DE102011100306A1

DE102011100306A1 - Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Reihenbauweise

Info

Publication number: DE102011100306A1
Application number: DE201110100306
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hofheinz Werner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Reihenbauweise, mit zwei in Längsrichtung (12) der Verbrennungskraftmaschine hintereinander angeordneten Zylindern (84), in welchen jeweils ein Kolben (28, 30) translatorisch relativ zu dem zugehörigen Zylinder verschiebbar aufgenommen ist, der über ein korrespondierendes Pleuel (26) gelenkig mit einer um eine Drehachse drehbaren Kurbelwelle (14) verbunden ist, mittels welcher translatorische Bewegungen der Kolben (28, 30) in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle (14) umwandelbar ist, und mit einem Ausgleichselement (38) mit wenigstens einer über ein korrespondierendes Ausgleichspleuel (44) mit der Kurbelwelle (14) gelenkig gekoppelten Ausgleichsmasse (42), welche über die Kurbelwelle (14) zumindest im Wesentlichen translatorisch relativ zur Drehachse der Kurbelwelle (14) bewegbar ist, wobei das Ausgleichselement (38) in Längsrichtung (12) vor beiden Zylindern (84) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Reihenbauweise, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die EP 1 473 451 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse, in welchem eine Kurbelwelle um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Der Verbrennungsmotor umfasst einen Kolben, welcher über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist. Es ist ein Ausgleichspleuel gelenkig mit der Kurbelwelle verbunden. Mit dem Ausgleichspleuel ist ein Gegengewicht gekoppelt. Es ist ein Hebelarm vorgesehen, welcher einerseits mit dem Gegengewicht und andererseits mit dem Kurbelgehäuse gelenkig verbunden ist und über welchen das Gegengewicht geführt wird.
Die DE 10 2009 016 442 A1 offenbart ein Rädertriebsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest zwei mittels eines Zahnrads einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Zahnrädern, über welche ein jeweils zugeordnetes Aggregat antreibbar ist. Dabei sind in das Rädertriebsystem lediglich Zahnräder mit zugeordneten Aggregaten und/oder Wellen integriert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Reihenbauweise, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit Zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Reihenbauweise, umfasst zwei in Längsrichtung der Verbrennungskraftmaschine hintereinander angeordnete Zylinder. In den Zylindern ist jeweils ein Kolben translatorisch relativ zu dem zugehörigen Zylinder verschiebbar aufgenommen. Der jeweilige Kolben ist über ein korrespondierendes Pleuel gelenkig mit einer um eine Drehachse drehbaren Kurbelwelle verbunden. Mittels der Kurbelwelle sind translatorische Bewegungen der Kolben in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umwandelbar.
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst ferner ein Ausgleichselement, welches wenigstens eine Ausgleichsmasse umfasst. Die Ausgleichsmasse ist über ein korrespondierendes Ausgleichspleuel mit der Kurbelwelle gelenkig verbunden. Die Ausgleichsmasse ist über die Kurbelwelle zumindest im Wesentlichen translatorisch relativ zur Drehachse der Kurbelwelle bewegbar und dient zum zumindest teilweisen Ausgleich von Massenkräften der Verbrennungskraftmaschine.
Erfindungsgemäß ist das Ausgleichselement in Längsrichtung der Verbrennungskraftmaschine vor den beiden Zylindern angeordnet. Durch das Ausgleichselement ist ein sogenannter Oszillationspulser dargestellt, dessen Ausgleichsmasse infolge der gelenkigen Kopplung mit der Kurbelwelle Auf- und Abbewegungen durchführt. So können freie Massekräfte insbesondere erster Ordnung bei der zweitzylindrischen erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise ausgeglichen werden. Dieser Massenausgleich ist bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine besonders bauraumgünstig dargestellt, so dass die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine einen nur sehr geringen Bauraumbedarf aufweist.
Durch die Anordnung des Ausgleichselements vor den beiden Zylindern bei der insbesondere umschlingungstriebfreien, insbesondere riementriebfreien, Verbrennungskraftmaschine ist kein zusätzliches Lager zur Lagerung der Kurbelwelle im Zylinderkurbelgehäuse von Nöten und vorgesehen, was insbesondere die Längserstreckung der Verbrennungskraftmaschine, d. h. die Erstreckung der Verbrennungskraftmaschine in Richtung der Drehachse der Kurbelwelle, gering hält. Ferner wird auch die Breite, d. h. die Erstreckung quer zur Längserstreckung, der Verbrennungskraftmaschine durch das Ausgleichselement nicht negativ beeinflusst. Insbesondere die Breite spielt für den Bauraumbedarf der Verbrennungskraftmaschine eine wichtige Rolle. Infolge der geringen Breite weist die Verbrennungskraftmaschine einen nur geringen Bauraumbedarf auf, was zur Losung und/oder Vermeidung von Package-Problemen, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie ein Motorraum eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, führt.
Insbesondere in hybridisierten Personenkraftwagen, speziell in sogenannten Range-Extendern, in denen der Verbrennungsmotor nur die Funktion eines Notstromaggregats bei leerer Batterie hat, trägt dieses Konzept entscheidend dazu bei, möglichst viel Bauraum zur Unterbringung der elektrischen Komponenten freizuhalten, da der an sich kurze Zweizylinder-Verbrennungsmotor dank fehlender seitlicher Ausgleichswellen auch äußerst schmal baut. Andererseits ist er durch seinen Vierzylinder-ähnlichen guten Massenausgleich wunschgemäß auch in der Lage, den Kraftwagen bei Bedarf in einer für die Insassen komfortablen Weise auch längere Strecken anzutreiben.
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst beispielsweise einen Zylinderkopf, dessen Ausgestaltung durch die entsprechende Anordnung des Ausgleichselements ebenso nicht oder nur sehr geringfügig beeinflusst wird. So kann der Zylinderkopf aus einem Baukasten mit mehrzylindrigen Derivaten, d. h. aus einer Zylinderkopffamilie, entstammen und für die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine sowie für anderweitige Bauformen, welche insbesondere von der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine abgeleitet werden können, verwendet werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine in Längsrichtung nach beiden Zylindern und auf einer dem Ausgleichselement abgewandten Seite angeordnete Triebeinrichtung zum Antreiben wenigstens einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle, und/oder eines Nebenaggregats der Verbrennungskraftmaschine. Die Triebeinrichtung umfasst dabei wenigstens ein um eine Drehachse drehbares und von der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine antreibbares Triebrad, in welches eine Unwucht zum wenigstens teilweisen Ausgleich von Massenkräften der Verbrennungskraftmaschine integriert ist. Dadurch ist ein den Oszillationspulser ergänzender Rotationspulser geschaffen, welcher baulängenneutral in die Triebeinrichtung integriert ist. Dies bedeutet, dass das Vorsehen des Rotationspulsers die Längserstreckung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine nicht unerwünschterweise erhöht. Dadurch weist die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine einen besonders geringen Bauraumbedarf auf bei gleichzeitiger Realisierung eines besonders vorteilhaften Ausgleichs freier Massenkräfte, insbesondere erster Ordnung.
Durch das Vorsehen des Oszillationspulsers und des Rotationspulsers ist es möglich, freie Massenkräfte erster Ordnung zumindest im Wesentlichen exakt symmetrisch in der Mitte der Verbrennungskraftmaschine auszugleichen. Es entstehen dabei zumindest im Wesentlichen keine resultierenden Momente. Daher weist die erfindungsgemäße zweizylindrische Verbrennungskraftmaschine zumindest im Wesentlichen eine ähnliche Laufruhe auf wie eine vierzylindrische Verbrennungskraftmaschine. Darüber hinaus weist die sehr laufruhige erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine einen nur geringen Kraftstoffverbrauch auf, da sie insbesondere aufgrund der lediglich zwei Zylinder mit den zwei korrespondierenden Kolben eine sehr geringe innere Reibung aufweist. Ferner kann die Anzahl von Lagerstellen zur Lagerung der Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden, was sich ebenso positiv auf die geringe innere Reibung auswirkt. Dies ermöglicht die Darstellung eines besonders geringen Kraftstoffverbrauchs, was mit geringen CO₂-Emissionen einhergeht. Die Verbrennungskraftmaschine stellt somit einen ultrakompakten Zweizylindermotor, insbesondere Reihenzweizylindermotor, mit optimalem Massenausgleich, sehr geringem Gewicht und sehr geringen Kosten dar bei gleichzeitiger Darstellung einer sehr hohen Laufruhe.
Durch Weglassen eines der beiden Zylinder ist ein vom Massenausgleich her vergleichbar guter Einzylindermotor baubar, dessen Komforteigenschaften wegen des dann doch sehr großen Zündabstandes von 720° Kurbelwinkel bei einem Viertaktmotor sehr eingeschränkt sind, da nur eine Zündung alle zwei Kurbelwellenumdrehungen erfolgt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. 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 Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs für eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern;
2 eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs für eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit zwei Zylindern, wobei der Kurbeltrieb gemäß 2 von dem Kurbeltrieb gemäß 1 abgeleitet ist;
3 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 2;
4 eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einem Zylinder, wobei der Kurbeltrieb gemäß 4 von dem Kurbeltrieb gemäß 3 abgeleitet ist;
5 eine schematische Rückansicht der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit dem Kurbeltrieb gemäß 3 auf eine Triebeinrichtung der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, welche für eine Motorenbaureihe aus Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen mit 1, 2, 3, 4 und 6 Zylindern verwendbar ist;
6 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht des Kurbeltriebs gemäß 3;
7 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 6;
8 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 3; und
9 eine schematische Heckansicht der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit dem Kurbeltrieb gemäß 3 mit einer alternativen Ausführungsform der Triebeinrichtung gemäß 5.
Die 1 zeigt einen Kurbeltrieb 10 für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, welche vier Zylinder aufweist. Die Zylinder werden dabei in Längserstreckungsrichtung der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß einem Richtungspfeil 12 von vorne nach hinten von 1 über 2 und 3 nach 4 durchnummeriert.
Der Kurbeltrieb umfasst eine Kurbelwelle 14, welche über Lager 16 an einem Kurbelgehäuse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine relativ zu dem Kurbelgehäuse um eine Drehachse drehbar gelagert ist.
Auf einer Frontseite 18 der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist die Kurbelwelle 14 mit einem Riementrieb gekoppelt. Mittels des Riementriebs sind Nockenwellen zur Betätigung von Gaswechselventilen der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine sowie Nebenaggregate wie beispielsweise eine Ölpumpe, eine Kühlwasserpumpe und/oder dergleichen antreibbar. Eine der Frontseite 18 abgewandte Heckseite 20 der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist ihre Abtriebsseite, über welche ein von der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bereitgestelltes Drehmoment über die Kurbelwelle 14 abgeführt und beispielsweise zu einem Getriebe geleitet wird. Dies ist durch einen Richtungspfeil 22 dargestellt.
Die Kurbelwelle 14 weist eine Mehrzahl von Hubzapfen 24 auf. An den Hubzapfen 24 sind jeweilige Pleuel 26 relativ zu den jeweiligen Hubzapfen 24 drehbar gelagert. Dadurch sind die Pleuel 26 gelenkig mit der Kurbelwelle 14 gekoppelt. Die einerseits mit den Hubzapfen 24 gelenkig gekoppelten Pleuel 26 sind andererseits mit jeweiligen Kolben 28, 30, 32, 34 gelenkig gekoppelt. Dazu sind jeweilige Kolbenbolzen 36 vorgesehen, welche in korrespondierenden Pleuelaugen der Pleuel 26 sowie in den jeweiligen Kolben 28, 30, 32, 34 aufgenommen sind.
Die jeweiligen Kolben 28, 30, 32, 34 sind dabei in jeweiligen Zylindern der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine relativ zu den Zylindern translatorisch bewegbar aufgenommen. Über die Kopplung der Kolben 28, 30, 32, 34 mit der Kurbelwelle 14 können translatorische Bewegungen der Kolben 28, 30, 32, 34 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 14 um ihre Drehachse umgewandelt werden.
Ausgehend von der Frontseite 18 in Längserstreckungsrichtung der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zur Heckseite 20 ist der Kolben 28 dem ersten Zylinder zugeordnet, weswegen der Kolben 28 als erster Kolben 28 bezeichnet wird. Dementsprechend ist der Kolben 30 dem zweiten Zylinder zugeordnet und wird als zweiter Kolben 30 bezeichnet. Analog dazu ist der Kolben 32 dem dritten Zylinder zugeordnet und wird als dritter Kolben 32 bezeichnet. Dementsprechend ist der Kolben 34 dem vierten Zylinder zugeordnet und wird als vierter Kolben 34 bezeichnet.
Wie der 1 zu entnehmen ist, sind die Kolben 28, 30, 32, 34 und damit die Zylinder in Längserstreckungsrichtung der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Richtungspfeil 12 hintereinander in Reihe angeordnet. Dementsprechend ist die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine in Reihenbauweise als Reihenvierzylindermotor ausgebildet.
Ausgehend von diesem Reihenvierzylindermotor kann ein entsprechender Reihenzweizylindermotor abgeleitet werden, von welchem wiederum ein Einzylindermotor abgeleitet werden kann. Dabei ist es bei dem Reihenzweizylindermotor und bei dem Einzylindermotor mit einfachsten Mitteln ermöglicht, für derartige Motoren äußerst kritische freie Massenkräfte, insbesondere erster Ordnung, bauraumgünstig und reibleistungsarm zumindest teilweise, insbesondere überwiegend und insbesondere vollständig, zu eliminieren.
Eine Ausführungsform des von dem Reihenvierzylindermotor abgeleiteten Reihenzweizylindermotors ist anhand der 2 erläutert. Die 2 zeigt ein Kurbeltrieb 10, welcher von dem Kurbeltrieb 10 gemäß 1 abgeleitet ist. Wie der 2 in Zusammenschau mit der 1 zu entnehmen ist, sind der erste Kolben 28 mit dem zugehörigen Pleuel 26 und der vierte Kolben 34 mit dem zugehörigen Pleuel 26 und dementsprechend der erste und der vierte Zylinder durch ein jeweiliges Ausgleichselement 38 und 40 ersetzt. Die Ausgleichselemente 38 und 40 umfassen eine jeweilige Ausgleichsmasse 42, welche über jeweilige Ausgleichspleuel 44 analog zu den Kolben 28 und 34 gelenkig mit der Kurbelwelle 14 gekoppelt sind. Infolge dieser gelenkigen Kopplung bewegen sich die Ausgleichsmassen 42 analog zu den Kolben 28 und 34 bei der Rotation der Kurbelwelle 14 relativ zur Drehachse der Kurbelwelle 14 auf und ab. Mit anderen Worten führen die Ausgleichsmassen 42 bei der Rotation der Kurbelwelle 14 ähnlich zu den Kolben 28 und 34 Auf- und Abbewegungen durch. Durch die Ausgleichselemente 38 und 40 sind jeweilige Oszillationspulser dargestellt, mittels welchen freie Massenkräfte erster Ordnung des Reihenzweizylindermotors zumindest teilweise eliminiert werden können.
Der Reihenzweizylindermotor mit dem Kurbeltrieb 10 gemäß 2 ist dabei als riementriebloser Motor ausgebildet, bei welchem das Ausgleichselement 38 auf der Frontseite 18 über dessen Ausgleichspleuel 44 fliegend an einem vorderen Ende der Kurbelwelle 14 gelagert ist.
Wie der 2 zu entnehmen ist, kann bei dem Kurbeltrieb 10 gemäß 2 gegenüber dem Kurbeltrieb 10 gemäß 1 ein Lager 16 eingespart werden, was die innere Reibung und damit die Reibleistung des Reihenzweizylindermotors gering hält.
Eine weitere Reduzierung der Reibleistung ist bei einer weiteren Ausführungsform des Reihenzweizylindermotors realisiert, welche anhand der 3 erläutert ist. Der anhand der 3 erläuterte Reihenzweizylindermotor ist ebenso von dem Reihenvierzylindermotor gemäß 1 abzuleiten. Die 3 zeigt dabei eine weitere Ausführungsform des Kurbeltriebs 10 gemäß 2. Auch der Kurbeltrieb 10 gemäß 3 umfasst das auf der Frontseite 18 angeordnete Ausgleichselement 38, durch welches ein Oszillationspulser zum zumindest teilweisen Ausgleichen von Massenkräften erster Ordnung dargestellt ist.
An Stelle des Ausgleichselements 40 umfasst der Kurbeltrieb 10 bzw. der zugehörige Reihenzweizylindermotor auf der Heckseite 20 einen Rotationspulser, der in einen Aggregate-/Steuertrieb 46 des Reihenzweizylindermotors Integriert ist. Der Aggregate-/Steuertrieb 46 umfasst dabei eine Rädertriebebene 48 mit einem Rädertrieb und eine Kettentriebebene 50 mit einem Kettentrieb. Der Rotationspulser ist dabei in den Rädertrieb der Rädertriebebene 48 integriert und anhand der 5 und 9 erläutert. Wie der 5 zu entnehmen ist, umfasst der Rädertrieb der Rädertriebebene 48 ein Zahnrad 52, welches mit der Kurbelwelle 14 des Kurbeltriebs 10 gemäß 3 drehfest verbunden ist. Des Weiteren umfasst der Rädertrieb ein Zahnrad 54, welches auf einer Welle einer Ölpumpe des Reihenzweizylindermotors befestigt ist. Der Rädertrieb umfasst ferner ein Zahnrad 56, welches auf einer Welle einer Kraftstoffpumpe befestigt ist. Auf dieser Welle der Kraftstoffpumpe ist ein weiteres Zahnrad 58 befestigt, mittels welchem eine Steuerkette 60 des Kettentriebs der Kettentriebebene 50 und mittels der Steuerkette 60 zwei Nockenwellen 62 und 64 zum Betätigen von Gaswechselventilen des Reihenzweizylindermotors angetrieben werden. Wobei die genannten Zahnräder auch separat im Motorgehäuse gelagert sein können und die korrespondierenden Nebenaggregate bzw. Pumpen mit Hilfe von Mitnehmern angetrieben werden können.
Der Rädertrieb umfasst ferner ein Zahnrad 66, das eine Wasserpumpe antreiben kann oder auch beispielsweise die mit gegenläufiger Kurbelwellendrehzahl rotierende Ausgleichswelle des dreizylindrigen Derivats einer mit einem solchen Steuertrieb ausgestatteten Reihenmotorenfamilie.
Wie der 5 zu entnehmen ist, stehen die Zahnräder 52 und 54, die Zahnräder 52 und 66 und die Zahnräder 54 und 56 über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff. So können die Zahnräder 52, 54, 56, 66 über die Kurbelwelle 14 angetrieben werden. Dementsprechend werden die Wellen, auf welchen die Zahnräder 54, 56, 66 angeordnet sind, angetrieben. Darüber können entsprechend die Ölpumpe und die Kraftstoffpumpe angetrieben werden. Über die Welle der Kraftstoffpumpe wird entsprechend auch das Zahnrad 58 angetrieben, welches über die Steuerkette 60 die Nockenwellen 62 und 64 antreiben. Dadurch ist der Reihenzweizylindermotor mit dem Kurbeltrieb 10 gemäß 3 als riementriebsloser Motor ausgebildet, insbesondere wenn er als Teil eines Hybridantriebs eingesetzt wird, bei dem Nebenaggregate für Lenkung und Klimatisierung elektrisch angetrieben werden können und der Generator meist in das Getriebe integriert oder daran angeflanscht ist.
Zum Ausgleich der freien Massenkräfte insbesondere erster Ordnung weisen die Zahnräder 52, 56 und 66 Unwuchten u₁, u₂ und u₃ auf. Durch diese sich mit den Zahnrädern 52, 56 und 66 mitdrehenden Unwuchten u₁, u₂ und u₃ ist der Rotationspulser dargestellt, welcher zusammen mit dem Oszillationspulser die freien Massenkräfte erster Ordnung eliminiert. Dies ist insbesondere bei Reihenzweizylindermotoren und Einzylindermotoren vorteilhaft. Durch axiales Aufpacken dieser Unwuchten u₁, u₂ und u₃ auf Zahnräder 52, 56 und 66 und/oder durch entsprechende Gestaltung unwuchtiger Zahnradnaben der Zahnräder 52, 56 und 66 kann eine besonders hohe Laufruhe der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine (Reihenzweizylindermotor) erreicht werden.
Wenn die Unwuchten u₁, und u₂ nicht symmetrisch angeordnet werden können, ergibt sich trotzdem eine resultierende Ausgleichskraft für die Massenkräfte erster Ordnung exakt in der Mittelebene der Verbrennungskraftmaschine, wenn gilt α₁ = α₂. In diesem Falle muss dann jedoch die dritte Unwucht u₃ auf die Kurbelwelle 14 gepackt werden, phasengleich zur kleineren der beiden Unwuchten u₁, u₂. Auch kann u₃ auf ein letztes Kurbelwellen-Gegengewicht oder eine Zweimassenschwungrad-Nabe gelegt werden. Durch eine leichte Versetzung auf eine Ebene, in der sich u₁, und u₂ befinden, heraus, wird nur eine vernachlässigbare Unsymmetrie in diesem Massenausgleich erzeugt. Die Größen der drei Unwuchten u₁, u₂ und u₃ ergeben sich durch Kräfte- und Momentengleichgewichte: u₁ + u₂ + u₃ = U_soll; u₁ + u₃ = u₂; u₁ × a = u₂ × b.
Dabei bezeichnen a und b Hebelarme, welche auf jeweiligen Geraden liegen, die jeweils durch die Mittelpunkte der Zahnräder 52 und 56 bzw. 52 und 66 verlaufen, wobei die Geraden mit einer vertikalen Hochachse der Verbrennungskraftmaschine, welche zumindest im Wesentlichen in der Mittelebene der Verbrennungskraftmaschine liegt, zumindest annähernd gleiche Winkel α₁ und α₂ einschließen. Mit anderen Worten sind die Winkel α₁ und α₂ zumindest annähernd gleich.
Die Kombination des Oszillationspulsers mit dem Rotationspulser ermöglicht somit die Eliminierung freier Massenkräfte erster Ordnung, wobei dieser Massenausgleich besonders bauraumschonend sowie kosten- und gewichtsgünstig realisiert ist. Mit anderen Worten weist der Reihenzweizylindermotor gemäß 3 einen besonders geringen Bauraumbedarf auf.
Dabei ist der Rotationspulser ohne weitere Bauteile in den Aggregate-/Steuertrieb 46 integriert alleine durch dessen vorteilhafte Ausgestaltung mit den Zahnrädern 52, 56 und 66 mit den integrierten Unwuchten u₁, u₂ und u₃. Auf bauraumintensive und insbesondere seitlich angeordnete Ausgleichswellen kann verzichtet werden.
Zum Ausgleich von Massenkräften zweiter Ordnung ist beim Rädertriebsystem der Rädertriebebene 48 der Antrieb eines Lanchester-Massenausgleich 68 vorgesehen, wobei eine Ausgleichswelle 70 direkt vom Zahnrad 56 der Ölpumpe und eine weitere Ausgleichswelle 72 des Lanchester-Massenausgleichs 68 vom Zahnrad 52 der Kurbelwelle 14 zumindest nahezu verlustfrei angetrieben wird. Dieser zusätzliche Massenausgleich wird vorzugsweise beim 4-zylindrigen Derivat einer Reihenmotorenfamilie, die mit einem solchen Steuertrieb ausgestattet ist, zum Einsatz kommen, kann jedoch auch beim Zweizylinder eingesetzt werden, um den Massenausgleich zu perfektionieren. Dabei ist jedoch abzuwägen, ob die verbrennungsseitige Laufunruhe des mit 360° Kurbelwinkelabstand zündenden 2-Zylinders, im Vergleich zum mit halbem Abstand zündenden und somit verbrennungsseitig ruhigeren Vierzylinder, die unausgeglichenen Massenkräfte zweiter Ordnung des Zweizylinders nicht dominiert, so dass auf diesen weiteren Ausgleich in Form des Lanchesterausgleichs beim Zweizylinder verzichtet werden kann.
Die Zahnräder 52, 54 und 56 des Rädertriebs bilden dabei einen Grundtrieb, von welchem ausgehend Rädertriebe und damit ein Baukastensystem für Verbrennungskraftmaschinen mit unterschiedlichen Zylinderzahlen gebildet werden kann zum Ausgleich von Massenkräften erster und/oder zweiter Ordnung. Dies ist anhand der 9 angedeutet. Der Rädertrieb, in welchem der Rotationspulser integriert sein kann, stellt somit ein Treibkonzept für einen Baukasten mit Ein-, Zwei-, Drei-, Vier- und Sechszylinderreihenmotoren dar, bei dem mit identischer Anordnung insbesondere der Zahnräder 52, 54 und 56 und gegebenenfalls des Zahnrads 66 über das Baukastensystem hinweg alle Belange hinsichtlich eines Ausgleichs von Massenkräften abgedeckt werden können, einschließlich der optimalen Integration des Antriebs der Taumelmomentenausgleichswelle, welche insbesondere vorteilhaft zum Massenausgleich für den Reihendreizylindermotor ist. Bei dem Reihendreizylindermotor kommt zum Antrieb der Taumelmomentenausgleichswelle das Zahnrad 66 zusätzlich zu den Zahnrädern 52, 54 und 56 des Grundtriebs zum Einsatz, welches gleichgroß ist wie das Zahnrad 52 auf der Kurbelwelle 14 und das Zahnrad 56 auf der Kraftstoffpumpenwelle. Insbesondere beim Vierzylinderreihenmotor kommen zum Antrieb der Ausgleichswellen 70 und 72 zur Darstellung eines optimalen Lanchester-Massenausgleichs 68 Zahnräder zum Einsatz, welche halb so groß sind wie die Zahnräder 52 und 56. Der Grundtrieb alleine kommt bei allen Baukastenmotoren vor, die keine Massenausgleichswellen benötigen, z. B. Ein-, Zwei- und Sechszylindermotor, optional auch bei einem Vierzylindermotor kleinen Hubraums, der ebenfalls auf einen Lanchestermassenausgleich verzichten kann.
Anhand der 5 ist ersichtlich, dass der Rädertrieb der Rädertriebebene 48 einer Ebene des Kurbelgehäuses, welches beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet ist, zugeordnet ist. Das Zylinderkurbelgehäuse weist somit einen abtriebsseitig integrierten Zahnradaggregateantrieb durch den Rädertrieb auf.
Einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine, welcher mit dem Kurbelgehäuse, insbesondere dem Zylinderkurbelgehäuse, verbunden und mittels einer schematisch dargestellten Zylinderkopfdichtung 74 abgedichtet ist, ist der Kettentrieb zugeordnet, durch welchen einen Steuertrieb gebildet ist. Der somit als Kettentrieb ausgebildete Steuertrieb dient zur Toleranzüberbrückung der Zylinderkopfdichtung 74.
Anhand der 4 ist ein Einzylindermotor erläutert, welcher beispielsweise Bestandteil von dem geschilderten Baukastensystem mit den Ein-, Zwei-, Drei-, Vier- und Sechszylinderreihenmotoren sein kann. Der Einzylindermotor umfasst dabei einen in der 4 schematisch gezeigten Kurbeltrieb 10, welcher von einem Kurbeltrieb 10 gemäß 3 abgeleitet ist.
Anhand der 6 bis 8 ist das Ausgleichselement 38 der Kurbeltriebe 10 gemäß den 3 und 4 sowie entsprechende Ausführungsformen erläutert, was auch auf das Ausgleichselement 40 des Kurbeltriebs 10 gemäß 2 zutreffen kann.
Des Ausgleichspleuel 44 weist gegenüber den Pleuel 26 zum Koppeln der Kolben 28, 30, 32 und 34 ein geringeres Gewicht auf. Ferner ist der dem Ausgleichselement 38 zugeordnete Hubzapfen 24 leichter und/oder weist einen geringeren Durchmesser auf als die übrigen Hubzapfen 24 der Kurbelwelle 14.
Die Ausgleichsmasse 42 ist dabei beispielsweise über einen Bolzen 76 mit dem Ausgleichspleuel 44 gekoppelt. Die Ausgleichsmasse 42 kann dabei zumindest im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Ausgleichsmasse 42 über das Ausgleichspleuel 44 am freien vorderen Ende auf Seiten der Frontseite 18 der Kurbelwelle 14 gelagert, was nur bei einem riementriebfreien Motor möglich ist. Dadurch ist eine fliegende Lagerung des Ausgleichselements 38 geschaffen, wodurch kein zusätzliches Lager 16 für die Kurbelwelle 14 vonnöten ist. Ferner ist ein geringerer Zapfenradius möglich, was die Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine gering hält.
In der 7 ist das Zylinderkurbelgehäuse ausschnittsweise dargestellt und mit 78 bezeichnet. Durch das Zylinderkurbelgehäuse 78 ist eine Aufnahme 80 mit wenigstens zwei gegenüberliegend angeordneten Flächen 82 gebildet, entlang welchen die Ausgleichsmasse 42 geführt bewegbar ist. So kann die Ausgleichsmasse 42 die geschilderten Auf- und Abbewegungen bei der Rotation der Kurbelwelle 14 relativ zur Drehachse dieser definiert geführt durchführen. Dieses Prinzip ist dabei analog zu der in den Zylindern geführten Aufnahme der Kolben 28, 30, 32 und 34.
Ebenso möglich ist es, die Ausgleichsmasse 42 wie einen der Kolben 28, 30, 32 und 34, jedoch kleiner hinsichtlich seiner Dimensionen, folglich mit einem Werkstoff höherer Dichte, auszugestalten und in einer Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses 78 relativ zu dieser verschiebbar geführt anzuordnen. Dadurch kann die Ausgleichsmasse 42 in der als Zylinderbohrung ausgebildeten Aufnahme 80 gleiten.
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Ausgleichsmasse 42 durch einen Querhebel geführt wird, welcher einerseits gelenkig, insbesondere um eine Drehachse relativ zu dem Zylinderkurbelgehäuse drehbar, mit dem Zylinderkurbelgehäuse gekoppelt und andererseits gelenkig, insbesondere um eine Drehachse relativ zur Ausgleichsmasse 42 drehbar, mit der Ausgleichsmasse 42 gekoppelt ist. Die Führung der Ausgleichsmasse 42 durch den Querhebel birgt den Vorteil, dass dadurch keine Gleitflächen zur Führung der Ausgleichsmasse 42 vonnöten sind. Dies hält die Reibung und damit die Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine gering.
Die 8 zeigt die Aufnahme 80, welche auch als Oszillatorbohrung bezeichnet wird. Die Aufnahme 80 gemäß 8 weist dabei abgerundete Ecken auf. Ebenso möglich ist es, die Aufnahme 80 zumindest im Wesentlichen kreisrund auszugestalten. In der 8 ist auch der erste Zylinder des Zweizylinderreihenmotors gemäß 3 erkennbar, wobei der erste Zylinder mit 84 bezeichnet ist.
Bezugszeichenliste

10: Kurbeltrieb
12: Richtungspfeil
14: Kurbelwelle
16: Lager
18: Frontseite
20: Heckseite
22: Richtungspfeil
24: Hubzapfen
26: Pleuel
28: Kolben
30: Kolben
32: Kolben
34: Kolben
36: Kolbenbolzen
38: Ausgleichselement
40: Ausgleichselement
42: Ausgleichsmasse
44: Ausgleichspleuel
46: Aggregate-/Steuertrieb
48: Rädertriebebene
50: Kettentriebebene
52: Zahnrad
54: Zahnrad
56: Zahnrad
58: Zahnrad
60: Steuerkette
62: Nockenwelle
64: Nockenwelle
66: Zahnrad
68: Lanchester-Massenausgleich
70: Ausgleichswelle
72: Ausgleichswelle
74: Zylinderkopfdichtung
76: Bolzen
78: Zylinderkurbelgehäuse
80: Aufnahme
82: Fläche
84: erster Zylinder
α₁: Winkel
α₂: Winkel
a: Hebelarm
b: Hebelarm
u₁: Unwucht
u₂: Unwucht
u₃: Unwucht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1473451 A1 [0002]
DE 102009016442 A1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Reihenbauweise, mit zwei in Längsrichtung (12) der Verbrennungskraftmaschine hintereinander angeordneten Zylindern (84), in welchen jeweils ein Kolben (28, 30) translatorisch relativ zu dem zugehörigen Zylinder verschiebbar aufgenommen ist, der über ein korrespondierendes Pleuel (26) gelenkig mit einer um eine Drehachse drehbaren Kurbelwelle (14) verbunden ist, mittels welcher translatorische Bewegungen der Kolben (28, 30) in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle (14) umwandelbar ist, und mit einem Ausgleichselement (38) mit wenigstens einer über ein korrespondierendes Ausgleichspleuel (44) mit der Kurbelwelle (14) gelenkig gekoppelten Ausgleichsmasse (42), welche über die Kurbelwelle (14) zumindest im Wesentlichen translatorisch relativ zur Drehachse der Kurbelwelle (14) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (38) in Längsrichtung (12) vor beiden Zylindern (84) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichspleuel (44) an einem freien Ende fliegend an der Kurbelwelle (14) gelagert ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmasse (42) mittels eines Führungselements (80) entlang einer Bewegungsbahn zumindest im Wesentlichen translatorisch relativ zur Drehachse bewegbar geführt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (80) eine Aufnahme (80) aufweist, in welcher die Ausgleichsmasse (42) geführt bewegbar aufgenommen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (80) einen sich zumindest im Wesentlichen quer zur Kurbelwelle (14) erstreckenden Querhebel umfasst, mit welchem das Ausgleichspleuel (44) und/oder die Ausgleichsmasse (42) gelenkig gekoppelt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine eine in Längsrichtung (12) nach beiden Zylindern (84) und auf einer dem Ausgleichselement (38) abgewandten Seite (20) angeordnete Triebeinrichtung (46) zum Antreiben wenigstens einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle (62, 64), und/oder eines Nebenaggregats der Verbrennungskraftmaschine umfasst, wobei die Triebeinrichtung (46) wenigstens ein um eine Drehachse drehbares und von der Kurbelwelle (12) antreibbares Triebrad (52, 54, 56, 58, 66) umfasst, in welches eine Unwucht (u₁, u₂, u₃) zum wenigstens teilweisen Ausgleich von Massenkräften der Verbrennungskraftmaschine integriert ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebeinrichtung (46) wenigstens ein zweites Triebrad (52, 54, 56, 58, 66) umfasst, welches von der Kurbelwelle (14) antreibbar ist und in welches eine zweite Unwucht (u₁, u₂, u₃) zum wenigstens teilweisen Ausgleichen von Massenkräften der Verbrennungskraftmaschine integriert ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebeinrichtung (46) wenigstens ein drittes Triebrad (52, 54, 56, 58, 66) umfasst, welches von der Kurbelwelle (14) antreibbar ist und in welches eine dritte Unwucht (u₁, u₂, u₃) zum wenigstens teilweisen Ausgleichen von Massenkräften der Verbrennungskraftmaschine integriert ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Triebrad (52, 54, 56, 58, 66) mit einer Welle einer Kraftstoffpumpe der Verbrennungskraftmaschine, das zweite Triebrad (52, 54, 56, 58, 66) mit einer Ausgleichswelle der Verbrennungskraftmaschine und das dritte Triebrad (52, 54, 56, 58, 66) mit der Kurbelwelle (14) drehfest verbunden ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebeinrichtung (46) als Rädertriebeinrichtung ausgebildet ist, wobei die Triebräder (52, 54, 56, 58, 66) über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff stehen und über die Kurbelwelle (14) antreibbar sind.