DE102011103685A1 - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine bestehend aus mehreren Teileinheiten mit jeweils parallel zueinander angeordneten Kurbelwellenteilen, an denen jeweils zumindest ein Kolben mittels eines Pleuels auf einer Kröpfung des Kurbelwellenteils aufgenommen ist, wobei eine erste Teileinheit während des Betriebs der Brennkraftmaschine permanent betrieben und zumindest eine zweite Teileinheit abschaltbar ist. Um die Kurbelwellenteile der Teileinheiten spielfrei miteinander koppeln und eine Abkoppelung unter Verzicht auf zwischen den Kurbelwellenteilen angeordneten Kupplungen durchführen zu können, sind die Kurbelwellenteile mittels einer ersten Pleuelstange und einer mittels Anlenkhebeln um einen vorgegebenen Winkel um deren Drehachsen versetzt zur ersten angeordneten zweiten Pleuelstange, die auf jeweils einem Hubzapfen der Kurbelwellenteile verdrehbar aufgenommen sind, miteinander zwangsgekoppelt und die Teileinheiten voneinander durch Verlagerung eines Hubzapfens koaxial zu einer Drehachse des diesem Hubzapfen zugeordneten Kurbelwellenteils drehentkoppelbar vorgesehen.The invention relates to an internal combustion engine consisting of several sub-units, each with crankshaft parts arranged parallel to one another, on each of which at least one piston is accommodated by means of a connecting rod on a crank of the crankshaft part, a first sub-unit being operated permanently during operation of the internal combustion engine and at least one second sub-unit being switched off is. In order to be able to couple the crankshaft parts of the sub-units with one another without play and to be able to decouple them without the need for clutches arranged between the crankshaft parts, the crankshaft parts are offset by means of a first connecting rod and one by means of linkage levers by a predetermined angle about their axes of rotation to the first, second connecting rod, which is on each crank pin of the crankshaft parts are rotatably received, forcibly coupled to one another and the sub-units are provided rotatably decoupled from one another by shifting a crank pin coaxially to an axis of rotation of the crankshaft part assigned to this crank pin.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine bestehend aus mehreren Teileinheiten mit jeweils parallel zueinander angeordneten Kurbelwellenteilen, an denen jeweils zumindest ein Kolben mittels eines Pleuels auf einer Kröpfung des Kurbelwellenteils aufgenommen ist, wobei eine erste Teileinheit während des Betriebs der Brennkraftmaschine permanent betrieben und zumindest eine zweite Teileinheit abschaltbar ist.The invention relates to an internal combustion engine comprising a plurality of subunits each having crankshaft parts arranged parallel to one another, on each of which at least one piston is received on a crank of the crankshaft part by means of a connecting rod, a first subunit being permanently operated during operation of the internal combustion engine and at least one second subunit being able to be switched off is.
Brennkraftmaschinen setzen chemisch durch Verbrennung von im Treibstoff gespeicherte Energie in kinetische Energie um, indem in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine an einer Kurbelwelse mittels Pleueln aufgenommene Kolben nach dem Zwei- oder Viertaktprinzip unter Verdrehung der Kurbelwelle in den Zylindern auf- und ab bewegt werden. Insbesondere in Kraftfahrzeugen müssen Brennkraftmaschinen einen breiten Leistungsbereich aufweisen, um die Leistungsanforderungen verschiedener Betriebsarten wie Fahrten in der Stadt, Überland- und Autobahnfahrten abdecken zu können. Dabei sind die meisten Brennkraftmaschinen für eine durchschnittliche Leistungsanforderung überdimensioniert und werden daher bei einem verschlechterten Wirkungsrad betrieben, der einen erhöhten Treibstoffbedarf zur Folge hat. Um den Wirkungsgrad im Teillastbereich zu verbessern, wird vorgeschlagen, einzelne Zylinder der Brennkraftmaschine abzuschalten, das heißt, nicht zu befeuern, indem keine Treibstoffzuführung in diese Zylinder erfolgt und die Ventile zur Steuerung des Gaswechsels geöffnet werden. In derartigen Ausführungsformen müssen die Pleuel und Kolben der abgeschalteten Zylinder unter entsprechendem Energieaufwand Weiterbetrieben werden, so dass der Wirkungsgrad derartiger Brennkraftmaschinen noch verbessert werden kann.Internal combustion engines chemically convert into kinetic energy by combustion of energy stored in the fuel by reciprocating pistons, which are received in a reciprocating internal combustion engine on a crankshaft by means of connecting rods, up and down in accordance with the two- or four-stroke principle while rotating the crankshaft in the cylinders. In particular, in motor vehicles, internal combustion engines must have a wide power range to cover the power requirements of various modes such as city driving, overland and highway driving. Most internal combustion engines are oversized for an average power requirement and are therefore operated at a degraded rate of effect resulting in increased fuel demand. In order to improve the efficiency in the partial load range, it is proposed to disable individual cylinders of the internal combustion engine, that is, not to fuel by no fuel supply into these cylinders and the valves are opened to control the gas exchange. In such embodiments, the connecting rods and pistons of the deactivated cylinders must continue to be operated with a corresponding expenditure of energy, so that the efficiency of such internal combustion engines can be improved even further.
Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads ist aus der
Aus der nicht vorveröffentlichten
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine aus mehreren Teileinheiten mit parallel angeordneten Kurbelwellenteilen bestehende Brennkraftmaschine vorzuschlagen, in der unter Verzicht auf die Verwendung von Reibungskupplungen eine Verbindung zwischen den Kurbelwellenteilen vorgesehen ist, die eine Abschaltung zumindest einer Teileinheit ermöglicht.The object of the invention is therefore to propose an existing of several subunits with parallel crankshaft parts internal combustion engine in which waiving the use of friction clutches a connection between the crankshaft parts is provided, which allows a shutdown of at least one subunit.
Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine bestehend aus mehreren Teileinheiten mit jeweils parallel zueinander angeordneten Kurbelwellenteilen, an denen jeweils zumindest ein Kolben mittels eines Pleuels auf einer Kröpfung des Kurbelwellenteils aufgenommen ist, gelöst, wobei eine erste Teileinheit während des Betriebs der Brennkraftmaschine permanent betrieben und zumindest eine zweite Teileinheit abschaltbar ist, die Kurbelwellenteile mittels einer ersten Pleuelstange und einer mittels Anlenkhebeln um einen vorgegebenen Winkel um deren Drehachsen versetzt zur ersten angeordneten zweiten Pleuelstange, die auf jeweils einem Hubzapfen der Kurbelwellenteile verdrehbar aufgenommen sind, miteinander zwangsgekoppelt sind und die Teileinheiten voneinander durch Verlagerung eines Hubzapfens koaxial zu einer Drehachse des diesem Hubzapfen zugeordneten Kurbelwellenteils drehentkoppelbar sind.The object is achieved by an internal combustion engine comprising a plurality of subunits each having crankshaft parts arranged parallel to one another, on each of which at least one piston is received on a crank of the crankshaft part by means of a connecting rod, a first subunit being permanently operated during operation of the internal combustion engine and at least one second subunit is switched off, the crankshaft parts by means of a first connecting rod and by means of articulation levers about a predetermined angle about the axes of rotation offset from the first arranged second connecting rod, which are rotatably received on a respective crank pin of the crankshaft parts, forcibly coupled together and the subunits from each other by shifting a Hubzapfens coaxial with a rotational axis of the crank pin associated with this crankshaft part are dreautkoppelbar.
Die bezüglich ihrer Kurbelwellenteile parallel angeordneten Teileinheiten können eine reihen- oder V-förmige Anordnung der Zylinder aufweisen. Bei einer Anordnung der Zylinder in V-Form können zwei Pleuel auf einer Kröpfung der Kurbelwellenteile vorgesehen sein. Die Brennkraftmaschine kann nach dem Diesel- oder Otto-Prinzip ausgebildet sein und über mittels Nockenwellen oder einzeln gesteuerte Ventile zum Gasaustausch verfügen. Pro Teileinheit können zwei bis sechs Zylinder vorgesehen sein. The partial units arranged in parallel with respect to their crankshaft parts may have a row or V-shaped arrangement of the cylinders. In an arrangement of the cylinder in V-shape, two connecting rods may be provided on a crank of the crankshaft parts. The internal combustion engine may be designed according to the diesel or petrol principle and have gas exchange via camshafts or individually controlled valves. Each subunit can have two to six cylinders.
Durch die Koppelung der Kurbelwellenteile mittels zweier Pleuelstangen wird beispielsweise gegenüber der Verwendung von Zahnrädern oder Ketten ein besonders geringes Umfangsspiel zwischen den Kurbelwellenteilen erzielt. Um den Totpunkt und einer bezüglich der Drehrichtung unbestimmten Position bei lediglich einer zwischen den Kurbelwellenteilen vorgesehenen Pleuelstange bei in Linie zu den Drehachsen angeordneten Hubzapfen wird die zweite Pleuelstange bezogen auf die Drehachse der Kurbelwellenteile winkelversetzt angeordnet, die bei der genannten Position der ersten Pleuelstange die Drehrichtung und Drehmomentübertragung fortsetzt. Hierbei kann ein Winkelversatz größer 0° vorgesehen werden. Es hat sich allerdings wegen des vorteilhaften Krafthebels als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pleuelstangen in Umfangsrichtung um die Drehachsen um 90° versetzt sind. Dabei greifen die Anlenkhebel der zweiten Pleuelstange einerseits an den Hubzapfen der Kurbelwellenteile und andererseits jeweils an einem Ende der Pleuelstange verdrehbar an. Die Länge der Anlenkhebel bestimmt dabei den Winkelversatz der beiden Pleuelstangen gegeneinander.By coupling the crankshaft parts by means of two connecting rods, for example, compared to the use of gears or chains a particularly small circumferential clearance between the crankshaft parts is achieved. To the dead center and a position indeterminate with respect to the direction of rotation with only one connecting rod provided between the crankshaft connecting rods arranged in line with the axes of rotation crank pin, the second connecting rod is arranged angularly offset with respect to the axis of rotation of the crankshaft parts, at the said position of the first connecting rod, the direction of rotation and Torque transmission continues. In this case, an angle offset greater than 0 ° can be provided. However, it has proved to be advantageous because of the advantageous power lever, when the connecting rods are offset in the circumferential direction about the axes of rotation by 90 °. In this case, engage the lever of the second connecting rod on the one hand to the crank pin of the crankshaft parts and on the other hand in each case rotatably at one end of the connecting rod. The length of the linkage determines the angular offset of the two connecting rods against each other.
Zur Abkoppelung beziehungsweise Abschaltung einer Teileinheit wird dabei der verlagerbare Hubzapfen eines Kurbelwellenteils in koaxiale Position dessen Drehachse gebracht, so dass der Hubzapfen keinen Drehantrieb der Pleuelstangen ausübt und damit die beiden durch die Pleuelstangen zwangsgekoppelten Teileinheiten voneinander abgekoppelt werden. Es kann daher eine Teileinheit Weiterbetrieben werden, während die andere abgeschaltet wird. Zur Vermeidung einer Verzwängung der Pleuelstangen werden diese während einer Verlagerung des Hubzapfens auf einem konstanten effektiven Achsabstand geführt. Dies bedeutet, dass eine Verlagerung des Hubzapfens auf einer um die Drehachse des anderen Kurbelwellenteils gezogenen Kreisbahn erfolgt. Der auf dem einen Kurbelwellenteil angeordnete verlagerbare Hubzapfen wird also nicht linear von seiner dem Hub des Hubzapfens des anderen Kurbelwellenteils während des Betriebs beider Teileinheiten entsprechenden Hubposition in die Position der Drehachse des Kurbelwellenteils verlagert sondern auf einer Kreisbahn um die Drehachse des anderen Kurbelwellenteils auf diese Weise bleibt der effektive Achsabstand während einer Verlagerung des Hubzapfens erhalten und es kann ein Abschalten einer Teileinheit kontinuierlich bei laufender Brennkraftmaschine erfolgen.To decouple or shutdown of a subunit of the movable crankpin of a crankshaft part is brought in a coaxial position whose axis of rotation, so that the crank pin does not rotate the connecting rods and thus the two forcibly coupled by the connecting rods subunits are decoupled from each other. Therefore, one subunit can be continued while the other is shut down. To avoid a Verzwängung the connecting rods they are guided during a displacement of the crank pin at a constant effective center distance. This means that a displacement of the crank pin takes place on a drawn around the axis of rotation of the other crankshaft part circular path. The displaceable crankpin arranged on one crankshaft part is therefore not displaced linearly from its stroke position corresponding to the stroke of the crankpin of the other crankshaft part during the operation of both subunits to the position of the rotational axis of the crankshaft part but remains in this way on a circular path about the rotational axis of the other crankshaft part the effective center distance obtained during a displacement of the crank pin and it can be done a shutdown of a subunit continuously while the internal combustion engine.
Gemäß dem erfinderischen Gedanken erfolgt die Verlagerung des verlagerbaren Hubzapfens mittels einer Linearführung, bei der ein Führungsteil fest an dem Kurbelwellenteil und ein Gleitschieber, der den Hubzapfen enthält, linear verlagerbar in dem Führungsteil aufgenommen ist. Zur Ausnutzung der Corioliskraft beim Ankoppeln der abgekoppelten Teileinheit kann der Gleitschieber bei abgeschalteter Teileinheit einen Schwerpunkt außerhalb der Drehachse deren Kurbelwellenteils aufweisen. Hierzu kann der Gleitschieber an dem dem Hubzapfen gegenüberliegenden Ende eine Zusatzmasse aufweisen. Während einer Rückverlagerung des Hubzapfens aus der Position der Drehachse in die beabstandete Position erfährt hierbei die radial außen liegende Zusatzmasse des Gleitschiebers infolge der einsetzenden Drehbewegung der Linearführung eine Drehbeschleunigung im Sinne einer Pirouette, so dass diese aus dem sich verringernden Radius des Masseteils gebildete Moment der Hubzapfenverlagerung zunutze kommt und die Verlagerungskraft wie Aktorkraft verringert wird.According to the inventive concept, the displacement of the displaceable crank pin takes place by means of a linear guide, in which a guide member is fixedly received on the crankshaft part and a slide, which contains the crankpin, linearly displaceable in the guide member. To utilize the Coriolis force when coupling the decoupled subunit of the slide can have switched off subunit a focus outside the axis of rotation of the crankshaft part. For this purpose, the slide can have an additional mass at the end opposite the crank pin. During a return displacement of the crank pin from the position of the axis of rotation in the spaced position in this case learns the radially outer additional mass of the slider as a result of the onset of rotation of the linear guide a spin in the sense of a pirouette, so that this formed from the decreasing radius of the mass part torque of Hubzapfenverlagerung benefits and relocating power such as actuator power is reduced.
Die Verlagerung des Hubzapfens in der Linearführung erfolgt längs einer Kreisbahn. Hierzu kann die Verlagerung des Hubzapfens mittels eines verdrehbar an einem Gelenk zwischen einem Anlenkhebel und der zweiten Pleuelstange verdrehbar aufgenommenen Schwenkhebels vorgesehen sein. Eine kreisbogenförmige Anlenkung des Gelenks durch den Schwenkhebel verursacht eine entsprechende Ausrichtung des um einen sich entlang der Kreisbahn verlagernden Drehpunkt drehenden Gelenks. Durch diese Ausrichtung des Gelenks auf die Kreisbahn um die Drehachse des anderen Kurbelwellenteils wird durch die ansonsten festgelegte Bewegungskinematik der beiden Pleuelstangen, Anlenkhebel und Hubzapfen der verlagerbare Hubzapfen durch Verlagerung des Gleitschiebers im Führungsteil verlagert.The displacement of the crank pin in the linear guide takes place along a circular path. For this purpose, the displacement of the crank pin can be provided by means of a rotatably received at a joint between an articulation lever and the second connecting rod rotatably received pivot lever. An arcuate articulation of the joint by the pivot lever causes a corresponding orientation of the pivoting around the circular path rotating pivot joint. As a result of this orientation of the joint on the circular path about the axis of rotation of the other crankshaft part, the displaceable crank pin is displaced by displacement of the sliding slide in the guide part due to the otherwise defined movement kinematics of the two connecting rods, articulation levers and crank pins.
In vorteilhafter Weise wird der verlagerbare Hubzapfen mittels eines Aktors, beispielsweise eines elektrischen oder hydraulischen Aktors verlagert. Hierbei kann der Schwenkhebel zur Ausführung einer Drehbewegung entlang der Kreisbahn in einer Führungskulisse geführt werden. Die Führungskulisse kann in ein Gehäuse integriert oder an diesem befestigt sein. Alternativ kann in dem Gehäuse ein Drehlager integriert oder an diesem befestigt sein, das koaxial zu der Drehachse des den nicht verlagerbaren Hubzapfen aufweisenden Kurbelwellenteils angeordnet ist. An dem Drehlager ist der Schwenkarm verdrehbar angeordnet und wird von dem Aktor in der vorgegebenen Kreisbahn angetrieben.Advantageously, the displaceable crank pin is displaced by means of an actuator, for example an electric or hydraulic actuator. Here, the pivot lever can be performed to perform a rotational movement along the circular path in a guide slot. The guide slot can be integrated into a housing or attached to this. Alternatively, a rotary bearing can be integrated in or attached to the housing, which is arranged coaxially to the axis of rotation of the non-displaceable crank pin having crankshaft part. At the pivot bearing of the pivot arm is rotatably arranged and is driven by the actuator in the predetermined circular path.
Um während einer Abschaltung einer Teileinheit eine Bewegung der Pleuelstangen zu vermeiden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der verlagerbare Hubzapfen der ersten Teileinheit zugeordnet ist. Da der verlagerbare Hubzapfen in diesem Fall der permanent betriebenen Teileinheit zugeordnet ist und zur Abschaltung der anderen Teileinheit(en) koaxial zur Drehachse dessen Kurbelwellenteils verlagert wird, wird auf die Pleuelstangen kein Moment mehr übertragen und diese stehen ebenfalls still. Soll in einem hierzu alternativen Ausführungsbeispiel eine Beschleunigung der Massen der Pleuelstangen vermieden werden, können diese permanent bei abgeschalteter oder abgeschalteten Teileinheit(en) angetrieben werden. Hierzu ist der verlagerbare Hubzapfen an der abschaltbaren Teileinheit angeordnet, so dass bei einer koaxialen Ausrichtung des Hubzapfens auf die Drehachse des Kurbelwellenteils der abschaltbaren Teileinheit eine Drehmomentübertragung an diesem Ort unterbunden wird, während die Pleuelstangen durch den Hubzapfen des Kurbelwellenteils der permanent laufenden Teileinheit angetrieben bleiben.To avoid movement of the connecting rods during shutdown of a subunit, It has proven to be advantageous if the displaceable crank pin is assigned to the first subunit. Since the displaceable crank pin is assigned to the permanently operated subunit in this case and is shifted coaxially to the axis of rotation of the crankshaft part for switching off the other subunit (s), no moment is transmitted to the connecting rods and these are also stationary. If an acceleration of the masses of the connecting rods is to be avoided in an alternative embodiment for this purpose, they can be permanently driven when the subunit (s) are switched off or switched off. For this purpose, the displaceable crank pin is arranged on the turn-off subunit, so that in a coaxial alignment of the crank pin on the axis of rotation of the crank shaft part of the turn-off subunit torque transmission is inhibited at this location, while the connecting rods remain driven by the crankpin of the crankshaft part of the permanently running subunit.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Abschaltvorgänge einer oder mehrerer Teileinheiten in umgekehrter Weise auch für die Zuschaltvorgänge gelten, indem der verlagerbare Hubzapfen aus seiner koaxialen Position zu der Drehachse des zugeordneten Kurbelwellenteils in die Hubposition entsprechend dem Hub des anderen, fest an dessen Kurbelwellenteil angeordneten Hubzapfens verlagert wird.It is understood that the described shutdown of one or more sub-units apply in the reverse manner for the Zuschaltvorgänge by the displaceable crank pin from its coaxial position to the axis of rotation of the associated crankshaft part in the stroke position corresponding to the stroke of the other, fixedly arranged on the crankshaft part of the crank pin is relocated.
Die Pleuelstangen können einteilig ausgebildet sein, indem deren Augen auf einem axial geteilten Kurbelwellenteil beziehungsweise zumindest axial geteilten Hubzapfen angeordnet sind. Alternativ können geteilte Pleuelstangen vorgesehen sein, die an einem oder beiden Augen geteilt wie gecrackt sind, so dass diese auf einem einteiligen Kurbelwellenteil beziehungsweise dessen Hubzapfen montiert werden können.The connecting rods may be integrally formed by their eyes are arranged on an axially split crankshaft part or at least axially split crank pin. Alternatively, split connecting rods may be provided which are split at one or both eyes as cracked so that they can be mounted on a one-piece crankshaft part or its crank pin.
Für die meisten Anwendungsfälle sind Brennkraftmaschinen mit zwei Teileinheiten ausreichend, bei denen eine Teileinheit einen verlagerbaren Hubzapfen aufweist, so dass eine Teileinheit im Energiesparmodus abschaltbar ist. Insbesondere bei Ausführungsbeispielen mit vielen Zylindern kann es vorteilhaft sein, mehrere Teileinheiten vorzusehen, von denen eine oder mehrere abschaltbar sind oder eine oder mehrere Teileinheiten permanent betrieben werden. Beispielsweise kann eine von drei Teileinheiten permanent betrieben sein, wobei diese einen verlagerbaren Hubzapfen aufweiset, an dem jeweils ein Pendelstangenpaar für die beabstandet zu dieser angeordneten Teileinheiten verdrehbar aufgenommen sind. Zusätzlich kann entsprechend der
Die Erfindung wird anhand des in den
Die
Die beiden Kurbelwellenteile
Um die beiden Teileinheiten
Sollen die beiden Teileinheiten
Die Verlagerung des Hubzapfens
Die Verlagerung des Hubzapfens
Zur Vermeidung einer Verzwängung der Koppeleinrichtung
Der Schwenkhebel
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Teileinheitentity
- 33
- Teileinheitentity
- 44
- Gehäusecasing
- 55
- Kurbelwellenteilcrankshaft part
- 66
- Kurbelwellenteilcrankshaft part
- 77
- Pleuelpleuel
- 88th
- Kolbenpiston
- 99
- Koppeleinrichtungcoupling device
- 1010
- Pleuelstangeconnecting rod
- 1111
- Pleuelstangeconnecting rod
- 1212
- Drehachseaxis of rotation
- 1313
- Drehachseaxis of rotation
- 1414
- Hubzapfencrank pins
- 1515
- Hubzapfencrank pins
- 1616
- AnlenkhebelFeedback lever
- 1717
- AnlenkhebelFeedback lever
- 1818
- Linearführunglinear guide
- 1919
- Führungsteilguide part
- 2020
- Schwalbenschwanzführungdovetail guide
- 2121
- GleitschieberSliding
- 2222
- Zusatzmasseadditional mass
- 2323
- Schwenkhebelpivoting lever
- 2424
- AnlenkhebelFeedback lever
- 2525
- Gelenkjoint
- 2626
- Kreisbahnorbit
- 2727
- AnlenkhebelFeedback lever
- 2828
- Zentrierzapfenspigot
- 2929
- Gelenkjoint
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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