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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich der freien Massenkräfte und Massenmomente bei Brennkraftmaschinen mit einem geteilt ausgeführten Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zur besseren Ausnutzung des Wirkungsgrades einer Brennkraftmaschine bei Teillastbetrieb ein oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine abgeschaltet und bei Volllastbetrieb wieder zugeschaltet werden. Durch die Zylinderabschaltung im Teillastbetrieb werden gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch sowie der Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine verringert.
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Aus der
DE 31 32 368 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Zylinder einer Zylinderreihe in zwei Gruppen aufgeteilt sind, die unabhängig voneinander betreibbar sind. Die Kurbelwelle einer Zylindereinheit ist mit einer Leistungsabnahmewelle mittels Transmissions- und Kupplungseinrichtung verbindbar. Die andere Kurbelwelle der anderen Zylindereinheit ist mit der Leistungsabnahmewelle mittels einer Transmissionsanordnung verbindbar, die parallel als Welle zu den Zylindern verläuft. Die Welle ist mit einem Drehmomentwandler zur Dämpfung der Torsionsschwingungen der Kurbelwellenteile versehen. Die Zu- und Abschaltung der Zylindereinheiten erfolgt durch eine Kupplung und einen Freilauf. Die Nebenaggregate werden von den betriebenen Zylindern über die Transmissionsanordnung angetrieben. Zusätzlich ist für jede Zylindereinheit eine Massenausgleichswelle angeordnet, die von den jeweiligen Teilkurbelwellen über eine Transmission angetrieben werden. Zur Reduzierung der Baulänge sind die beiden Teilkurbelwellenenden in einem gemeinsamen Lager gelagert.
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Nachteilig hierbei ist, dass durch die Anordnung eines Freilaufes und einer Kupplung an den jeweiligen Enden der Teilkurbelwellen der Bauraum vergrößert wird. Außerdem beansprucht die Anordnung der Massenausgleichswellen, der Transmissionswelle und der nicht dargestellten Nockenwelle zusätzlichen Freiraum.
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Die
DE 39 17 494 A1 beschreibt ebenfalls einen Verbrennungsmotor, bei dem durch einen geteilten Kurbelwellentrieb bei Bedarf ein oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine zu- oder abgeschaltet werden können. Zu jeder Teilkurbelwelle gehört eine Teil-Massenausgleichswelle, die seitlich von den Teilkurbelwellen angeordnet sind. Dabei liegen die Teil-Massenausgleichswellen in einer axialen Ebene in Verlängerung hintereinander. Die Teil-Massenausgleichswellen werden von den jeweiligen Teilkurbelwellen individuell, und zu den Teilkurbelwellen gegenläufig, über eine Getriebestufe, beispielsweise über einen Kettentrieb, angetrieben.
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Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass seitlich zu jeder Teilkurbelwelle eine Teil-Massenausgleichswelle angeordnet ist, die einen zusätzlichen Bauraum beansprucht, der bei modernen Brennkraftmaschinen aufgrund der optimalen Raumauslastung nicht zur Verfügung steht.
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Die
DE 31 21 303 A1 beschreibt eine Verbrennungskraftmaschine, welche aus Hauptmotor und Hilfsmotor mit zwei oder drei Zylindern besteht. Der Antrieb vom Hilfsmotor zum Hauptmotor erfolgt über eine drehelastische Ausgleichswelle, die zwei im Abstand voneinander angebrachte entgegengesetzte Gewichte besitzt und über zwei Zahnräder von der Kurbelwelle des Hilfsmotors angetrieben wird.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2010 005 915 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Betreiben einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, welche eine Zylinderreihe mit einer ersten und einer zweiten Zylindereinheit mit separaten Kurbelwellen aber gemeinsamen Nockenwellen aufweist. Die zweite Kurbelwelle ist über eine selbst synchronisierende Kupplung mit der ersten Kurbelwelle zur Zu- und Abschaltung der zweiten Zylindereinheit zur ersten Zylindereinheit verbindbar oder trennbar. Die Gaswechselventile der zu der ersten Zylindereinheit zu- und abschaltbaren zweiten Zylindereinheit stehen mit einer Ventilhubabschaltung in Wirkverbindung.
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Die
DE 30 05 343 A1 beschreibt eine erste Verbrennungsmotoreinheit und eine zweite Verbrennungsmotoreinheit, wobei die Verbrennungsmotoreinheiten jeweils eine Kurbelwelle und eine Nockenwelle aufweisen. Die jeweilige Nockenwelle ist mit der jeweiligen Kurbelwelle mittels einer Zahnradstufe zu deren Antrieb verbunden.
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Zum An- bzw. Abkuppeln der ersten Kurbelwelle an bzw. von der zweiten Kurbelwelle ist eine Trennkupplung sowie zum An- bzw. Abkuppeln der ersten Nockenwelle von der zweiten Nockenwelle eine Beschleunigungskupplung vorgesehen. Zum Ankuppeln der ersten Verbrennungsmotoreinheit an die zweite Verbrennungsmotoreinheit wird die zweite Verbrennungsmotoreinheit über die Nockenwelle und die Beschleunigungskupplung beschleunigt und hinsichtlich Drehzahl und Drehwinkel mit der ersten Verbrennungsmotoreneinheit synchronisiert.
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Aus der
DE 28 22 589 A1 geht eine Massenausgleichsvorrichtung an einer Hubkolbenbrennkraftmaschine hervor. Die Massenausgleichsvorrichtung weist zwei achsparallel zu einer Kurbelwelle mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegenläufig angetriebene Ausgleichswellen auf, wobei eine der Ausgleichswellen als Hohlwelle ausgeführt ist und sich die andere Ausgleichswelle koaxial durch diese hohle Ausgleichswelle erstreckt.
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Die
DE 33 12 105 A1 beschreibt eine Ausgleichseinrichtung für Kräfte und Momente an Hubkolbenkurbelwellenmaschinen unter Verwendung von Ausgleichsmassen, die auf von der Kurbelwelle angetriebenen Nebenwellen angeordnet sind. Wenigstens ein Teil der Ausgleichsmassen ist in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle vom Antrieb abschaltbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ausgleich der freien Massenkräfte und Massenmomente bei Brennkraftmaschinen mit einem geteilt ausgeführten Kurbeltrieb zu schaffen, mit der im Volllastbetrieb und im Teillastbetrieb bei einer stillgelegten Teilkurbelwelle die durch den Kurbelwellentrieb erzeugten Massenkräfte wirkungsvoll ausgeglichen werden und der durch Massenausgleichswellen benötigte Bauraum verringert wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt der Massenausgleich der beiden Teilkurbelwellen einer Brennkraftmaschine dadurch, dass die von der zu- und abschaltbaren Teilkurbelwelle angetriebene Massenausgleichswelle als Hohlwelle ausgebildet und auf einer Massenausgleichswelle gelagert ist, die mit der permanent angetriebenen Teilkurbelwelle in ständiger Wirkverbindung steht. Die von der zu- und abschaltbaren Teilkurbelwelle angetriebene Massenausgleichswelle ist dabei fest mit einem Kupplungszahnrad einer Getriebestufe zum Verbinden und Trennen der permanent betriebenen Teilkurbelwelle mit der zu- und abschaltbaren Teilkurbelwelle verbunden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die hohl ausgebildete Massenausgleichswelle der zu- und abschaltbaren Teilkurbelwelle, in der die Massenausgleichswelle der permanent betriebenen Teilkurbelwelle angeordnet ist, der benötigte Bauraum gegenüber den im Stand der Technik beschriebenen Massenausgleichswellen erheblich reduziert wird. Durch die Anbindung der hohl ausgebildeten Massenausgleichswelle an das Kupplungszahnrad der Getriebestufe zum Trennen und Verbinden der permanent betriebenen Teilkurbelwelle mit der zu- und abschaltbaren Teilkurbelwelle wird eine zusätzliche Getriebestufe zum Antrieb der Massenausgleichswelle nicht mehr benötigt. Dadurch wird eine Kosten-, Bauraum- und Gewichtreduzierung der Brennkraftmaschine erzielt. Hinzu kommt ein Akustikvorteil, da weniger Zahnräder im Eingriff stehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
- 1: eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung und
- 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung gemäß 1.
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Die erfindungsgemäße Lösung zum Massenausgleich von Brennkraftmaschinen wird verwendet bei einem mehrzylindrigen Reihenmotor mit einer Zu- und Abschaltung von einem oder mehreren Zylindern mittels eines geteilten Kurbeltriebs. Die erfindungsgemäße Lösung kann auch auf mehrzylindrige V-Motoren und Boxermotoren angewendet werden. Die Unterteilung der Zylinderanzahl, die für eine permanent betriebene Zylindereinheit und für die zu- und abschaltbare Zylindereinheit genutzt werden kann, ist beliebig variierbar. So können beispielsweise bei einem Vierzylinder-Reihenmotor jeweils zwei Zylinder der permanent betriebenen Zylindereinheit und der zu- und abschaltbaren Zylindereinheit zugeordnet werden. Es ist auch denkbar, dass nur ein Zylinder permanent betrieben wird und die restlichen drei Zylinder zu- und abschaltbar sind.
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Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung und in der 2 die schematische Darstellung eines Vierzylinder-Reihenmotors mit geteilter Kurbelwelle und dazugehörigen Massenausgleichswellen. Der gezeigte Vierzylinder-Reihenmotor besteht aus einer ersten permanent betriebenen Zylindereinheit 12 und einer wahlweise zur ersten Zylindereinheit 12 zu- und abschaltbaren zweiten Zylindereinheit 12', wobei die beiden Zylindereinheiten 12; 12' jeweils aus zwei Zylindern gebildet werden. Die beiden Zylindereinheiten 12; 12' bilden den Gesamtmotor in einem gemeinsamen nicht dargestellten Motorengehäuse.
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Die erste permanent betriebene Zylindereinheit 12 weist eine erste Teilkurbelwelle 1 auf, die mit einer nicht dargestellten Abtriebsseite verbunden ist. Der zweiten Zylindereinheit 12' ist eine zweite Teilkurbelwelle 2 zugeordnet. Die Kurbelwellenverbindung 13 zwischen der ersten Teilkurbelwelle 1 und der zweiten Teilkurbelwelle 2 erfolgt durch Lagerung der zweiten Teilkurbelwelle 2 in einem hohl gebohrten Hauptlagerzapfen der ersten Teilkurbelwelle 1. Durch diese Anordnung sind die beiden Teilkurbelwellen 1; 2 unabhängig voneinander drehbar gelagert.
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Parallel zu der ersten Teilkurbelwelle 1 ist eine erste Massenausgleichswelle 3 mit einer Ausgleichsmasse 6 zum Ausgleich der freien Massenkräfte oder der Massenmomente des Kurbeltriebes der ersten Zylindereinheit 12 angeordnet. Die erste Massenausgleichswelle 3 ist durch eine erste Getriebestufe 8 mit der ersten Teilkurbelwelle 1 drehfest verbunden, so dass die erste Massenausgleichswelle 3 ständig angetrieben wird. Über die erste Massenausgleichswelle 3 und einer damit verbundenen selbst synchronisierenden Kupplung 4 und einer zweiten Getriebestufe 9 erfolgt eine Zu- und Abschaltung der zweiten Teilkurbelwelle 2 zu der ersten Teilkurbelwelle 1, so dass wahlweise beide Zylindereinheiten 12 und 12' oder nur die erste Zylindereinheit 12 betrieben werden können. Die zweite Getriebestufe 9 besteht aus einem Festrad 10, das drehfest mit der zweiten Teilkurbelwelle 2 verbunden ist, und einem Kupplungszahnrad 11, das verbindbar und trennbar in Wirkverbindung mit der Kupplung 4 steht.
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Der Ausgleich der freien Massenkräfte oder der Massenmomente des Kurbeltriebes der zweiten Zylindereinheit 12' erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass eine zweite Massenausgleichswelle 7 als Hohlwelle ausgebildet ist, die drehfest mit dem Kupplungszahnrad 11 der zweiten Getriebestufe 9 verbunden ist. An der zweiten Massenausgleichswelle 7 ist ebenfalls eine Ausgleichsmasse 5 zum Ausgleich der freien Massenkräfte oder der Massenmomente angeordnet. Zur Platzersparnis wird ein Teil der ersten Massenausgleichswelle 3 durch die hohl ausgebildete zweite Massenausgleichswelle 7 geführt, wobei die zweite Massenausgleichswelle 7 drehbar auf der ersten Massenausgleichswelle 3 gelagert ist.
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Durch die Verbindung der zweiten Massenausgleichswelle 7 mit dem Kupplungszahnrad 11 wird sichergestellt, dass ein Antrieb der zweiten Massenausgleichswelle 7 nur dann erfolgt, wenn eine Kupplung der ersten Teilkurbelwelle 1 mit der zweiten Teilkurbelwelle 2 eingetreten ist und beide Zylindereinheiten 12 und 12' betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Teilkurbelwelle
- 2
- zweite Teilkurbelwelle
- 3
- erste Massenausgleichswelle
- 4
- Kupplung
- 5
- Ausgleichsmasse der zweiten Massenausgleichswelle
- 6
- Ausgleichsmasse der ersten Massenausgleichswelle
- 7
- zweite Massenausgleichswelle
- 8
- erste Getriebestufe
- 9
- zweite Getriebestufe
- 10
- Festrad
- 11
- Kupplungszahnrad
- 12
- erste Zylindereinheit
- 12'
- zweite Zylindereinheit
- 13
- Kurbelwellenverbindung
