellt ist, wenn zumindest näherungsweise durch entsprechende Auslegung erfüllt ist: Die Steuerräder 94, 96 und 98 liegen in einer Linie durch ihre Mittelpunkte, dargestellt ist. Die Unwuchten u₁ und u₂ sind umgekehrt proportional ihren Abständen zur Kurbelwelle 32 und u₃ = u₁ + u₂. Die Größe der Unwuchtsumme ist so zu skalieren, dass die resultierende, oszillierende Massenkraft ungefähr der freien oszillierenden Massenkraft 1. Ordnung des fehlenden vierten Zylinders 18 entspricht. Somit ist auch durch den Steuertrieb 88'' ein Ausgleich von freien oszillierenden Massenkräften erster Ordnung der Verbrennungskraftmaschine 10'', wie schon bei der Verbrennungskraftmaschine 10', in vorteilhafter Weise sehr gut möglich.
Bezugszeichenliste

10, 10', 10'': Verbrennungskraftmaschine
12: Zylinder
14, 14': Zylinder
16, 16': Zylinder
18: Zylinder
20: Riementriebsseite
22: Abtriebsseite
24: Richtungspfeil
26, 26': Richtungspfeil
28: Richtungspfeil
30, 30': Richtungspfeil
32: Kurbelwelle
34: Hubzapfen
36: Hubzapfen
38: Hubzapfen
40: Hubzapfen
42: Kolben
44: Kolben
46: Kolben
48: Kolben
50: Kolbenbolzen
52, 52': Kolbenbolzen
54: Kolbenbolzen
56: Kolbenbolzen
58: Pleuel
60, 60': Pleuel
62: Pleuel
64: Pleuel
66: Richtungspfeil
68, 68': Richtungspfeil
70: Richtungspfeil
72, 72': Richtungspfeil
74: Gegengewicht
76: Gegengewicht
78: Gegengewicht
80: Gegengewicht
82: Bereich
84: Bereich
86: Massenschwungrad
88, 88', 88'': Steuertrieb
90: Nockenwelle
92: Nockenwelle
94: Kurbelwellenrad
96: Wasserpumpenrad
98: Ölpumpenrad
100: Kraftstoffpumpenrad
102, 102': Richtungspfeil
104, 104': Richtungspfeil
106, 106': Richtungspfeil
108, 108': Richtungspfeil
110: Ausgleichswelle
112: Ausgleichswelle
114: Achse
116, 116', 116'': Richtungspfeil
117: Steuerrad
118, 118', 118'': Umschlingungselement
120: strichlierter Verlauf
122: Spannrad
u1: Unwucht
u2: Unwucht
u3: Unwucht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4569316 [0002]
US 518993 [0005]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10') mit drei Zylindern (12, 14', 16), insbesondere in Reihenbauweise, und mit einer Kurbelwelle (32), welche drei, zu jeweils einem Zylinder (12, 14', 16) korrespondierende Hubzapfen (34, 36, 40) aufweist, wobei jeweils zwei in Längserstreckungsrichtung der Kurbelwelle (32) unmittelbar aufeinander folgende Hubzapfen (34, 36, 40) in Umfangsrichtung der Kurbelwelle (32) in einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet sind, und wobei sich der erste und der dritte Hubzapfen (34, 40) in radialer Richtung der Kurbelwelle (32) in dieselbe Richtung erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Drehung der Kurbelwelle (32) resultierende, den Hubzapfen (34, 36, 40) zugeordnete, zumindest oszillierende Massenkräfte mittels eines dem zweiten Hubzapfen (36) zugeordneten Pleuels (60') und/oder mittels eines dem zweiten Hubzapfen (36) zugeordneten Kolbens (44) und/oder mittels eines dem zweiten Hubzapfen (36) zugeordneten Kolbenbolzen (52') zumindest im Wesentlichen ausgleichbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Hubzapfen (34, 36, 40) zugeordnete, rotatorische Unwuchten zumindest im Wesentlichen mittels eines dem zweiten Hubzapfen (36) zugeordneten, schwereren Pleuellagerdeckels ausgleichbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10'') mit drei Zylindern (12, 14, 16), insbesondere in Reihenbauweise, und mit einer Kurbelwelle (32), welche drei, zu jeweils einem Zylinder (12, 14, 16) korrespondierende Hubzapfen (34, 36, 38) aufweist, wobei in Längserstreckungsrichtung der Kurbelwelle (32) der erste Hubzapfen (34) und der zweite, unmittelbar auf den ersten Hubzapfen (34) folgende Hubzapfen (36) in Umfangsrichtung der Kurbelwelle (32) in einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auch der erste Hubzapfen (34) und der dritte, unmittelbar auf den zweiten Hubzapfen (36) folgende Hubzapfen (38) in Rotationsrichtung der Kurbelwelle (32) in einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet sind.
Verbrennungskraftmaschine (10'') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Hubzapfen (34, 36, 38) zugeordnete, rotatorische Unwuchten mittels eines der Verbrennungskraftmaschine (10'') zugeordneten Schwungrads (86), insbesondere einer Schwungradnabe, ausgleichbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10'') nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Hubzapfen (34, 36, 38) zugeordnete, oszillierende Unwuchten mittels zumindest zweier, mit jeweils zumindest einer Unwucht (u₁, u₂, u₃) beaufschlagter Steuerräder (94, 96, 100), insbesondere Zahnräder oder Kettenräder, eines Steuertriebs (88, 88', 88'') der Verbrennungskraftmaschine (10'') ausgleichbar sind.