DE102010027351A1

DE102010027351A1 - Internal-combustion engine has crankshaft and eccentric shaft that are provide d for extension of expansion stroke from pistons of internal-combustion engine by piston rods and coupling element is connected with crankshaft

Info

Publication number: DE102010027351A1
Application number: DE102010027351A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brendel; Dr. Dengler Stefan
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-17
Also published as: DE102010027351B4

Abstract

The internal-combustion engine (1) has a crankshaft (3) and eccentric shaft (13) that are provided for the extension of an expansion stroke from pistons (2) of the internal-combustion engine by piston rods (4) and coupling element (8) is connected with the crankshaft. Differential gears are arranged at front ends of cam shaft or opposite to the cam shaft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Brennkraftmaschinen dieser Art sind zum Beispiel aus der EP-B-1359303 , der EP-A-1760290 , der EP-A-1760289 und aus der US-A-4517931 bekannt und werden häufig als Brennkraftmaschinen mit verlängertem Expansionshub oder wie in der US-A-4517931 bzw. der EP-A-1760289 als Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Kolbenhub (stroke variable engine) bezeichnet.Internal combustion engines of this type are for example from the EP-B-1359303 , of the EP-A-1760290 , of the EP-A-1760289 and from the US-A-4517931 are known and often as internal combustion engines with extended expansion stroke or as in the US-A-4517931 or the EP-A-1760289 referred to as variable piston engine (stroke variable engine).

Diese Brennkraftmaschinen weisen eine auch als Verstellwelle bezeichnete Exzenterwelle auf, die von der Kurbelwelle über ein Stirnradgetriebe mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle und mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben wird und gleichzeitig über einen Kurbeltrieb mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, der die Koppelglieder und die auch als Anlenkpleuel bezeichneten Pleuel umfasst und wegen der Anlenkung der Koppelglieder an die Kurbelwelle, der Anlenkung der Pleuel an die Exzenterwelle und der gelenkigen Verbindung zwischen jedem Koppelglied und dem benachbarten Pleuel im folgenden auch als Mehrgelenkkurbeltrieb bezeichnet wird.These internal combustion engines have an eccentric shaft, also referred to as an adjusting shaft, which is driven by the crankshaft via a spur gear at half the rotational speed of the crankshaft and with a direction of rotation opposite to the direction of rotation of the crankshaft and at the same time is coupled to the crankshaft via a crank drive, which couples the coupling links and also referred to as Anlenkpleuel connecting rod and because of the articulation of the coupling members to the crankshaft, the articulation of the connecting rod to the eccentric shaft and the articulated connection between each coupling member and the adjacent connecting rod is hereinafter also referred to as multi-joint crank mechanism.

Durch diese Anordnung kann bei Viertakt-Brennkraftmaschinen der Expansions- und Ausstoßhub, d. h. der Kolbenhub beim Expansions- und Ausstoßtakt, gegenüber dem Ansaug- und Verdichtungshub, d. h. dem Kolbenhub beim Ansaug- und Verdichtungstakt, vergrößert werden. Jedoch wird durch den Mehrgelenkkurbeltrieb bei Reihen-Vierzylinder-Brennkraftmaschinen ein bei derartigen Reihen-Brennkraftmaschinen ansonsten nicht auftretendes freies Moment 0,5.-Ordnung der Kurbelwelle verursacht, wodurch bei den Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art die Laufruhe oder Laufkultur erheblich beeinträchtigt wird. Dieses freie Moment 0,5.-Ordnung setzt sich aus einer um die Hochachse des Kurbeltriebs drehenden Komponente und einer um die Querachse der Brennkraftmaschine drehenden Komponente zusammen und kann in zwei Anteile mit unterschiedlichen Richtungen aufgeteilt werden, nämlich in Drehrichtung der Kurbelwelle und entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle.By this arrangement, in four-stroke internal combustion engines, the expansion and exhaust stroke, d. H. the piston stroke at the expansion and exhaust stroke, compared to the intake and compression stroke, d. H. the piston stroke during the intake and compression stroke to be increased. However, is caused by the multi-joint crank drive in inline four-cylinder internal combustion engines otherwise not occurring in such series internal combustion engine free moment 0.5th order of the crankshaft, which in the internal combustion engines of the type mentioned the smoothness or running culture is significantly affected. This 0.5.-order free moment is composed of a component rotating about the vertical axis of the crank mechanism and a component rotating about the transverse axis of the internal combustion engine and can be divided into two portions with different directions, namely in the direction of rotation of the crankshaft and counter to the direction of rotation the crankshaft.

Um das freie Moment 0,5.-Ordnung zu verkleinern, wurde in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2010 004 588 der Anmelderin bereits vorgeschlagen, an der Exzenterwelle zwei Ausgleichsgewichte anzubringen, um zumindest den dominanteren Anteil des freien Moments 0,5.-Ordnung mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung vollständig auszugleichen. Jedoch hat sich gezeigt, dass diese Maßnahme zumindest in einigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine noch nicht zu der angestrebten hohen Laufruhe führt.In order to reduce the free moment 0.5th order, was in the still unpublished German Patent Application 10 2010 004 588 the Applicant has already proposed to attach two counterweights on the eccentric shaft in order to fully compensate for at least the more dominant proportion of the free torque 0.5th order with a direction opposite to the direction of rotation of the crankshaft. However, it has been found that this measure, at least in some operating points of the internal combustion engine, does not lead to the desired high degree of smoothness.

Um die angestrebte Laufruhe zu erreichen, wäre es grundsätzlich möglich, eine zusätzliche Ausgleichswelle in der Brennkraftmaschine vorzusehen, die sich mit der Drehrichtung der Kurbelwelle und der halben Kurbelwellendrehzahl dreht und mit zwei geeigneten Ausgleichsgewichten oder Unwuchtmassen bestückt ist. Eine solche zusätzliche Ausgleichswelle würde jedoch hohe Kosten verursachen und hinsichtlich des zusätzlichen Gewichts und des erforderlichen Bauraums Probleme bereiten, die durch die zu erwartende Komfortverbesserung nicht aufgewogen würden.In order to achieve the desired smoothness, it would be fundamentally possible to provide an additional balance shaft in the internal combustion engine, which rotates with the direction of rotation of the crankshaft and half the crankshaft speed and is equipped with two suitable balance weights or imbalance masses. However, such an additional balance shaft would cause high costs and cause problems in terms of additional weight and installation space, which would not be offset by the expected comfort improvement.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das freie Moment 0,5.-Ordnung ohne einen großen zusätzlichen Aufwand ganz oder zumindest weitestgehend beseitigt werden kann.Proceeding from this, the present invention seeks to improve an internal combustion engine of the type mentioned in that the free moment 0.5.-order can be completely or at least largely eliminated without a large additional effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an mindestens einer der beiden Nockenwellen zwei Ausgleichsgewichte oder Unwuchtmassen zur Tilgung des freien Moments M 0,5.-Ordnung der Kurbelwelle angebracht sind.This object is achieved in that at least one of the two camshafts two balance weights or imbalance masses for the eradication of the free moment M 0.5.-order of the crankshaft are mounted.

Bei üblichen Brennkraftmaschinen, bei denen die Nockenwellen mit derselben Drehrichtung wie die Kurbelwelle angetrieben werden, lässt sich durch die Anbringung der beiden Ausgleichsgewichte an einer oder beiden Nockenwellen der Anteil des freien Moments 0,5.-Ordnung mit einer der Drehrichtung der Kurbelwelle entsprechenden Richtung vollständig ausgleichen, ohne dass zu diesem Zweck eine zusätzliche Ausgleichswelle erforderlich ist.In conventional internal combustion engines, in which the camshafts are driven in the same direction of rotation as the crankshaft, the proportion of the free moment 0.5. Order with a direction corresponding to the direction of rotation of the crankshaft can be completely by attaching the two balancing weights on one or both camshafts compensate without an additional balance shaft is required for this purpose.

In diesem Fall sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass an der Exzenterwelle ebenfalls zwei Ausgleichsgewichte angebracht sind, mit denen sich auch der Anteil des freien Moments 0,5.-Ordnung mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung zu 100% ausgleichen lässt, so dass eine vollständige Tilgung des freien Moments 0,5.-Ordnung der Kurbelwelle möglich ist.In this case, a preferred embodiment of the invention provides that on the eccentric shaft also two balancing weights are attached, with which also the proportion of the free moment 0.5.-order can be compensated with a direction opposite to the direction of rotation of the crankshaft to 100%, so that a complete eradication of the free torque 0.5th order of the crankshaft is possible.

Grundsätzlich wäre es jedoch auch denkbar, eine der beiden Nockenwellen mit derselben Drehrichtung wie die Kurbelwelle und die andere Nockenwelle mit entgegengesetzter Drehrichtung anzutreiben und zur vollständigen Tilgung des freien Moments 0,5.-Ordnung der Kurbelwelle auf jeder der beiden Nockenwellen ein Paar Ausgleichsgewichte oder Unwuchtmassen anzubringen, um sowohl den Anteil des freien Moments 0,5.-Ordnung mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung als auch den Anteil des freien Moments 0,5.-Ordnung mit einer der Drehrichtung der Kurbelwelle entsprechenden Richtung vollständig auszugleichen bzw. zu tilgen.In principle, however, it would also be conceivable to drive one of the two camshafts with the same direction of rotation as the crankshaft and the other camshaft in the opposite direction of rotation and to complete eradication of the free torque 0.5th order of the crankshaft on each of the two camshafts a pair of balance weights or imbalance masses to apply both the proportion of the free moment 0.5th order with a direction opposite to the direction of rotation of the crankshaft and the proportion of the free moment 0, 5th order with a direction corresponding to the direction of rotation of the crankshaft completely compensate or pay.

Weiter könnten grundsätzlich auch beide Nockenwellen mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben und auf einer oder beiden Nockenwellen ein Paar Ausgleichsgewichte oder Unwuchtmassen angebracht werden, um den dominanteren Anteil des freien Moments 0,5.-Ordnung mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung zu tilgen, wodurch allerdings noch keine vollständige Tilgung des gesamten Moments 0,5.-Ordnung ermöglicht würde.Further, in principle, both camshafts could be driven with a direction of rotation opposite to the crankshaft rotation direction and mounted on one or both camshafts, a pair of balance weights or imbalance masses to the dominant portion of the free torque 0.5th order with a direction opposite to the direction of rotation of the crankshaft which, however, would not yet allow a complete eradication of the entire 0.5th-order moment.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ausgleichsgewichte an oder in der Nähe von beiden entgegengesetzten Stirnenden der Kurbelwelle(n) angebracht sind, um die Ausgleichsgewichte in einem möglichst großen axialen Abstand voneinander anzuordnen. Die Ausgleichsgewichte sind vorteilhaft drehfest mit der jeweiligen Nockenwelle verbunden, so dass sie sich mit derselben Drehzahl wie die Nockenwelle drehen. Die Anbringung der Ausgleichsgewichte erfolgt in einer festen Phasenbeziehung in Bezug zur Kurbelwelle, wobei zudem die Massenschwerpunkte der beiden Ausgleichsgewichte um einen vorbestimmten Phasenwinkel gegeneinander versetzt sind.A preferred embodiment of the invention provides that the balancing weights are mounted on or in the vicinity of both opposite ends of the crankshaft (s) in order to arrange the balancing weights in the greatest possible axial distance from each other. The balance weights are advantageously rotatably connected to the respective camshaft, so that they rotate at the same speed as the camshaft. The attachment of the balance weights takes place in a fixed phase relationship with respect to the crankshaft, wherein also the centers of mass of the two balance weights are offset by a predetermined phase angle to each other.

Dort, wo zur Veränderung der Hubkurven der Ein- und Auslassventile der Brennkraftmaschine eine Nockenwellenphasenverstellung vorgesehen ist und zu diesem Zweck an einem der Stirnenden von einer oder von jeder Nockenwelle ein Nockenwellenphasenversteller angebracht ist, lässt sich wegen der Phasenverstellung der Nockenwelle und damit der Verstellung der Ausgleichsgewichte nicht in sämtlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine eine vollständige Tilgung des freien Moments 0,5.-Ordnung der Kurbelwelle realisieren. In diesem Fall sollte die Anbringung der Ausgleichsgewichte oder Unwuchtmassen zweckmäßig nur auf einer der Nockenwellen erfolgen, und zwar vorteilhaft auf derjenigen Nockenwelle, die im Last-Drehzahl-Kennfeld der Brennkraftmaschine um den kleineren Phasenverstellweg oder Phasenwinkel verdreht wird. Darüber hinaus sollten die Ausgleichsgewichte oder Unwuchtmassen unter einem von der Verstellstrategie der Nockenwelle abhängigen Vorhaltewinkel auf dieser Nockenwelle angebracht werden, der dem Verstellwinkel der Nockenwelle in den Betriebspunkten mit dem höchsten Tilgungsbedarf Rechnung trägt, so dass in diesen Betriebspunkten eine optimale Tilgung erzielt wird.There, where a camshaft phase adjustment is provided for changing the lift curves of the intake and exhaust valves of the engine and for this purpose at one of the front ends of one or each camshaft a Nockenwellenphasenversteller is attached, can be because of the phasing of the camshaft and thus the adjustment of the balance weights not realize in all operating points of the internal combustion engine, a complete eradication of the free torque 0.5th order of the crankshaft. In this case, the attachment of the balancing weights or imbalance masses should be appropriate only on one of the camshafts, and advantageously on that camshaft, which is rotated in the load-speed map of the internal combustion engine by the smaller Phasenverstellweg or phase angle. In addition, the balancing weights or imbalance masses should be mounted on this camshaft under a derivative of the adjustment strategy of the cam shaft lead angle, which takes into account the adjustment angle of the camshaft in the operating points with the highest eradication requirement, so that in these operating points optimal eradication is achieved.

Je nach verwendetem Nockenwellenphasenversteller kann zweckmäßig eines der beiden Ausgleichsgewichte in den Nockenwellenphasenversteller integriert werden, wobei es vorteilhaft drehfest mit einem Bauteil des Nockenwellenphasenverstellers verbunden wird, der eine unveränderte Phasenbeziehung zur Kurbelwelle aufweist, wie zum Beispiel einem Kettenrad eines die Nockenwelle treibenden Kettentriebs. Damit verändert sich bei einer Phasenverstellung nur die Phasenbeziehung von einem der beiden Ausgleichsgewichte zur Kurbelwelle, wodurch in Betriebspunkten mit suboptimaler Tilgung das Ausmaß der Tilgung näher an 100% herangeführt werden kann. Das andere Ausgleichsgewicht wird zweckmäßig bauraumneutral im Zylinderkopf untergebracht.Depending on the camshaft phaser used, it is expedient to integrate one of the two counterweights into the camshaft phaser, wherein it is advantageously rotationally fixedly connected to a component of the camshaft phaser having an unchanged phase relationship with the crankshaft, such as a sprocket of a chain drive driving the camshaft. Thus, in a phasing only the phase relationship of one of the two counterbalance weights to the crankshaft changes, which at operating points with suboptimal eradication can bring the extent of eradication closer to 100%. The other balance weight is conveniently placed space neutral in the cylinder head.

Die erfindungsgemäßen Ausgleichsgewichte dienen ausschließlich zur Verkleinerung oder Beseitigung des freien Moments 0,5.-Ordnung. Sie dienen hingegen nicht zum Ausgleich der rotierenden Massen der Anlenkpleuel und sind wegen der unterschiedlichen Drehzahl der Nockenwellen und der Kurbelwelle auch nicht zum Ausgleich der rotierenden Massen der Pleuel zwischen den Kolben und der Kurbelwelle bzw. den Koppelgliedern geeignet. Durch die erfindungsgemäßen Ausgleichsgewichte entstehen nur minimale Mehrkosten und ein minimales Mehrgewicht, jedoch keine zusätzlichen Reibungsverluste.The balancing weights according to the invention are used exclusively for reducing or eliminating the free torque 0.5th order. On the other hand, they do not serve to compensate the rotating masses of the Anlenkpleuel and are not suitable because of the different speed of the camshaft and the crankshaft to compensate for the rotating masses of the connecting rod between the piston and the crankshaft and the coupling links. The balancing weights according to the invention result in only minimal additional costs and a minimal additional weight, but no additional friction losses.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it

1 eine perspektivische Ansicht von zusammenwirkenden Teilen einer Brennkraftmaschine mit verlängertem Expansionshub; 1 a perspective view of cooperating parts of an internal combustion engine with extended expansion stroke;

2 eine perspektivische Ansicht einer Exzenterwelle mit Antriebsrad und Ausgleichsgewichten aus 1; 2 a perspective view of an eccentric shaft with drive wheel and balance weights 1 ;

3 eine Draufsicht auf zwei Nockenwellen der Brennkraftmaschine mit Phasenverstellung; 3 a plan view of two camshafts of the internal combustion engine with phasing;

4 eine perspektivische Ansicht von Teilen eines Nockenwellenphasenverstellers auf einer der Nockenwellen. 4 a perspective view of parts of a camshaft phaser on one of the camshafts.

5 Balkendiagramme von Komponenten eines freien Moments 0,5.-Ordnung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vor bzw. nach der Anbringung von Ausgleichsgewichten an der Exzenterwelle und den beiden Nockenwellen sowie unter verschiedenen Vorhaltwinkeln. 5 Bar graphs of free torque components 0.5th order of the crankshaft of the internal combustion engine before and / or after the attachment of balance weights to the eccentric shaft and the two camshafts, as well as under different lead angles.

Wie am besten in 1 dargestellt, umfasst die in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Viertakt-4-Zylinder-Brennkraftmaschine 1 in Reihenanordnung mit verlängertem Expanisonshub vier Kolben 2 und eine Kurbelwelle 3. Jeder der Kolben 2 ist in einem der vier Zylinder (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 auf und ab beweglich und ist durch ein Kolbenpleuel 4 mit der Kurbelwelle 3 verbunden. Die Kurbelwelle 3 ist in Hauptlagerstühlen eines Zylinderkurbelgehäuses (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagert und weist fünf zur Lagerung dienende zentrische Wellenzapfen 5 sowie vier Hubzapfen 6 (jeweils nur einer sichtbar) auf, deren Längsmittelachsen in unterschiedlichen Winkelausrichtungen parallel zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 3 versetzt sind.How best in 1 shown comprises the four-stroke 4-cylinder internal combustion engine only partially shown in the drawing 1 in series with extended Expanisonshub four pistons 2 and a crankshaft 3 , Each of the pistons 2 is in one of the four cylinders (not shown) of the internal combustion engine 1 moving up and down and is through a piston connecting rod 4 with the crankshaft 3 connected. The crankshaft 3 is in main storage chairs of a cylinder crankcase (not shown) of the internal combustion engine 1 rotatably mounted and has five serving for storage centric shaft journal 5 and four crank pins 6 (Only one visible), whose longitudinal central axes in different angular orientations parallel to the axis of rotation 7 the crankshaft 3 are offset.

Auf jedem der Hubzapfen 6 der Kurbelwelle 3 ist ein Koppelglied 8 um die Längsmittelachse des Hubzapfens 6 drehbar befestigt. An jedem Koppelglied 8 ist eines der Kolbenpleuel 4 angelenkt, das ein unteres gabelförmiges Stirnende 9 mit zwei mit Augen versehenen Schenkeln aufweist. Zwischen die beiden Schenkel des gabelförmigen Stirnendes 9 des Kolbenpleuels 4 greift das freie Ende eines über eine Seite der Kurbelwelle 3 überstehenden kurzen Hubarms 10 des zweiarmigen Koppelgliedes 8 ein, der zwischen den Schenkeln mit einer Lagerbuchse (nicht sichtbar) versehen ist. Durch die Augen der Schenkel und die Lagerbuchse erstreckt sich ein Lagerbolzen 11, der in der Lagerbuchse des Hubarms 10 drehbar gelagert ist.On each of the crank pins 6 the crankshaft 3 is a coupling link 8th around the longitudinal center axis of the crank pin 6 rotatably mounted. At each coupling link 8th is one of the Kolbenpleuel 4 hinged, the lower forked front end 9 with two eyelet-shaped legs. Between the two legs of the forked front end 9 of Kolbenpleuels 4 grips the free end of one over one side of the crankshaft 3 protruding short lifting arm 10 of the two-armed coupling member 8th a, which is provided between the legs with a bearing bush (not visible). Through the eyes of the legs and the bearing bush, a bearing pin extends 11 which is in the bearing bush of the lift arm 10 is rotatably mounted.

Im Unterschied zu konventionellen Brennkraftmaschinen, bei denen der Kolbenhub über sämtliche Takte hinweg dieselbe Länge besitzt, ist bei der dargestellten Brennkraftmaschine 1 die Hubhöhe der Kolben 2 während des Expansions- und Ausstoßtaktes länger als während des Ansaug- und Verdichtungstaktes. Zu diesem Zweck wird der durch die Drehung der Kurbelwelle 3 hervorgerufenen Bewegung der Kolbenpleuel 4 eine zusätzliche Bewegungskomponente überlagert.In contrast to conventional internal combustion engines, in which the piston stroke has the same length over all cycles, is in the illustrated internal combustion engine 1 the lifting height of the pistons 2 during the expansion and exhaust stroke longer than during the intake and compression stroke. For this purpose, by the rotation of the crankshaft 3 caused movement of Kolbenpleuel 4 an additional component of motion superimposed.

Dies erfolgt mit Hilfe einer Exzenterwelle 13, die eine zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 3 parallele Drehachse 14 aufweist, neben der Kurbelwelle 3 und etwas unterhalb von dieser im Zylinderkurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Die Exzenterwelle 13 wird von der Kurbelwelle 3 über ein Untersetzungsgetriebe 15 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 3 sowie mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle 3 entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben. Außerdem ist die Exzenterwelle 13 über einen Mehrgelenkkurbeltrieb 16 mit der Kurbelwelle 3 gekoppelt.This is done by means of an eccentric shaft 13 one to the axis of rotation 7 the crankshaft 3 parallel axis of rotation 14 has, next to the crankshaft 3 and slightly below this is rotatably mounted in the cylinder crankcase. The eccentric shaft 13 is from the crankshaft 3 via a reduction gear 15 at half the speed of the crankshaft 3 and with one to the direction of rotation of the crankshaft 3 driven in opposite direction of rotation. In addition, the eccentric shaft 13 via a multi-joint crank drive 16 with the crankshaft 3 coupled.

Wie in 1 dargestellt, umfasst das Untersetzungsgetriebe 15 ein erstes, drehfest auf der Kurbelwelle 3 montiertes Zahnrad 17 und ein zweites drehfest auf der Exzenterwelle 13 montiertes Zahnrad 18, die miteinander im Zahneingriff stehen. Um das gewünschte Untersetzungsverhältnis von 2:1 zu erzielen, beträgt die Zähnezahl des zweiten Zahnrades 18 das Doppelte der Zähnezahl des ersten Zahnrades 17.As in 1 illustrated, comprises the reduction gear 15 a first, rotationally fixed on the crankshaft 3 mounted gear 17 and a second rotationally fixed on the eccentric shaft 13 mounted gear 18 meshing with each other. To achieve the desired reduction ratio of 2: 1, the number of teeth of the second gear is 18 twice the number of teeth of the first gear 17 ,

Der Mehrgelenkkurbeltrieb 16 umfasst neben den Koppelgliedern 8 eine der Anzahl der Kolbenpleuel 4 entsprechende Anzahl von Anlenkpleueln 19, die ungefähr parallel zu den Kolbenpleueln 4 ausgerichtet und in axialer Richtung der Kurbelwelle 3 und der Exzenterwelle 13 jeweils etwa in derselben Ebene wie der zugehörige Kolbenpleuel 4 angeordnet sind. Das untere Ende von jedem Anlenkpleuel 19 ist schwenkbar auf einem Wellenabschnitt 20 der Exzenterwelle 13 angebracht, der in Bezug zur Drehachse 14 der Exzenterwelle 13 exzentrisch ist. Das obere Ende von jedem Anlenkpleuel 19 ist oberhalb von der Exzenterwelle 13 an einem längeren Koppelarm 21 des zweiarmigen Koppelgliedes 8 angelenkt. Der Koppelarm 21 weist dazu ein gabelförmiges Stirnende 22 mit zwei mit Augen versehenen Schenkeln auf, zwischen die das mit einer Lagerbuchse versehene obere Ende des Anlenkpleuels 19 eingreift. Durch die Augen der Schenkel und die fluchtende Lagerbuchse des Anlenkpleuels 19 erstreckt sich ein Lagerbolzen 23, auf dem die Lagerbuchse drehbar gelagert ist.The multi-joint crank drive 16 includes next to the coupling links 8th one of the number of Kolbenpleuel 4 corresponding number of Anlenkpleueln 19 , which are approximately parallel to the piston rods 4 aligned and in the axial direction of the crankshaft 3 and the eccentric shaft 13 each approximately in the same plane as the associated Kolbenpleuel 4 are arranged. The lower end of each Anlenkpleuel 19 is pivotable on a shaft section 20 the eccentric shaft 13 attached, in relation to the axis of rotation 14 the eccentric shaft 13 is eccentric. The upper end of each Anlenkpleuel 19 is above the eccentric shaft 13 on a longer coupling arm 21 of the two-armed coupling member 8th hinged. The coupling arm 21 has a bifurcated front end 22 with two eyes provided with eyes, between which is provided with a bearing bushing upper end of the Anlenkpleuels 19 intervenes. Through the eyes of the legs and the aligned bushing of the Anlenkpleuels 19 extends a bearing pin 23 , on which the bearing bush is rotatably mounted.

Die zu den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugehörigen exzentrischen Wellenabschnitte 20 sind in Umfangsrichtung der Exzenterwelle 13 um einen Splitwinkel gegeneinander versetzt, um der Zündfolge der Zylinder Rechnung zu tragen. Dadurch wird erreicht, dass derjenige Zylinder, in dem das Kraftstoff/Luft-Gemisch gerade gezündet wird, den Expansionshub länger macht.The to the individual cylinders of the internal combustion engine 1 associated eccentric shaft sections 20 are in the circumferential direction of the eccentric shaft 13 offset by a split angle against each other to account for the firing order of the cylinder. This ensures that the cylinder in which the fuel / air mixture is just ignited makes the expansion stroke longer.

Abgesehen von dem verlängerten Expansionshub kann durch die zuvor beschriebene Anordnung auch die Neigung der Kolbenpleuel 4 in Bezug zur Zylinderachse der zugehörigen Zylinder während der Drehung der Kurbelwelle 3 verringert werden, was zu einer Verringerung der Kolbenseitenkräfte und damit der Reibkräfte zwischen den Kolben 2 und Zylinderwänden der Zylinder führt.Apart from the extended expansion stroke can also be the inclination of Kolbenpleuel by the arrangement described above 4 with respect to the cylinder axis of the associated cylinders during rotation of the crankshaft 3 can be reduced, resulting in a reduction of the piston side forces and thus the friction forces between the pistons 2 and cylinder walls of the cylinder leads.

Allerdings verursacht der Mehrgelenkkurbeltrieb 16 ein freies Moment M 0,5.-Ordnung, das sich in zwei in 5 dargestellte Komponenten M1 um die Hochachse des Kurbeltriebs 16 und M2 um die Querachse der Brennkraftmaschine 1 zerlegen lässt.However, the multi-joint crank mechanism causes 16 a free moment M 0.5th order, which is divided into two in 5 illustrated components M1 about the vertical axis of the crank mechanism 16 and M2 about the transverse axis of the internal combustion engine 1 disassemble.

Ohne Gegenmaßnahmen weisen beide Komponenten M1 und M2 große Werte auf, die im Falle von M1 zwischen 400 und 500 Nm und im Falle von M2 zwischen 200 und 300 Nm liegen, wie in 5 über A dargestellt. Im Vergleich dazu beträgt ein freies Moment M 0,5.-Ordnung aus einem in 3 dargestellten Ventiltrieb 24 der Brennkraftmaschine 1 nur etwa 10 Nm.Without countermeasures, both components M1 and M2 have large values, which in the case of M1 are between 400 and 500 Nm and in the case of M2 between 200 and 300 Nm, as in 5 represented by A. In comparison, a free moment M is 0.5 order from an in 3 illustrated valve train 24 the internal combustion engine 1 only about 10 Nm.

Der Ventiltrieb 24 umfasst zwei parallele Nockenwellen 25, 26, die in einem Zylinderkopf 27 der Brennkraftmaschine 1 gelagert sind und über einen Kettentrieb 28 von der Kurbelwelle 3 angetrieben werden. Jede Nockenwelle 25, 26 weist einen Nockenwellenphasenversteller 29 auf, der an dem zum Kettentrieb 28 benachbarten Stirnende der Nockenwelle 25, 26 angeordnet ist. Wie in 4 dargestellt, weist jeder Phasenversteller 29 u. a. ein vom Kettentrieb 28 angetriebenes Kettenrad 30 und einen Abschlussdeckel 31 auf. Der Phasenverstellbereich der Nockenwellen 25, 26 beträgt –24° bis 0° bei Drehzahlen von 1500 bis 2500 1/min.The valve train 24 includes two parallel camshafts 25 . 26 in a cylinder head 27 the internal combustion engine 1 are stored and via a chain drive 28 from the crankshaft 3 driven become. Every camshaft 25 . 26 has a camshaft phaser 29 on the one to the chain drive 28 adjacent front end of the camshaft 25 . 26 is arranged. As in 4 shown, each phaser has 29 among others one from the chain drive 28 driven sprocket 30 and a cover 31 on. The phase adjustment range of the camshafts 25 . 26 is -24 ° to 0 ° at speeds from 1500 to 2500 1 / min.

Das zuvor genannte freie Moment M 0,5.-Ordnung führt ohne Gegenmaßnahmen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Laufruhe der Brennkraftmaschine 1. Um eine solche Beeinträchtigung zu vermeiden, sind zwei Gegenmaßnahmen vorgesehen:
Zum einen sind zwei Ausgleichsgewichte 32, 33 auf der Exzenterwelle 13 angebracht, wie am besten in 1 und 2 dargestellt. Das erste Ausgleichsgewicht 32 ist in der Nähe eines zur Antriebsseite entgegengesetzten Stirnendes 34 der Exzenterwelle 13 zwischen einem zur Lagerung der Exzenterwelle dienenden stirnseitigen Wellenzapfen 35 und dem zum Stirnende 34 benachbarten ersten exzentrischen Wellenabschnitt 20 angeordnet, dessen Position in axialer Richtung der Kurbelwelle 3 und der Exzenterwelle 13 derjenigen des 1. Zylinders in der Reihe von vier Zylindern der Brennkraftmaschine 1 entspricht. Das zweite Ausgleichsgewicht 33 ist in der Nähe des antriebsseitigen Stirnendes der Exzenterwelle 13 zwischen dem Zahnrad 18 und dem zum Zahnrad 18 benachbarten letzten exzentrischen Wellenabschnitt 20 angeordnet, dessen Position in axialer Richtung der Kurbelwelle 3 und der Exzenterwelle 13 derjenigen des 4. Zylinders der Brennkraftmaschine 1 entspricht.The aforementioned free moment M 0.5.-order leads without countermeasures to a significant impairment of the smoothness of the internal combustion engine 1 , In order to avoid such an impairment, two countermeasures are provided:
First, there are two balance weights 32 . 33 on the eccentric shaft 13 appropriate, as best in 1 and 2 shown. The first balance weight 32 is near a front end opposite to the drive side 34 the eccentric shaft 13 between a serving for supporting the eccentric shaft end face journal 35 and to the front end 34 adjacent first eccentric shaft section 20 arranged, whose position in the axial direction of the crankshaft 3 and the eccentric shaft 13 that of the 1st cylinder in the row of four cylinders of the internal combustion engine 1 equivalent. The second balance weight 33 is in the vicinity of the drive-side front end of the eccentric shaft 13 between the gear 18 and to the gear 18 adjacent last eccentric shaft section 20 arranged, whose position in the axial direction of the crankshaft 3 and the eccentric shaft 13 that of the 4th cylinder of the internal combustion engine 1 equivalent.

Die beiden Ausgleichsgewichte 32, 33 besitzen beide die Gestalt eines Winkelsegments, das sich über einen Winkel von etwa 100 Grad um die Exzenterwelle 13 herum erstreckt. Die beiden Winkelsegmente besitzen jeweils dieselben Abmessungen und dieselbe Masse. Wie am besten in 2 dargestellt, sind die beiden Winkelsegmente bzw. Ausgleichsgewichte 32, 33 mit einer diametral entgegengesetzen Ausrichtung auf der Exzenterwelle 13 angeordnet, so dass ihre Massenschwerpunkte in Umfangsrichtung der Exzenterwelle 13 um 180 Grad gegeneinander versetzt sind.The two balance weights 32 . 33 both have the shape of an angular segment extending about an angle of about 100 degrees about the eccentric shaft 13 extends around. The two angle segments each have the same dimensions and the same mass. How best in 2 are shown, the two angle segments or balance weights 32 . 33 with a diametrically opposed alignment on the eccentric shaft 13 arranged so that their centers of mass in the circumferential direction of the eccentric shaft 13 180 degrees offset from each other.

Durch die Anbringung der beiden Ausgleichsgewichte 32, 33 auf der mit entgegengesetzter Drehrichtung und halber Drehzahl der Kurbelwelle 3 rotierenden Exzenterwelle 13 kann im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 bereits ein Großteil von beiden Komponenten M1 und M2 des freien Moments 0,5.-ter Ordnung ausgeglichen bzw. getilgt werden, wie in 5 über B dargestellt, und damit die Laufruhe erheblich verbessert werden.By attaching the two balance weights 32 . 33 on the opposite direction of rotation and half speed of the crankshaft 3 rotating eccentric shaft 13 can during operation of the internal combustion engine 1 already a large part of both components M1 and M2 of the free moment of the 0.5th order are compensated or canceled out, as in FIG 5 shown on B, and thus the smoothness are significantly improved.

Zum anderen sind auf jeder der beiden Nockenwellen 25, 26 ebenfalls zwei Ausgleichsgewichte 36, 37 angebracht, wie in 3 dargestellt. Die Ausgleichsgewichte 36, 37 sind jeweils an oder in der Nähe von den entgegengesetzten Stirnenden jeder Nockenwelle 25, 26 angeordnet, um den Abstand D zwischen den Ausgleichsgewichten 36, 37 so groß wie möglich zu machen. Die Ausgleichsgewichte 36 sind jeweils in den Phasenversteller 29 integriert, während die anderen Ausgleichsgewichte 37 bauraumneutral im Zylinderkopf 27 untergebracht sind. Die in den Phasenversteller 29 integrierten Ausgleichsgewichte 36 können zum Beispiel als äußerer Unwuchtring 38 und/oder in Form von aufgefüllten Hohlräumen 39 entlang eines Teils des Umfangs des Kettenrades 30 und/oder des Abschlussdeckels 31 ausgebildet sein. Die Massenschwerpunkte der Ausgleichsgewichte 36, 37 weisen eine vorbestimmte Phasenbeziehung zur Kurbelwelle 3 auf, die sich im Fall des Ausgleichsgewichts 37 jedoch in Abhängigkeit vom Verstellweg des Phasenverstellers 29 etwas verändert.On the other hand, on each of the two camshafts 25 . 26 also two balancing weights 36 . 37 attached, as in 3 shown. The balance weights 36 . 37 are respectively at or near the opposite ends of each camshaft 25 . 26 arranged to the distance D between the balance weights 36 . 37 to make as big as possible. The balance weights 36 are each in the phase adjuster 29 integrated while the other balancing weights 37 Space-neutral in the cylinder head 27 are housed. The in the phaser 29 integrated balancing weights 36 For example, as an outer imbalance ring 38 and / or in the form of filled cavities 39 along a part of the circumference of the sprocket 30 and / or the end cover 31 be educated. The center of gravity of the balancing weights 36 . 37 have a predetermined phase relationship to the crankshaft 3 on, in the case of the balance weight 37 however, depending on the adjustment of the phase adjuster 29 something changed.

Durch die Anbringung der beiden Ausgleichsgewichte 36, 37 auf den mit gleicher Drehrichtung und halber Drehzahl der Kurbelwelle 3 rotierenden Nockenwellen 25, 26 kann im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ein weiterer beträchtlicher Teil des freien Moments 0,5.-ter Ordnung ausgeglichen bzw. getilgt werden, wie in 5 über C dargestellt. Eine vollständige Tilgung in sämtlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 ist jedoch wegen der Phasenverstellung nicht möglich.By attaching the two balance weights 36 . 37 on the same direction of rotation and half speed of the crankshaft 3 rotating camshafts 25 . 26 can during operation of the internal combustion engine 1 another substantial part of the 0.5th order free moment is equalized, as in 5 shown above C. A complete eradication in all operating points of the internal combustion engine 1 is not possible because of the phase adjustment.

Allerdings kann die Ausgleichswirkung der Ausgleichsgewichte 36, 37 und damit die Tilgung des freien Moments 0,5.-ter Ordnung in denjenigen Betriebspunkten des Kennfelds der Brennkraftmaschine 1 maximiert werden, in denen dies aus akustischer Sicht am wichtigsten oder notwendigsten ist. Dies geschieht dadurch, dass an der Nockenwelle 25, 26 mit dem kleineren Verstellweg zumindest dasjenige Ausgleichsgewicht 27, das beim Verstellen der Nockenwelle 25, 26 mit verdreht wird, so an der Nockenwellen 25, 26 angebracht wird, dass sein Massenschwerpunkt nicht die zuvor genannte vorbestimmte Phasenbeziehung zur Kurbelwelle 3 aufweist, sondern um einen von der Verstellstrategie der Nockenwellen 25, 26 abhängigen Vorhaltewinkel von dieser Phasebeziehung abweicht.However, the balancing effect of the balancing weights 36 . 37 and thus the eradication of the free moment of the 0.5th order in those operating points of the map of the internal combustion engine 1 where this is most important or necessary from an acoustic point of view. This happens because of the camshaft 25 . 26 with the smaller adjustment at least that balancing weight 27 that when adjusting the camshaft 25 . 26 with being twisted, so on the camshafts 25 . 26 is applied that its center of gravity is not the aforementioned predetermined phase relationship to the crankshaft 3 but one of the adjustment strategy of the camshaft 25 . 26 dependent Vorhaltewinkel deviates from this phase relationship.

Durch Veränderung des Vorhaltewinkels kann ein noch weiterer Teil des freien Moments 0,5.-ter Ordnung ausgeglichen bzw. getilgt werden, wie man in 5 bei einem Vergleich der Momente M1, M2 über C1, C2 und C3 sieht, wobei über C1 die Momente M1, M2 für eine maximale Verstellung von 12,5° nach früh ohne einen Vorhaltwinkel dargestellt sind, während über C2 bzw. C3 die Momente M1, M2 für eine maximale Verstellung von 7,5° nach früh und einen Vorhaltwinkel von 5° bzw. für eine maximale Verstellung von 5° nach spät und einen Vorhaltwinkel von 5° dargestellt sind. Wie man sieht, weisen die Momente M1, M2 über C3 Werte auf, die nicht nur unterhalb der Werte bei C1 und C2 sondern auch noch unterhalb des vom Ventiltrieb 24 erzeugten freien Moments 0,5.-ter Ordnung liegen.By changing the lead angle, a still further part of the free moment of the 0.5th order can be compensated or canceled, as can be seen in FIG 5 when comparing moments M1, M2 over C1, C2 and C3, where C1 represents moments M1, M2 for maximum 12.5 ° advance without a lead angle, while C2 and C3 are moments M1 , M2 for a maximum adjustment of 7.5 ° to early and a lead angle of 5 ° or for a maximum adjustment of 5 ° to late and a lead angle of 5 ° are shown. As can be seen, the moments M1, M2 have C3 values not only below the values at C1 and C2 but also below that at the valve train 24 generated free moments of 0.5th order.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: BrennkraftmaschineInternal combustion engine
22: Kolbenpiston
33: Kurbelwellecrankshaft
44: KolbenpleuelKolbenpleuel
55: Wellenzapfen KurbelwelleShaft crankshaft
66: Hubzapfen KurbelwelleCrankpin crankshaft
77: Drehachse KurbelwelleRotary axis crankshaft
88th: Koppelgliedcoupling member
99: gabelförmiges Stirnende Kolbenpleuelbifurcated front end piston connecting rod
1010: Hubarm KoppelgliedLifting arm coupling link
1111: Lagerbolzenbearing bolt
1313: Exzenterwelleeccentric shaft
1414: Drehachse ExzenterwelleRotary axis eccentric shaft
1515: UntersetzungsgetriebeReduction gear
1616: MehrgelenkkurbeltriebMulti-joint crank drive
1717: Zahnrad KurbelwelleGear crankshaft
1818: Zahnrad ExzenterwelleGear eccentric shaft
1919: Anlenkpleuelarticulation connecting rod
2020: exzentrische Wellenzapfen Exzenterwelleeccentric shaft journal eccentric shaft
2121: Koppelarm KoppelgliedCoupling arm coupling link
2222: gabelförmiges Stirnende Koppelarmbifurcated front end coupling arm
2323: Lagerbolzenbearing bolt
2424: Ventiltriebvalve train
2525: Nockenwellecamshaft
2626: Nockenwellecamshaft
2727: Zylinderkopfcylinder head
2828: Kettentriebchain drive
2929: NockenwellenphasenverstellerNockenwellenphasenversteller
3030: KettenradSprocket
3131: AbschlussdeckelEnd cover
3232: Ausgleichsgewichtcounterweight
3333: Ausgleichsgewichtcounterweight
3434: Stirnende ExzenterwelleBiting eccentric shaft
3535: stirnseitiger Wellenzapfenend-face shaft journal
3636: Ausgleichsgewichtcounterweight
3737: Ausgleichsgewichtcounterweight
3838: Unwuchtringunbalance ring
3939: ausgefüllte Hohlräumefilled cavities

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1359303 B [0002]
EP 1760290 A [0002]
EP 1760289 A [0002, 0002]
US 4517931 A [0002, 0002]
DE 102010004588 [0005]

Claims

Internal combustion engine with a crankshaft, an eccentric shaft, which is connected to extend an expansion stroke of piston of the internal combustion engine by connecting rods and coupling members with the crankshaft, and two camshafts for actuating intake and exhaust valves of the internal combustion engine, characterized in that on at least one of the two camshafts ( 25 . 26 ) two balance weights ( 36 . 37 ) for the eradication of a free moment M 0.5.-order of the crankshaft ( 3 ) are mounted.

Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the balancing weights ( 36 . 37 ) at or near opposite ends of the camshaft ( 25 . 26 ) are arranged.

Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the centers of mass of the two counterweights ( 36 . 37 ) in relation to the crankshaft ( 3 ) are offset by predetermined phase angles.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the balancing weights ( 36 . 37 ) rotatably with the camshaft ( 25 . 26 ) are connected.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that a ( 36 ) of the balancing weights ( 36 . 37 ) in a camshaft phaser ( 29 ) is integrated.

Internal combustion engine according to claim 5, characterized in that the balance weight ( 36 ) rotatably with a component ( 30 . 31 ) of the camshaft phase adjuster ( 29 ) whose phase relationship with the crankshaft ( 3 ) does not change during a phase adjustment.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that also on the eccentric shaft ( 13 ) two balance weights ( 32 . 33 ) for the eradication of the free torque M 0,5.-order of the crankshaft ( 3 ) are mounted.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that on both camshafts ( 25 . 26 ) Balance weights ( 36 . 37 ) are mounted.