DE102011054881B9

DE102011054881B9 - Kurbelwelle für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine sowie eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011054881B9
Application number: DE201110054881
Authority: DE
Inventors: Rudolf Flierl
Original assignee: Entec Consulting GmbH
Current assignee: Entec Consulting GmbH
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: EP2771582A1; WO2013060625A1; DE102011054881B3; CN204061515U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine (2) mit mindestens zwei Lagerstellen (8) und vier Kurbelkröpfungen (36, 38, 40, 42), wobei eine erste und eine zweite Kurbelkröpfung (36, 42) um einen Winkel von α = 120° zueinander versetzt sind und eine dritte und eine vierte Kurbelkröpfung (38, 40) um einen Winkel von β = 0° bis 15°, vorzugsweise um einen Winkel von 10°, zueinander versetzt sind, wobei die erste Kurbelkröpfung (36) zur dritten Kurbelkröpfung (38) um einen Winkel γ von 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind und die zweite Kurbelkröpfung (42) zur vierten Kurbelkröpfung (40) um einen Winkel δ = 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Lagerstellen und vier Kurbelkröpfungen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse und einer darin aufgenommenen Kurbelwelle mit vier Kurbelkröpfungen sowie einem Zylindergehäuse mit vier Zylindern, wobei das Zylindergehäuse mit einem Zylinderkopf verbunden ist, in dem Einlass- und Auslassventile sowie mindestens eine Nockenwelle für die Einlassventile und mindestens eine Nockenwelle für die Auslassventile vorgesehen sind.
Derartige Kurbelwellen, siehe hierzu beispielsweise die GB 551 406 A und die JP 2005 140 159 A , sowie Vierzylinder-Brennkraftmaschinen mit derartigen Kurbelwellen sind hinlänglich bekannt. Hierbei wandelt die Kurbelwelle in Brennkraftmaschinen die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben über Pleuel in Drehbewegungen bzw. Momente um. Im Verdichtertakt und im Auslasstakt sorgt die eingeleitete Drehbewegung der Kurbelwelle dafür, dass der Kolben im Zylinder wieder in die entgegengesetzte Richtung gedrückt wird. Bei den bekannten Vierzylinder-Brennkraftmaschinen sind die Kröpfungen der Kurbelwellen jeweils um 180° zueinander versetzt angeordnet (siehe hierzu beispielsweise die DE 200 80 161 U1 ). Dies hat zur Folge, dass auch die Zündfolge einem Takt von 180° entspricht. Eine derartige Anordnung gewährleistet eine möglichst gleichmäßige Kraftbeaufschlagung der Kurbelwelle. Im Zuge der Absenkung von CO₂-Emissionen und der Optimierung des Kraftstoffverbrauchs von Brennkraftmaschinen werden jedoch die Antriebskonzepte stets komplexer, um den Wirkungsgrad bekannter Motoren zu verbessern. Bei der Verbesserung der hinsichtlich der Stückzahl wichtigsten Brennkraftmaschine, nämlich der aufgeladenen Vierzylinder-Brennkraftmaschine, hat es sich herausgestellt, dass ein großes Defizit dieses Motorkonzeptes bei der internen, nicht gewollten Abgasrückführung zwischen den Kolben anzusiedeln ist. Um dies zu verhindern, können beispielsweise bei Brennkraftmaschinen, die mit einem vollvariablen Ventiltrieb auch für die Auslassseite ausgestattet sind, die Auslassventilsteuerzeit extrem verkürzt werden, was aber wieder zu Einbußen beim Wirkungsgrad und bei Emissionsbegrenzungen führte. Eine weitere mögliche Lösung bietet die bauliche Trennung der Auslasskanäle bis hin zum Turbolader. Dies führt aber wieder zu Mehrkosten bei der Herstellung und der Fertigung der Brennkraftmaschine und wirkt sich darüber hinaus nachteilig auf den benötigten Bauraum und das Gewicht der Brennkraftmaschine aus.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine bzw. eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Kurbelwelle gelöst, bei der eine erste und eine zweite Kurbelkröpfung um einen Winkel von α = 120° zueinander versetzt sind und eine dritte und eine vierte Kurbelkröpfung um einen Winkel von β = 0° bis 15°, vorzugsweise um einen Winkel von 10°, zueinander versetzt sind, wobei die erste Kurbelkröpfung zur dritten Kurbelkröpfung um einen Winkel γ von 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind und die zweite Kurbelkröpfung zur vierten Kurbelkröpfung um einen Winkel δ = 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine gelöst, bei der eine erste und eine zweite Kurbelkröpfung um einen Winkel von α = 120° zueinander versetzt sind und eine dritte und eine vierte Kurbelkröpfung um einen Winkel von β = 0° bis 15°, vorzugsweise um einen Winkel von 10°, zueinander versetzt sind, wobei die erste Kurbelkröpfung zur dritten Kurbelkröpfung um einen Winkel γ von 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind und die zweite Kurbelkröpfung zur vierten Kurbelkröpfung um einen Winkel δ = 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind, wobei eine Zündfolge in den Zylindern entsprechend den Winkelabständen α, β, γ, δ der Kurbelkröpfungen vorgesehen ist.
Sowohl durch die Kurbelwelle als auch durch eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine, die eine derartige Kurbelwelle beinhaltet, ist es nun möglich, eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine derart zu betreiben, dass eine ausreichend lange Auslassventilsteuerzeit für jeden einzelnen Zylinder bereitgestellt werden kann. Hierdurch lässt sich die interne Abgasrückführung, die Ladungswechselverluste sowie der Kraftstoffverbrauch deutlich optimieren. Insbesondere bei einem Lastanstieg ist eine Absenkung der Ausschiebeverluste und der intern rückgeführten Restgasmenge wichtig, um den Verbrennungsprozess zu optimieren. Durch den erhöhten Massenstromausstoß von Abgas beim Abgasauslasstakt der Zylinder, die der dritten und vierten Kurbelkröpfung der Kurbelwelle zugeordnet sind, erhält der Turbolader einen Drehmomentstoß, der zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine führt. Ein Versatz der dritten und vierten Kurbelkröpfung von bis zu 15°, kann das Massenstromverhalten beim Abgasauslasstakt noch weiter optimieren.
Des Weiteren kann vorteilhafter Weise im Zylinderkopf eine variable Ventiltriebsvorrichtung vorgesehen sein. Auch ist es vorteilhaft, wenn im unteren Lastbereich eine Zylinderabschaltung des Zylinders, der mit der dritten oder vierten Kurbelkröpfung in Wirkverbindung steht, vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, die Vierzylinder-Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich auf einfachste Weise als reine Dreizylinder-Brennkraftmaschine mit drei gleich großen Hubräumen zu betreiben.
In diesem Zusammenhang kann es auch besonders vorteilhaft sein, wenn die variable Ventilvorrichtung ein Exzenterorgan aufweist, das zumindest in einer Stellung einen Nullhub zumindest der Einlassventile des abzuschaltenden Zylinders bewirkt. Es bleibt anzumerken, dass natürlich auch ein Exzenterorgan vorgesehen werden kann, das einen Nullhub der Auslassventile bewirkt.
Die Erfindung wird näher anhand der nachfolgenden Zeichnung erläutert. Hierbei zeigt:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle,
2 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kurbelwelle aus 1, und
3 ein Drehmoment-Drehzahldiagramm.
1 zeigt in schematischer Form eine perspektivische Ansicht einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine 2, die als Vierzylinder-Reihenmotor mit Viertakt-Verfahren betrieben wird. Die Vierzylinder-Brennkraftmaschine 2 weist im Wesentlichen ein Kurbelgehäuse 4 auf, in dem eine Kurbelwelle 6 an fünf Lagerstellen 8 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 6 ist über Pleuelstangen 10 mit Kolben 12, 14, 16, 18 verbunden, die in jeweiligen Zylindern 20, 22, 24, 26 auf bekannte Weise auf- und ab bewegbar sind. Die vier Zylinder 20, 22, 24, 26 sind in einem Zylindergehäuse 28 angeordnet. Das Zylindergehäuse wird durch einen Zylinderkopf 30 abgeschlossen, in dem nicht weiter dargestellte Einlass- und Auslassventile für die vier Zylinder 20, 22, 24, 26 auf bekannte Weise angeordnet sind. Schematisch sind noch zwei Nockenwellen 32, 34 dargestellt, die auf die Einlass- und Auslassventile einwirken.
Die Kurbelwelle 6 weist Kurbelkröpfungen 36, 38, 40, 42 auf, die auf bekannte Weise mit den Pleuelstangen 10 verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein unsymmetrischer Abstand der Kurbelkröpfungen zueinander besteht. Dies wird besonders deutlich aus der schematischen Ansicht in 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kurbelkröpfungen so angeordnet, dass die Kurbelkröpfung 36 mit der Kurbelkröpfung 42 um einen Winkel von α = 120° versetzt ist. Die Kurbelkröpfung 38 ist in Bezug auf die Kurbelkröpfung 40 um einen Winkel von β = 10° versetzt. Die Kurbelkröpfung 36 schließt mit der Kurbelkröpfung 38 einen Winkel von γ = 105° und die Kurbelkröpfung 42 mit der Kurbelkröpfung 40 ebenfalls einen Winkel von δ = 105° ein. Die Zündfolge in den Zylindern 20, 22, 24, 26, sei es durch Selbstzündung beim Dieselmotor oder durch Zündfunke beim Ottomotor, erfolgt entsprechend den Winkelabständen der Kurbelkröpfungen 36, 38, 40, 42. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, einen klassischen Vierzylinder-Motor hinsichtlich der Zündfolge und der damit verbundenen Auslassventilsteuerzeiten als Dreizylinder-Motor zu bertreiben. Dies bietet, wie eingangs dargestellt, große Vorteile hinsichtlich der Emissions- und Verbrauchsbegrenzung eines derartigen Motors.
3 zeigt nun ein Diagramm, in dem über der y-Achse das Drehmoment m und über die x-Achse die Drehzahl n dargestellt ist. In diesem Beispiel zeigt die obere Linie 44 den Betrieb der erfindungsgemäßen Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit allen vier betriebenen Zylindern. Um die Verbrauchswerte und damit die Emissionswerte noch weiter zu optimieren, ist es natürlich möglich, den Motor über den gesamten Drehzahlbereich als „echten” Dreizylinder-Motor zu betreiben. Dies ist durch die Linie 46 dargestellt. Steuerungstechnisch ist es nun natürlich, in bestimmten Situationen, den abgeschalteten vierten Zylinder als Boost hinzu zuschalten, um ein höheres Drehmoment zu erlangen. Es ist natürlich auch denkbar, in der Steuerung fest vorzusehen, dass in einem bestimmten Drehzahlbereich die Brennkraftmaschine mit vier Zylindern betrieben wird.

Claims

Kurbelwelle für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine (2) mit mindestens zwei Lagerstellen (8) und vier Kurbelkröpfungen (36, 38, 40, 42), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Kurbelkröpfung (36, 42) um einen Winkel von α = 120° zueinander versetzt sind und eine dritte und eine vierte Kurbelkröpfung (38, 40) um einen Winkel von β = 0° bis 15°, vorzugsweise um einen Winkel von 10°, zueinander versetzt sind, wobei die erste Kurbelkröpfung (36) zur dritten Kurbelkröpfung (38) um einen Winkel γ von 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind und die zweite Kurbelkröpfung (42) zur vierten Kurbelkröpfung (40) um einen Winkel δ = 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind.
Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse (4) und einer darin aufgenommenen Kurbelwelle (6) mit vier Kurbelkröpfungen (36, 38, 40, 42) sowie einem Zylindergehäuse (28) mit vier Zylindern (20, 22, 24, 26), wobei das Zylindergehäuse (28) mit einem Zylinderkopf (30) verbunden ist, in dem Einlass- und Auslassventile sowie mindestens eine Nockenwelle (32) für die Einlassventile und mindestens eine Nockenwelle (34) für die Auslassventile vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Kurbelkröpfung (36, 42) um einen Winkel von α = 120° zueinander versetzt sind und eine dritte und eine vierte Kurbelkröpfung (38, 40) um einen Winkel von β = 0° bis 15°, vorzugsweise um einen Winkel von 10°, zueinander versetzt sind, wobei die erste Kurbelkröpfung (36) zur dritten Kurbelkröpfung (38) um einen Winkel γ von 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind und die zweite Kurbelkröpfung (42) zur vierten Kurbelkröpfung (40) um einen Winkel δ = 105° bis 120°, vorzugsweise um einen Winkel von 115°, zueinander versetzt sind, wobei eine Zündfolge in den Zylindern (20, 22, 24, 26) entsprechend den Winkelabständen α, β, γ, δ der Kurbelkröpfungen (36, 38, 40, 42) vorgesehen ist.
Vierzylinder-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (30) eine variable Ventiltriebsvorrichtung vorgesehen ist.
Vierzylinder-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Lastbereich eine Zylinderabschaltung des Zylinders (22, 24), der mit der dritten oder vierten Kurbelkröpfung (38, 40) in Wirkverbindung steht, vorgesehen ist.
Vierzylinder-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Ventilvorrichtung ein Exzenterorgan ausweist, das zumindest in einer Stellung einen Nullhub zumindest der Einlassventile des abzuschaltenden Zylinders (22, 24) bewirkt.