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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor.
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Unter Kraftfahrzeugen sind im Folgenden die auch als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen bezeichneten Kraftfahrzeuge für die Personenbeförderung mit mindestens vier Rädern und die Kraftfahrzeuge für die Güterbeförderung mit mindestens vier Rädern entsprechend den Fahrzeugklassen M und N nach der EG-Richtlinie 70/156/EWG (EG-Fahrzeugklassen) zu verstehen, also insbesondere keine Krafträder und/oder Kleinkrafträder aller Art wie insbesondere Motorräder.
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Bei den Verbrennungsmotoren der in Rede stehenden Art handelt es sich um Zweizylinder-Reihenmotoren. Bei derartigen Verbrennungsmotoren sind genau zwei Zylinder in Reihe angeordnet. Derartige Verbrennungsmotoren weisen eine Kurbelwelle auf, welche wiederum zwei Hubzapfen zur Verbindung der Kurbelwelle mit den Pleueln der Zylinder aufweist. An jedem der beiden Hubzapfen ist jeweils ein Pleuel eines Kolbens eines der beiden Zylinder angelenkt.
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Derartige Verbrennungsmotoren finden üblicherweise in Motorrädern Anwendung. In modernen Kraftfahrzeugen werden bevorzugt andere Motorkonzepte eingesetzt, die typischerweise mindestens vier Zylinder vorsehen, neuerdings kommen jedoch auch zunehmend Motoren mit nur 3 Zylindern zum Einsatz.
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Der Grund hierfür ist, dass bei derartigen Motoren typischerweise eine möglichst hohe Laufruhe angestrebt wird. Infolge der Hubbewegung der Kolben und des gleichförmigen Verhaltens des Kurbeltriebs treten Massenkräfte auf. Diese müssen von den Motorlagern aufgenommen werden und können auf andere Strukturen des Kraftfahrzeugs übertragen werden und diese zu Schwingungen anregen. Es ist möglich, diese Kräfte mit Ausgleichsmaßnahmen, wie beispielsweise Ausgleichswellen, zu kompensieren. Klassischerweise versucht man jedoch, die Motoren bereits so zu gestalten, dass die entstehenden Massekräfte möglichst gering sind. Bei Zweizylinder-Reihenmotoren führt dies beispielsweise zu einem sinnvollen Hubzapfenversatz von 180°. Bei diesem sind die Massekräfte erster Ordnung voll ausgeglichen.
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In der Praxis werden jedoch dennoch auch andere Zapfenversetze gewählt. Auf dem Gebiet der Motorradtechnik dient dies insbesondere dazu, ein bestimmtes „gefühltes“ Laufverhalten des Motors zu vermitteln. Diese Überlegungen beruhen weniger auf technischen Gegebenheiten, als auf Marketinggründen.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2016, 206 499 A1 ein Reihen-Zweizylindermotor bekannt, dessen Hubzapfenversatz zwischen 90° und 180° beträgt. Besonders bevorzugte Winkel für den Hubzapfenversatz liegen zwischen 130° und 140°. Derartige Motoren stellen einen guten Kompromiss zwischen einem schwingungsarmen Betrieb und einem ansprechenden Klang dar.
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Die
DE 2008 001 664 U1 beschreibt gar einen Zweizylinder-Reihenmotor für Motorräder mit einem Hubkolbenversatz von 90°. Derartige Motoren sollen in Verbindung mit geeignet gewählten Zündabständen zu einem ungleichmäßigen Druck auf das Antriebsrad führen, welcher sich positiv auf die Straßenlage auswirken soll.
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Die Vorteile dieser im Stand der Technik für Motorräder offenbarten Zündwinkel sind jedoch spezifisch für Motorräder. Aus dem Bereich der Motorradtechnik sind auch weitere Hubzapfenversätze bekannt, beispielsweise 360° (sogenannte TWIN-Motoren), 270° (z.B. Yamaha MT07 Crossplane 2), 75° (z.B. KTM Duke 790), 45° (z.B. Husqvarna 900 Nuna) etc.
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Im Rahmen der zunehmenden Miniaturisierung und/oder Elektrifizierung der Antriebe von Kraftfahrzeugen, werden Zweizylinder-Reihenmotoren nunmehr auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen interessant. Es stellt sich daher die Frage, ob auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen neben den dort „üblichen“ Konzepten mit einem 0° bzw. einem 360° Hubzapfenversatz (z.B. Fiat 500) auch andere Konzepte Vorteile mit sich bringen können, die bei Zweizylinder-Reihenmotoren für Kraftfahrzeuge zum Tragen kommen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Motorkonzepte für Zweizylinder-Reihenmotoren jenseits des für Kraftfahrzeuge üblichen 0° Hubkolbenversatzes zu finden, die Vorteile aufweisen, die spezifisch in Kraftfahrzeugen zum Tragen kommen können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verbrennungsmotor und ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Verbrennungsmotor einen Hubzapfenversatz aufweist, der in einem Toleranzbereich von höchstens ± 10° um den Wert des Hubzapfenversatzes liegt, bei dem sich ein Kolben genau dann am oberen Totpunkt seiner Bewegung befinden würde, wenn der andere Kolben seine maximale Kolbengeschwindigkeit erreicht.
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Der obere Totpunkt ist der Punkt, an dem der Expansionsraum aufgrund der Kolbenbewegung das kleinste Volumen hat.
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Durch diese Maßnahme wird die Drehungleichförmigkeit, die durch Massekräfte erzeugt wird, verringert. Wenn einer der Kolben beim Erreichen des oberen Totpunkts abgebremst wird, wird der andere Kolben auf seine maximale Geschwindigkeit beschleunigt. Dadurch kann die Bewegungsenergie des einen Kolbens auf den anderen Kolben übertragen werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, dass der Verbrennungsmotor einen Hubzapfenversatz aufweist, der in einem Toleranzbereich von höchstens ± 10° um den Wert des Hubzapfenversatzes liegt, der sich aus der folgenden Formel ergibt:
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Mit dieser Formel lässt sich der vorstehend beschriebene Hubzapfenversatz mit einer derart guten Näherung errechnen, dass ein Hubzapfenversatz in einem Toleranzbereich von höchstens ± 10° um den Wert, der sich nach dieser Formel berechnet, die Aufgabe ebenfalls in hinreichender Art und Weise löst.
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Insbesondere kann der Toleranzbereich höchstens ± 5° betragen. Werte, die in diesem entsprechend geringeren Toleranzbereich liegen, führen zu einer noch besseren Verringerung der Drehungleichförmigkeit. Noch vorteilhafter ist ein Toleranzbereich von höchstens ± 2°, um eine noch weitere Reduzierung der Drehungleichförmigkeit, die sich bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors aufgrund der Massenkräfte ergibt, zu erreichen.
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Derartige Zweizylinder-Reihenmotoren mit verbesserter Drehungleichförmigkeit können in Kraftfahrzeugen in sinnvoller Weise eingesetzt werden, da die Torsionsschwingungen, die durch die Drehungleichförmigkeit verursacht werden können und die sich im nachgeschalteten Antriebsstrang fortsetzen können, zu Motorgeräuschen führen können, die in Kraftfahrzeugen als unangenehm empfunden werden. Auf diese Weise ergibt sich ein für Kraftfahrzeuge spezifischer Vorteil, der beispielsweise bei Motorrädern nicht zum Tragen kommen würde, da dort andere Anforderungen an die entstehende Geräuschkulisse gestellt werden.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein mehrspuriges Kraftfahrzeug zur Personen- und/oder Güterbeförderung mit mindestens vier Rädern, mit einem vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotor. Dabei kann es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug handeln, das zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor einen elektrischen Antrieb zum Antreiben der Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs aufweist. Derartige Kraftfahrzeuge werden auch als Hybrid-Elektrokraftfahrzeuge, kurz auch Hybrid-Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge oder Hybridautos bezeichnet. Charakteristisch für derartige Fahrzeuge mit Hybridantrieb ist es, dass in jedem Fall ein elektrischer Antrieb vorhanden ist, der zur Erzeugung der Fahrbewegung auf die Räder wirkt. Da bei derartigen Fahrzeugen die Fahrleistung zumindest zum Teil durch einen elektrischen Antrieb erzeugt wird, wird von den gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Verbrennungsmotoren üblicherweise weniger Motorleistung gefordert, als bei einem konventionellen Kraftfahrzeug. Dadurch sind Verbrennungsmotoren der vorstehend beschriebenen Art gerade für den Betrieb in derartigen Kraftfahrzeugen von Vorteil.
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Dabei kann das Kraftfahrzeug derart gestaltet sein, dass sowohl der elektrische Antrieb, als auch der Verbrennungsmotor die Fahrbewegung des Fahrzeugs antreiben. Hierunter ist ein direktes Antreiben über eine mechanische Kopplung zu verstehen. Derartige Kraftfahrzeuge werden auch als Kraftfahrzeuge mit parallelem Hybridantrieb bezeichnet.
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Alternativ kann das Kraftfahrzeug derart gestaltet sein, dass das Kraftfahrzeug einen durch den Verbrennungsmotor antreibbaren elektrischen Generator zur Ladung eines Akkumulators aufweist. Der Akkumulator dient zur Versorgung des elektrischen Antriebs. Derartige Kraftfahrzeuge können derart gestaltet sein, dass die Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs lediglich elektrisch bewirkt wird. In einem derartigen Fall spricht man auch von einem seriellen Hybridantrieb. Die Verbrennungsmotoren derartiger Kraftfahrzeuge werden auch als „range extender“ bezeichnet. Sie dienen in erster Linie dazu, die Reichweite des Kraftfahrzeugs zu erhöhen. Durch den als „rangeextender“ fungierenden Verbrennungsmotor können kleine Akkumulatoren verbaut werden, wobei das Kraftfahrzeug dennoch durch den „rangeextender“ über eine hohe Reichweite verfügt.
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Ebenfalls ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor zwar direkt über eine mechanische Kopplung die Fahrbewegung bewirken oder zumindest unterstützen kann, dennoch ein durch den Verbrennungsmotor antreibbarer Generator zur Ladung des Akkumulators zur Versorgung des elektrischen Antriebs vorhanden ist. Derartige Antriebe werden auch als leistungsverzweigende Hybridantriebe oder Misch-Hybridantriebe bezeichnet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 zeigt eine beispielhafte Darstellung des Hubkolben Versatzes an einem Zweizyliner-Reihenmotor
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Der in der 1 lediglich schematisch dargestellte Verbrennungsmotor 10 weist in Reihe angeordnete Zylinder 12 auf. Aufgrund der Darstellungsperspektive in Richtung der Drehachse der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 ist in der dargestellten 1 lediglich einer der Zylinder 12 zu erkennen. In diesem Zylinder läuft ein Kolben 14. Dieser ist mit einem Pleuel 16 mit einem Hubzapfen 18 der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 verbunden. Der andere Hubzapfen 20 des beispielhaften Verbrennungsmotors 10 ist lediglich gestrichelt dargestellt. Bei dem beispielhaft dargestellten Verbrennungsmotors befindet sich der - nicht dargestellte - Kolben, der über einen - ebenfalls nicht dargestellten - Pleuel mit dem Hubzapfen 20 verbunden ist, in seinem oberen Totpunkt. Der Hubzapfenversatz 22 ist gezeigten Beispiel so gewählt, dass der Kolben 14 bei der dargestellten Position der Hubzapfen, also wenn der Hubzapfen 20 sich im oberen Totpunkt befindet, seine maximale Kolbengeschwindigkeit erreicht.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Kolben
- 16
- Pleuel
- 18
- Hubzapfen
- 20
- Hubzapfen
- 22
- Hubapfenversatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016206499 A1 [0007]
- DE 2008001664 U1 [0008]
