DE102015219703A1

DE102015219703A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102015219703A1
Application number: DE102015219703.4A
Authority: DE
Inventors: Bastian Esefeld; Manfred Holzmann; Walter Hübner; Martin Henke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine hat mehrere um eine Welle (12) angeordnete Zylinder (14) und einen koaxial zur Welle (12) angeordneten, zusammen mit der Welle (12) rotierenden Kurvenbahnträger (20), der wenigstens eine umfangsmäßig geschlossene, in axialer Richtung gekrümmte Kurvenbahn (22) aufweist. In jedem der Zylinder (14) ist ein Kolben (16) linear beweglich aufgenommen, der mit dem Kurvenbahnträger (20) gekoppelt ist, wobei die Kurvenbahn (22) zwei untere Totpunkte (UT1, UT2) der Kolbenbewegung definiert, die unterschiedliche axiale Lagen haben. Der Verlauf der Kurvenbahn (22) folgt einer Kurve, die sich aus einer Summe einer Ausgangs-Kreisfunktion, insbesondere einer Sinuskurve, und wenigstens einer Harmonischen ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine Von einem Typ, der mehrere um eine Welle herum angeordnete Zylinder aufweist.
In diesem Typ von Verbrennungskraftmaschine, der im englischen Sprachgebrauch auch als Barrel-cam-type-Verbrennungskraftmaschine bezeichnet wird, sind mehrere Zylinder, in denen jeweils ein Kolben linear beweglich aufgenommen ist, um eine drehbar gelagerte, parallel zu den Kolben verlaufende Welle herum angeordnet. Die Welle ist mit einer Kurvenbahn versehen, entlang derer die Enden der Stößel der Kolben geführt werden, sodass die Kurvenbahn den Hub der einzelnen Kolben in den Zylindern bestimmt. Gleichzeitig treiben die Kolben über die Kraft, die sie auf die Kurvenbahn ausüben, die Welle in einer Rotationsbewegung an.
Ein Vorteil dieses Typs von Verbrennungskraftmaschine ist, dass die Hubbewegung der Kolben auf einfache Weise steuerbar ist. So lassen sich beispielsweise die oberen und unteren Totpunkte für die Expansions-, Ausstoß-, Ansaug- und Kompressionsphase individuell über den Verlauf der Kurvenbahn festlegen. Eine derartige Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise in der US 1 181 463 beschrieben. Die dort gezeigte Barrel-cam-type-Verbrennungskraftmaschine arbeitet nach dem Atkinson-Prinzip. Dabei durchlaufen die Kolben in der Expansionsphase einen größeren Hub als in der Kompressionsphase, was einen höheren Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zur Folge hat. Dank der Kurvenbahn ist dieses Prinzip ohne die normalerweise für Atkinson-Motoren verwendete komplexe Pleuelmechanik umsetzbar. Allerdings können im Betrieb Ungleichgewichte auftreten, da die bewegten Massen nicht zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Laufruhe einer Verbrennungskraftmaschine vom oben beschriebenen Typ zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einer Verbrennungskraftmaschine gelöst, die mehrere um eine Welle angeordnete Zylinder und einen koaxial zur Welle angeordneten, zusammen mit der Welle rotierenden Kurvenbahnträger aufweist, der wenigstens eine umfangsmäßig geschlossene, axial gekrümmte Kurvenbahn hat in jedem der Zylinder ist ein Kolben linear beweglich aufgenommen, der mit dem Kurvenbahnträger gekoppelt ist. Die Kurvenbahn definiert zwei axial untere Totpunkte der Kolbenbewegung, die unterschiedliche axiale Lagen haben, wobei der Verlauf der Kurvenbahn einer Kurve folgt, die sich aus einer Summe einer Ausgangs-Kreisfunktion, insbesondere einer Sinuskurve, und wenigstens einer Harmonischen ergibt. Durch diese spezielle Form der Kurvenbahn lässt sich ein praktisch vollständiger Kraftausgleich in der durch die Welle vorgegebenen Axialrichtung erreichen. Dies ergibt sich dadurch, dass die Bewegung aller der durch die Kolben gebildeten Massen stets so koordiniert ist, dass sich axiale Kräfte zu jedem Zeitpunkt während des Umlaufs des Kurvenbahnträgers praktisch komplett aufheben.
Insbesondere wird hierzu wenigstens eine Harmonische addiert, die eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber der Ausgangs-Kreisfunktion aufweist.
Eine Harmonische bezeichnet allgemein eine Kreisfunktion mit einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz der Ausgangs-Kreisfunktion. Die gemäß der Erfindung zu der als Ausgangs-Kreisfunktion hinzuaddierten Harmonischen können jedoch stets gegenüber der Ausgangs-Kreisfunktion phasenverschoben sein, ohne dass dies jeweils im Detail angeführt ist.
Die Kurvenbahn hat in der Regel über die 360° des Umfangs des Kurvenbahnträgers zwei Maxima und zwei Minima, die einen ersten und einen zweiten oberen Totpunkt sowie einen ersten und einen zweiten unteren Totpunkt definieren. Die Totpunkte bezeichnen die Punkte, an denen sich beim Durchlaufen der Kurvenbahn die Bewegungsrichtung des jeweiligen Kolbens umkehrt.
Vorzugsweise liegen die Maxima, also die Abschnitte der Kurvenbahn, die die oberen Totpunkte definieren, alle auf gleicher axialer Höhe. Dies lässt sich durch eine geeignete Wahl der zu addierenden Harmonischen erreichen.
Es lässt sich prinzipiell auch eine Kurvenbahn erzeugen, deren obere Totpunkte auf unterschiedlichen axialen Hohen liegen, indem (beliebige geeignete) Harmonische mit einer Phasenverschiebung ungleich 90° zueinander und zur Ausgangs-Kreisfunktion addiert werden.
Insbesondere kann der Verlauf der Kurvenbahn einer Kurve folgen, die durch eine Überlagerung mehrerer Harmonischer gegeben ist, die allgemein der Funktion
gegeben ist. Die Koeffizienten A_k und B_k können jeweils auch Null sein.
Als besonders geeignet haben sich Funktionen der Form
herausgestellt.
Auf diese Weise ergibt sich eine Kure nach dem Muster f(α) = A₁sinα + B₁cos2α + A₂sin3α + B₂cos4α + ..., wobei zwischen den einzelnen addierten Harmonischen nur Phasenverschiebungen von 90° oder 0° vorgesehen sind.
Als eine Kurvenbahn, die einen praktisch vollständigen Massenausgleich zur Folge hat, hat sich eine Kure erwiesen, die durch die Funktion f(α) = A₁sinα + B₁cos2α gegeben ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Ausgleichsmasse am Kurvenbahnträger angeordnet, die vorteilhaft auf die Form der Kurvenbahn abgestimmt ist. Selbst wenn die Kurvenbahn so gewählt ist, dass die Massenbewegung aller Kolben ausgeglichen ist, so kann doch ein konstantes Moment und/oder ein Moment erster oder höherer Ordnung entstehen, das sich unter anderem durch die nicht exakt um 90° Phasenwinkel versetzte Bewegung der Kolben durch die jeweiligen oberen Totpunkte ergibt. Durch eine entsprechende Anordnung und ein entsprechendes Gewicht der Ausgleichsmasse kann die aus diesem Moment entstehende Unwucht exakt ausgeglichen werden.
Es sind beispielsweise zwei Ausgleichsmassen vorgesehen, die an unterschiedlichen Positionen bezüglich der Umfangsrichtung und bezüglich der Axialrichtung angeordnet sind. Je nach Ausbildung des Kurvenbahnträgers kann die jeweilige Zusatzmasse z. B. außen oder innen an einer Umfangsfläche des Kurvenbahnträgers fixiert sein.
Die auf die Massen wirkende Fliehkraft ist drehzahlabhängig. Dies gilt jedoch auch für die aus der Kolbenbewegung entstehenden Momente, sodass über die Ausgleichsmassen eine Momentenfreiheit über den gesamten Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden kann.
Dennoch kann es insbesondere vorteilhaft sein die Verbrennungskraftmaschine so zu betreiben und so auszulegen, dass nur eine einzige konstante Drehzahl als Arbeitspunkt vorgesehen ist. Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei einer einzigen konstanten Drehzahl ist beispielsweise bei einer Verwendung als Range Extender in einem Kraftfahrzeug zum Antrieb eines Elektromotors gegeben.
Die Kurvenbahn kann am Kurventräger auf beliebige Art ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Kurvenbahn jedoch durch eine radial vom Kurvenbahnträger abstehende Kurvenfläche gebildet. Dabei kann für jeden Kolben eine Pleuelgeometrie vorgesehen sein, die den jeweiligen Kolben mit der Kurvenfläche koppelt. Die Pleuelgeometrie weist beispielsweise am Ende einer mit dem Kolben verbundenen Pleuelstange einen Träger auf, der die Kurvenfläche umgreift und so eine sichere Führung des jeweiligen Kolbens bewirkt. Am Träger können zwei Rollen vorgesehen sein, die beidseitig der radial abstehenden Kurvenfläche an dieser angreifen und die entlang der Kurvenbahn abrollen.
Alternativ ist es auch möglich, die Kurvenbahn als Nut im Kurvenbahnträger auszubilden, wobei auch hier die Pleuelstange des Kolbens vorzugsweise in einer in die Nut eingreifenden Rolle endet.
Der Kurvenbahnträger kann direkt an der Welle ausgebildet sein und ist beispielsweise ein Zylinderkörper, der die abstehende Kurvenfläche oder die in den Zylinderkörper hineinragende Nut an seiner Außenseite trägt. In jedem Fall umgeben die Zylinder, in denen die Kolben aufgenommen sind, den Kurvenbahnträger und die durch diesen hindurchführende Welle.
Die Zylinder erstrecken sich vorzugsweise parallel zur Welle, sodass die Kolben eine Bewegung exakt parallel zur Welle ausführen. Dies erlaubt eine sehr kompakte Anordnung der Zylinder um die Welle und damit der gesamten Verbrennungskraftmaschine.
Vorzugsweise sind die Zylinder in äquidistanten Winkelabständen um die Welle angeordnet.
Es hat sich gezeigt, dass für die die Kurvenbahn und damit den Kolbenhub bestimmende Funktion generell beliebige Harmonische addiert werden können, um ein Hubverhältnis ≠ 1 zu erzielen, jedoch mit Ausnahme derjenigen Harmonischen, die ganzzahlige Vielfache der Gesamtkolbenzahl bzw. der Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine betreffen.
Im Folgenden sind die mathematischen Überlegungen, die den oben dargelegten Merkmalen der Erfindung zugrundeliegen, im Detail erläutert.
Eine lediglich aus harmonischen Funktionen zusammengesetzte Funktion, die den Hub eines einzelnen Kolbens beschreibt, lässt sich wie folgt darstellen:
Dabei ist ω = const. die Kreisfrequenz der Grundharmonischen und entspricht der Kreisfrequenz der Rotation der Welle. Der Faktor k entspricht den Ordnungen der Teilfunktionen, aus denen sich die Funktion
(t) zusammensetzt, die Faktoren A_k, B_k bestimmen die Amplituden der jeweiligen Harmonischen und können jeweils auch Null sein.
Der zeitliche Verlauf ωt des Kolbenhubs ist ein exaktes Abbild des Winkelverlaufs α der Kurvenbahn, die ja den Kolbenhub direkt bestimmt.
Übertragen auf die zeitliche Linearbewegung sämtlicher Kolben der Verbrennungskraftmaschine ergibt sich eine Funktionsschar, in der jedem der n Kolben eine spezifische Phasenverschiebung α_n zugeordnet ist:
Für sämtliche addierten Harmonischen bleibt die Phasenverschiebung α_n für den jeweiligen Kolben gleich. Räumlich betrachtet entspricht diese Phasenverschiebung der Position des Kolbens entlang des Umfangs der Welle.
Zweimalig zeitlich differenziert ergibt sich:
was der auf die einzelnen Kolben der Verbrennungskraftmaschine wirkenden Beschleunigung entspricht.
An die Funktion bzw. die Funktionenschar
(t) werden nun folgende Bedingungen gestellt:

(1) Der Faktor k ist aus der Menge der natürlichen Zahlen: k ∊ N
(2) Die gesamten Kolben n_ges der Verbrennungskraftmaschinen sind in äquidistanten Winkelabständen um die Welle verteilt. Daraus ergibt sich die Phasenverschiebung α_n für die einzelnen Elemente der Funktionsschar

Aus der Bedingung (1) folgt, dass sich zu der Grundharmonischen nur ganzzahlige Oberschwingungen addieren dürfen, die nicht zwangsläufig auftreten müssen (falls die entsprechende Amplitude A_k bzw. B_k. Null ist).
Aus der Bedingung (2) folgt, dass die Kurven der Funktionenschar äquidistant verteilt sind. Selbiges gilt auch für die zweite Ableitung
(t).
Werden die Funktionen der Funktionenschar addiert,
so ergibt sich eine Konstante, falls alle vorkommenden Ordnungen k verschieden von der Gesamtzahl der Kolben n_ges oder von ganzzahligen Vielfachen Von n_ges sind.
Dies lässt sich durch die Überlagerungen der einzelnen harmonischen Funktionen zeigen. Besitzt die Funktionenschar beispielsweise n_ges = 3 Elemente, bei denen (o. B. d. A.) alle Cosinus-Schwingungen Null sind (B_k = 0), so weisen die verschiedenen Sinusschwingungen einen Phasenversatz von 120° auf. Die drei Sinusschwingungen erster Ordnung (k = 1) addieren sich aufgrund des Phasenversatzes zu Null. Selbiges geschieht mit den Schwingungen der zweiten Ordnung. Die Schwingungen der dritten Ordnung werden durch den Phasenversatz von 120° jedoch so verschoben, dass sie genau übereinanderliegen. Dieses Phänomen tritt auch in der 6., 9. usw. Ordnung auf. Die Summe aller anderen Harmonischen löscht sich dagegen aus.
Da aufgrund der Ableitungsregel der Funktionenschar
(t) die Beschleunigungsfunktion
(t) einen identischen Aufbau aufweist, gilt: y = const. → ÿ = 0
Wird ein Mehrzylindermotor mit n_ges Kolben konstruiert, die äquidistant um die Welle angeordnet sind, und wird die Hubkurve der Kolben lediglich mit harmonischen Funktionen beschrieben, ist daher die Summe der Beschleunigungen aller Kolben Null, falls bei den verwendeten Harmonischen keine mit der Ordnung n_ges oder mit einer ganzzahligen Vielfachen von n_ges auftritt. In diesem Fall treten praktisch keine freien Massenkräfte auf, da bei Kolben gleicher Masse die Nullsumme der Kolbenbeschleunigungen auch zu einer Nullsumme der Kräfte führt (F = mα).
Um ein Hubverhältnis ≠ 1 zu realisieren, d. h. ein Hubverhältnis, bei dem der Expansionshub nicht identisch zum Kompressionshub ist, aber zudem die vertikale Position der beiden oberen Totpunkte identisch ist, ist die Verwendung der zweiten Harmonischen nötig. Damit muss die Verbrennungskraftmaschine mindestens drei Kolben, also mindestens drei Zylinder, aufweisen.
Um einen vollständigen Ausgleich zu erreichen, müssen neben den Massenkräften auch die Massenmomente ausgeglichen werden.
Die Massenmomente bezüglich des Zentrums der Axialwelle ergeben sich zu:
Dabei stellt der Vektor r_On den Ortsvektor vom Zentrum der Axialwelle O zum n-ten Kolben dar, m ist die Kolbenmasse und α_n die (lediglich vertikale) Beschleunigung des n-ten Kolbens.
Da sich die Kolbenbeschleunigungen wiederum aus den harmonischen Funktionen zusammensetzen (siehe oben) und der Vektor r_On in Umfangsrichtung durch den Phasenversatz α_n charakterisiert ist, ergeben sich für jeden Kolben wiederum Momenten-Anteile, die sich nur aus harmonischen Funktionen zusammensetzen.
Die Multiplikation einer Sinusschwingung erster Ordnung mit der zugehörigen Sinusschwingung der Ordnung p liefert generell: sinα·sin(pα) = 1/2(cos((1 – p)α) – cos((1 + p)α))
Das Ergebnis weist also nicht nur die Ordnung p sondern auch die Ordnung +1 und die Ordnung p – 1 auf.
Durch die Multiplikation in dem Kreuzprodukt einer Harmonischen erster Ordnung im Vektor r_On mit höheren Harmonischen im Vektor α_n ergeben sich wie dargelegt auch andere Ordnungen (Ordnungen von α_n ± 1). Somit kommen in den Momenten die benachbarten Harmonischen der Harmonischen der Hubkurve der Kolben vor.
Zum Massenkraftausgleich mit einem Hubverhältnis ≠ 1 sind die erste und zweite Harmonische in der Hubkurve nötig.
Die erste Harmonische in der Hubkurve führt zu einer nullten Harmonischen im Moment und damit zu einem konstant umlaufenden Moment. Dieses lässt sich beispielsweise durch eine Zusatzmasse ausgleichen, wie oben beschrieben ist.
Die zweite Harmonische in der Hubkurve führt auch zur dritten Harmonischen im Moment. Somit ist mindestens ein Vierzylindermotor nötig, wenn eine Verstärkung durch eine phasenverschobene Überlagerung vermieden werden soll.
Hat die Hubkurve beispielsweise eine erste, zweite und sechste Ordnung, so ergeben sich für die:

1. Ordnung der Hubkurve ein Moment der 0. Ordnung und der 2. Ordnung
2. Ordnung der Hubkurve ein Moment der 1. Ordnung und der 3. Ordnung
6. Ordnung der Hubkurve ein Moment der 5. Ordnung und der 7. Ordnung

In diesem Fall hätten ein Vierzylindermotor oder Motoren mit mindestens acht Zylindern ein konstantes Moment.
Wird die sechste Harmonische in obigem Beispiel durch die dritte Harmonische ersetzt, haben alle Motoren mit mindestens fünf Zylindern lediglich ein konstantes Moment.
Der Konstant-Anteil in den Momenten beinhaltet den Faktor ω² aus den Kolbenbeschleunigungen, ist also quadratisch zur Motordrehzahl. Die Zusatzmassen zum Ausgleich der freien Momente werden zentripetal beschleunigt. Da diese Zentripetalbeschleunigung auch vom Quadrat der Winkelgeschwindigkeit abhängig ist, funktioniert das System des Momentenausgleichs unabhängig von der Motordrehzahl.
Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens vier Kolben setzt sich demnach die Hubkurve vorzugsweise lediglich aus den Harmonischen erster und zweiter Ordnung zusammen. Mit zwei Zusatzgewichten an der Axialwelle kann diese Verbrennungskraftmaschine vollständig ausgeglichen werden bezüglich der Kräfte sowie der Momente.
Sollen mehr harmonische Funktionen in der Hubkurve auftreten, sollte die Harmonische, die gleich der Kolbenzahl n_ges oder ein Vielfaches q dieser ist, nicht auftreten. Im Beispiel eines Vierzylindermotors dürften die vierte, achte, zwölfte... Ordnung nicht auftreten. Allgemein dürfen keine Ordnungen p auftreten, für die gilt: p = n_ges·q mit q ∊ N
Soll zudem der Massenmomentenausgleich mit einer oder mehreren Zusatzmassen erfüllt werden, dürfen bei einem Motor mit n_ges Zylindern keine Ordnungen p auftreten, für die gilt: (p + 1) = n_ges·q bzw. (p – 1) = n_ges·q mit q ∊ N
Aus diesen beiden Bedingungen folgt bei einer Verbrennungskraftmaschine mit n_ges Zylindern, dass folgende Ordnungen p nicht für die Gestaltung der Hubkurve verwendet werden dürfen: p = n_ges·q, p = n_ges·q + 1, p = n_ges·q – 1 mit q ∊ N
Die hier diskutierte Funktion
(t) setzt sich lediglich aus Sinus- und Kosinus-Funktionen zusammen, die untereinander jeweils eine Phasenverschiebung von 0 oder 90° aufweisen. Dies führt zu identischen oberen Totpunkten und, bei geeigneter Wahl der Amplituden der Harmonischen, zu unterschiedlichen unteren Totpunkten.
Bei anderen Phasenverschiebungen als 0° oder 90° der Harmonischen untereinander ergeben sich unterschiedliche obere Totpunkte für Zündungs- und Kompressionshub. Es hat sich herausgestellt, dass ein Betrieb einer derartigen Verbrennungskraftmaschine problemlos ist, solange der Unterschied zwischen den oberen Totpunkten klein genug ist (ca. 2 mm axiale Distanz).
Auf die oben getroffenen Aussagen über den Kraft- und Momentenausgleich hat eine Phasenverstellung keinen Einfluss.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine;
2 eine schematische Darstellung einer Kurvenbahn der Verbrennungskraftmaschine aus 1;
3 eine schematische Darstellung der Hubverläufe der Kolben in den einzelnen Zylindern bei der in 2 gezeigten Kurvenbahn sowie deren Summe;
4 die Beschleunigungen der Kolben in den einzelnen Zylindern bei der in 2 gezeigten Kurvenbahn sowie deren Summe;
5 unterschiedliche Kurvenbahnen, die durch die Überlagerung einer größeren Anzahl von Harmonischen entstehen und die jeweils das gleiche Expansions- zu Kompressionsverhältnis aufweisen; und
6 eine schematische Darstellung der Anordnung zweier Zusatzmassen am Kurvenbahnträger der Verbrennungskraftmaschine aus 1.
In 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt, die eine zentrale Welle 12 aufweist, die von mehreren Zylindern 14 umgeben ist. In diesem Beispiel sind vier Zylinder 14 vorgesehen, die in äquidistanten Winkelabständen angeordnet sind. Es können jedoch auch eine andere Anzahl von Zylindern 14 gewählt werden, jedoch wenigstens drei Zylinder. Bevorzugte Zylinderanzahlen sind jedoch vier oder sechs.
In jedem der Zylinder 14 ist ein Kolben 16 aufgenommen, der im Zylinder 14 linear verschiebbar geführt ist. Die Kolbenanordnung ist in 1 nur für einen der vier Zylinder 14 gezeigt, ist für die anderen Zylinder 14 aber analog vorgesehen.
Der Kolben 16 ist über eine Pleuelgeometrie 18 mit der Welle 12 gekoppelt.
Ein Kurvenbahnträger 20 ist koaxial mit der Welle 12 angeordnet und drehfest mit der Welle 12 verbunden. Der Kurvenbahnträger 20 ist hier als Zylinder mit etwa dem doppelten Durchmesser der Welle 12 ausgebildet. Am Kurvenbahnträger 20 ist eine Kurvenbahn 22 vorgesehen, die in diesem Beispiel an einer radial vom Kurvenbahnträger 20 abstehenden Kurvenfläche 24 ausgebildet ist. Die Kurvenfläche 24 hat die Gestalt eines dünnen Stegs, dessen Ober- und Unterseite 26, 28 parallel zueinander verlaufen.
Der Kolben 16 ist mit einer Pleuelstange 30 verbunden, die Teil der Pleuelgeometrie 18 ist. Die Pleuelgeometrie 18 umfasst außerdem einen Träger 32, der an dem dem Kolben 16 abgewandten Ende der Pleuelstange 30 angeordnet ist. Am Träger 32 sind zwei Rollen 34 montiert, die die Kurvenfläche 24 umgreifen. Die Rollen 34 rollen auf der Oberseite 26 und der Unterseite 28 der Kurvenfläche 24 ab und sind beide stets in Kontakt mit der Kurvenfläche 24.
Am Träger 32 sind außerdem zwei Führungshülsen 36 vorgesehen, die jeweils auf einer Führungsstange 38 angeordnet sind und entlang dieser linear verschiebbar sind. Die Führungsstangen 38 sind genauso wie die Zylinder 14 ortsfest in der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet.
Die Kurvenbahn 22 weist insgesamt zwei axial obere Totpunkte OT₁, OT₂ sowie zwei axial untere Totpunkte UT₁, UT₂ auf. Jeder Kolben 16 durchläuft während einer Umdrehung der Welle 12 zwei Auf- und Abbewegungen und folgt somit dem herkömmlichen Viertaktprinzip von Ansaugen, Komprimieren, Expansion und Ausstoß.
Die in 1 abgebildete Kurvenbahn 22 ist in 2 in gestrichelten Linien dargestellt.
Der Kolbenhub ist für die Ansaugphase und die Expansionsphase unterschiedlich gewählt, und zwar ist der Kolbenhub für die Expansionsphase mit dem unteren Totpunkt UT₂ in diesem Beispiel etwa doppelt so hoch wie für die Ansaugphase mit dem unteren Totpunkt UT₁.
Diese Geometrie der beispielhaft gewählten Kurvenbahn 22 ergibt sich durch die Addition zweier Kreisfunktionen, nämlich einer Sinuskurve y₁ = A₁sinα als Ausgangs-Kreisfunktion sowie ihrer ersten Harmonischen mit 90° Phasenversatz, nämlich y₂ = B₁cos2α. Durch die Koeffizienten A₁, B₁ lässt sich die Höhe der unteren Totpunkte UT₁, UT₂ anpassen.
Wie in 2 zu erkennen ist, liegen die beiden unteren Totpunkte UT₁, UT₂ bei exakt 90° und 270°, da hier die Maxima beziehungsweise Minima der beiden Kurven y₁, y₂ aufeinandertreffen. Die oberen Totpunkte OT₁, OT₂ sind jedoch ein Stück gegenüber der 0°- beziehungsweise 180°-Position verschoben. Auch dies ergibt sich aus der Addition der beiden Kreisfunktionen auf leicht erkennbare Weise.
Diese Form der Kurvenbahn 22 führt dazu, dass in zwei gegenüberliegenden Zylindern 14 die beiden Kolben 16 jeweils gleichzeitig in den unteren Totpunkten UT₁, UT₂ liegen, jedoch in den anderen beiden Zylindern 14 einer der Kolben 16 gerade den oberen Totpunkt OT₁ verlässt, während der andere Kolben 16 im letzten Zylinder 14 den zweiten oberen Totpunkt OT₂ noch nicht ganz erreicht hat.
Diese Bewegung der Kolben 16 führt zu einem freien Massenmoment erster Ordnung und einer leichten Unwucht des Kurvenbahnträgers 20. Diese wird durch das Anbringen von zwei Zusatzmassen m₁, m₂ ausgeglichen, die an unterschiedlichen Positionen bezüglich der Axialrichtung A, die durch die Welle 12 vorgegeben ist, sowie der Umfangsrichtung U positioniert sind.
Die beiden Ausgleichsmassen m₁, m₂ können je nach Geometrie des Kurvenbahnträgers 20 sowie der Kurvenfläche 24 an einer Außenumfangsfläche des Kurvenbahnträgers oder im Inneren des Kurvenbahnträgers 20 platziert sein.
Die Wirkungsweise der Ausgleichsmassen m₁, m₂ ist auch in 6 näher verdeutlicht.
Dreht sich der rotationssymmetrische Kurvenbahnträger 20 um seine Symmetrieachse (hier die z-Achse, die mit der Axialrichtung A zusammenfällt) mit der Winkelgeschwindigkeit ω, so ist das System momentenfrei. Durch die unterschiedliche Bewegung der Kolben 16 wirken jedoch Kräfte auf den Kurvenbahnträger 20, die zu einem Moment erster Ordnung und somit zu einer leichten Unwucht um die Drehachse A führen (siehe auch oben). Dieses Moment lässt sich durch die Ausgleichsmassen m₁, m₂ neutralisieren. Die Ausgleichsmassen m₁, m₂ werden durch die Rotation zentripetal mit der Kraft F_zp in Richtung der Drehachse A beschleunigt. Durch den vertikalen Versatz der Ausgleichsmassen m₁, m₂ entlang der Achse A und damit zwischen den entgegengesetzt gerichteten parallelen Zentripetalkräften F_zp entsteht ein konstantes Moment M. Damit sind diese beiden Ausgleichsmassen m₁, m₂ in der Lage, ein Moment in der x-y-Ebene, wie es durch die Bewegung der Kolben 16 erzeugt wird, vollständig auszugleichen. Die Ausgleichsmassen m₁, m₂ sind hier gleich groß gewählt. Bei der Auswahl der Größe und der Position der Ausgleichsmassen ist auch die Massenverteilung der Kurvenfläche 24 zu berücksichtigen.
Die 3 und 4 zeigen die Hubbewegung sämtlicher Kolben 16 über eine komplette Umdrehung der Welle 12 für eine Ausführung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit sechs Zylindern 14 sowie die auftretenden Beschleunigungen an den Kolben 16. Wie zu erkennen ist, sind bei der verwendeten Kurvenbahn 22 sowohl die Gesamtbewegung der Kolben 16 wie auch deren gesamte Beschleunigung so verteilt, dass sie sich zu jedem Zeitpunkt, entsprechend jedem Winkelwert, zu 0 addieren. Somit liegt in diesem System ein vollständiger Massenausgleich vor und es entstehen keine entlang der Axialrichtung A wirkenden Gesamtkräfte.
5 zeigt verschiedene Varianten der Kurvenbahn 22 bei der Verwendung von mehr als zwei addierten Kreisfunktionen. Die Bildung der Funktion f(α) folgt in diesem Beispiel der Regel
Diese ist für die Verwendung von zwei bis fünf zur Ausgangs-Kreisfunktion A₁sinα addierten Harmonischen dargestellt, entsprechend den Funktionen f₁(α) = A₁sinα + B₁cos2α + A₂sin3α, f₂(α) = A₁sinα + B₁cos2α + A₂sin3α + B₂cos4α; f₃(α) = A₁sinα + B₁cos2α + A₂sin3α + B₂cos4α + A₃sin5α und f₄(α) = A₁sinα + B₁cos2α + A₂sin3α + B₂cos4α + A₃sin5α + B₃cos6α;
Generell könnte auch eine Funktion für die Kurvenbahn 22 gewählt werden, die sich aus Sinus- und Kosinuskurven beliebiger Ordnung zusammensetzt.
wobei die Koeffizienten A_k und B_k auch Null sein können.
Die Anzahl der Freiheitsgrade zur Gestaltung des Hubverlaufs der Kolben 16 steigt mit der Anzahl der überlagerten Kreisfunktionen. Dies kann genutzt werden, um bei vorgegebenem Expansions- zu Kompressionshub beispielsweise die Abstände zwischen den oberen Totpunkten und die Krümmungsbahn der Hubkurve zu beeinflussen. Beispielsweise kann es gewünscht sein, in der Expansionsphase nach dem zweiten oberen Totpunkt OT₂ eine steile Flanke zu erzeugen.
Generell hat sich gezeigt, dass für einen vollständigen Kraftausgleich durch die Bewegung der Kolben in der für die Kurvenbahn 22 gewählten Funktion (die unmittelbar die Linearbewegung der Kolben 16 bestimmt), diejenigen Ordnungen p nicht enthalten sein sollten, die der gesamten Anzahl der Kolben 16 sowie deren ganzzahligen Vielfachen entsprechen. Um einen vollständigen Momentenausgleich zu erhalten, sollten auch die Ordnungen p + 1 und p – 1 nicht mit der Gesamtzahl der Kolben 16 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon übereinstimmen.
Die untere Grenze liegt bei drei Zylindern 14, da mindestens zwei Kreisfunktionen addiert werden müssen, um unterschiedliche axiale Lagen der beiden unteren Totpunkte UT₁, UT₂ zu erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 1181463 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine mit mehreren um eine Welle (12) angeordneten Zylindern (14) und einem koaxial zur Welle (12) angeordneten, zusammen mit der Welle (12) rotierenden Kurvenbahnträger (20), der wenigstens eine umfangsmäßig geschlossene, in axialer Richtung gekrümmte Kurvenbahn (22) aufweist, wobei in jedem der Zylinder (14) ein Kolben (16) linear beweglich aufgenommen ist, der mit dem Kurvenbahnträger (20) gekoppelt ist, wobei die Kurvenbahn (22) zwei axial untere Totpunkte (UT₁, UT₂) der Kolbenbewegung definiert, die unterschiedliche axiale Lagen haben und der Verlauf der Kurvenbahn (22) einer Kurve folgt, die sich aus einer Summe einer Ausgangs-Kreisfunktion, insbesondere einer Sinuskurve, und wenigstens einer Harmonischen ergibt.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte der Kurvenbahn (22), die die axial oberen Totpunkte (OT₁, OT₂) definieren, beide auf gleicher axialer Höhe liegen.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Kurvenbahn (22) einer Kurve folgt, die durch eine Überlagerung mehrerer Harmonischer gegeben ist, die der Funktion f(α) = Σ_k(A_ksin(k – 1)α + B_kcos2kα) entspricht.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Kurvenbahn (22) einer Kurve folgt, die durch die Funktion f(α) = A₁sinα + B₁cos2α gegeben ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ausgleichsmasse (m₁, m₂) am Kurvenbahnträger angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ausgleichsmassen (m₁, m₂) vorgesehen sind, die an unterschiedlichen Positionen bezüglich der Umfangsrichtung (U) und bezüglich der Axialrichtung (A) angeordnet sind.
Verbrennungskraftmaschine einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige konstante Drehzahl als Arbeitspunkt vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenbahn (22) an einer radial vom Kurvenbahnträger (20) abstehenden Kurvenfläche (24) ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zylinder (14) parallel zur Welle (12) erstrecken.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (14) in äquidistanten Winkelabständen um die Welle (12) angeordnet sind.