DE19731974A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine solche Hubkolbenbrennkraftmaschine ist beispielsweise aus der EP 0 155 261 A2 be­ kannt. Der Zylinderkopf einer solchen Brennkraftmaschine ist zwar verhältnismäßig kom­ pliziert aufgebaut; durch die sich diametral gegenüberliegenden Einlaßöffnungen der Ein­ laßventile und Auslaßöffnungen der Auslaßventile kann jedoch eine außerordentlich hohe Füllung auch bei hohen Drehzahlen erreicht werden, wodurch die Brennkraftmaschine außerordentlich leistungsstark ausgelegt werden kann. Durch Anpassung der Steuerzeiten insbesondere der Einlaßventile läßt sich auch bei niederen Drehzahlen eine hohe Füllung und damit ein entsprechend hohes Drehmoment erreichen.

Bei Verwendung eines solchen Zylinderkopfes insbesondere für einen hubraumstarken Rennmotor mit großem Einzelzylindervolumen, beispielsweise 300 bis 500 cm³, gerät der Kurbeltrieb an seine Grenzen. Wegen der großen, im Kurbeltrieb auftretenden Kräfte müs­ sen entsprechend dimensionierte Lager und Pleuel verwendet werden, was bei vertretbarem Bauaufwand der Drehzahlfestigkeit Grenzen setzt. Das Leistungspotential eines gattungsge­ mäßen Zylinderkopfes kann somit mit herkömmlichen Kurbeltrieben nicht genutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochleistungs-Hubkolbenbrennkraftma­ schine zu schaffen, die das Potential eines Zylinderkopfes mit je zwei sich diametral ge­ genüberliegenden Einlaßkanälen und Auslaßkanälen voll ausschöpft.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Der erfindungsgemaß eingesetzte Doppelkurbelwellentrieb verbessert nicht nur die Umsetzung der hohen Füllung in Abtriebsleistung; er ermöglicht wegen der kleinen Massen und des ihm eigenen Massen­ ausgleichs auch hohe Drehzahlen ohne mechanische Gefährdung. Desweiteren ist der Kol­ ben frei von Seitenkräften, was die Reibleistung vermindert.

Die Ansprüche 2 und 3 sind auf vorteilhafte Anordnungen mehrerer Zündkerzen gerichtet, mit denen sich die Ladungsverbrennung beschleunigen läßt, was den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter erhöht und die Abgasqualität zumindest bezüglich unverbrannter Kohlenwasserstoffe verbessert.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 ist die Verwendung verhältnismäßig kurzer Pleuel möglich.

Die Ansprüche 5 und 6 sind auf thermodynamisch vorteilhafte Merkmale der Brennkraft­ maschine gerichtet.

Der Anspruch 7 kennzeichnet ein in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Brennkraftma­ schine vorteilhaft einsetzbares Getriebe.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann nicht nur im Renneinsatz mit Vorteil ver­ wendet werden. Bei entsprechender Auslegung bietet sie auch in konventionellen PKWs große Vorteile, da wegen des Massenausgleichs auch bei 4-Zylinder-Motoren ein hoher Komfort erzielt wird, wegen der fehlenden Kolbenseitenkräfte die Reibleistungen vermin­ dert sind, und wegen des Doppelkurbeltriebs eine effektive Umsetzung der Ladungsver­ brennung in Drehmoment erfolgt. Somit können hubraumstarke, vielzylindrige Motoren durch sparsamere hubraumschwächere Motoren mit weniger Zylindern ersetzt werden.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist sowohl als Otto- als auch als Dieselmotor einsetzbar, eignet sich für die Direkteinspritzung auch bei Otto-Motoren und kann als Vier­ takter und als Zweitakter eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit Doppelkur­ beltrieb,

Fig. 2 schematisch eine Aufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen Zylinderkopf,

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen Kolbenhub und Kurbelwellendrehung im Ver­ gleich zwischen einem konventionellen Motor und einem Doppelkurbelwellen­ motor, und

Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf den Kurbeltrieb mit angeflanschtem Getriebe.

Gemäß Fig. 1 weist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine einen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 4 arbeitet.

Weiter ist ein Einlaßkanal 6 dargestellt, der in den Zylinderkopf 8 mündet, wobei in der Mündung des Einlaßkanals 6 in den Zylinderkopf 8 ein Einlaßventil 10 arbeitet. Weiter ist ein Auslaßkanal 12 dargestellt, in dessen Mündung in den Zylinderkopf 8 ein Auslaßventil 14 arbeitet.

Im Einlaßkanal befindet sich eine Drosselklappe 16, sowie strömungsabwärts der Drossel­ klappe 16 ein Einspritzventil 18.

Mittig am Zylinderkopf 8 sowie sich diametral gegenüberliegend an seinem Umfang befin­ den sich Zündkerzen 20. Zur Ansteuerung der Zündkerzen 20 und des Einspritzventils 18 ist ein Steuergerät 22 vorgesehen, dessen Eingängen 24 in an sich bekannter Weise Signale von unterschiedlichen Sensoren zur Erfassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschi­ ne zugeführt werden, aus denen die Steuersignale zur Steuerung von Einspritzung und Zündung errechnet werden.

Im Kurbelgehäuse 28 der Brennkraftmaschine befinden sich zwei Kurbelwellen 30 und 32, die miteinander über eine Verzahnung 34 kämmen, so daß sie gegensinnig drehen. Jede der Kurbelwellen 30 und 32 ist über ein Pleuel 36 und 38 mit dem Kolben 4 verbunden, der an seiner Unterseite 2 in Richtung des Abstandes zwischen der Kurbelwellen 30 und 32 beabstandete Lager 40 und 42 zur Lagerung der Pleuel 36 und 38 aufweist.

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Aufsicht auf den Zylinderkopf 8. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Fig. 2 mit Ausnahme der in ihr verwendeten Bezugszei­ chen der eingangs genannten EP-0 155 261 A2 entnommen ist. Wie ersichtlich, weist der Zylinderkopf 8 zwei sich gegenüberliegende Einlaßventile 10 und 11 sowie zwei sich gegenüberliegende Auslaßventile 14 und 15 auf. Der Durchmesser der Einlaßventile 10 und 11 ist vorteilhafterweise größer als der der Auslaßventile 14 und 15. Die schematisch angedeuteten Einlaßkanäle 6 und 7 sind vorteilhafterweise derart ausgebildet, daß das in dem Brennraum des Zylinders einströmende Frischgemisch einen um die Achse des Brenn­ raums umlaufenden Wirbel bildet.

Zur Betätigung der Ventile sind zwei Nockenwellen 44 und 46 vorgesehen, mit denen ko­ nische Nocken 48, 50, 52 und 54 drehfest verbunden sind, die über Tassenstössel 56, 58, 60 und 62 die Ventile betätigen.

Die Betriebsweise des Motors ist an sich bekannt und wird daher nicht im einzelnen be­ schrieben.

Anhand der Fig. 3 wird eine besondere Eigenschaft des Doppelkurbeltriebs erläutert. Die Ordinate stellt den Kolbenhub H und die Abszisse den Drehwinkel der Kurbelwelle bzw. Kurbelwellen, bezogen auf den unteren Totpunkt UT des Kolbens dar: d. h. zwischen den beiden UT-Stellungen liegen 360° Kurbelwellendrehung.

Die gestrichelte Kurve zeigt das Verhalten eines konventionellen Kurbeltriebs, bei dem die Kurbelwelle mittig unter dem Kolben angeordnet ist. Der obere Totpunkt OT₁ des Kolbens befindet sich beim konventionellen Kurbeltrieb genau zwischen den beiden UT-Stellungen, d. h. bei 180° Kurbelwinkel.

Bei dem Doppelkurbeltrieb gemäß Fig. 1, bei dem die beiden Kurbelwellen 30 und 32 ge­ genüber der Mitte des Kolbens 4 symmetrisch versetzt sind, ergibt sich die durchgezogene Kurve. Ausgehend von der UT-Stellung des Kolbens 4 drehen sich die gegensinning dre­ hen Kurbelwellen 30 und 32, wobei die gemäß Fig. 1 linke Kurbelwelle in Uhrzeigerrich­ tung dreht, um weniger als 180°, bis der obere Totpunkt OT₂ des Kolbens erreicht wird, und dann um mehr als 180°, bis wiederum der untere Totpunkt erreicht wird. Bei einem Vier-Takt-Verfahren steht somit für den Ansaugtakt und dem Arbeitstakt im Vergleich zu einem herkömmlichen Kurbeltrieb ein größerer Winkelbereich und damit ein größerer Zeit­ raum zur Verfügung, was die Füllung und die Ladungsumsetzung begünstigt.

Es versteht sich, daß zahlreiche Modifizierungen und Abänderungen der beschriebenen Ausführungsform möglich sind:

Gemäß Fig. 1 können mehrere Zylinder in Reihe hintereinander angeordnet sein, wobei die Verzahnungen der Kurbelwellen jeweils durch stirnseitige Zahnräder oder durch mitti­ ge Zahnräder gegeben sein kann. Weiter versteht sich, daß nur eine der Kurbelwellen mit dem weiteren Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden sein muß, so daß die Lagerdimen­ sionierung der Kurbelwellen unterschiedlich sein kann.

Die beiden getrennten Lager 40 und 42 an dem Kolben 4 können auch gleichachsig zuein­ ander mittig über den Kurbelwellen angeordnet sein.

Der Kolben 4 kann wegen der durch den Doppelkurbeltrieb bedingten Seitenkraftfreiheit und der insbesondere bei den nicht auf einer gemeinsamen Achse sitzenden Lagern vorhan­ denen Verkippungsfreiheit außerordentlich flach und ohne Hemd ausgebildet werden. Wei­ ter ist eine einfache Ringbestückung möglich.

Der Zylinderkopf gemäß Fig. 2 muß nicht zwingend sphärisch mit sphärisch angeordneten Ventilen angeordnet sein, sondern kann auch als Dachbrennraum ausgebildet sein, wobei dann die konischen Nocken nicht erforderlich sind.

Die Brennkraftmaschine ist in ihrer Anwendung als Otto-Motor dargestellt. Anstelle der drei Zündkerzen 20 gemäß Fig. 2 kann mit nur einer mittigen Zündkerze oder mit mehre­ ren Zündkerzen gearbeitet werden, wobei im Falle von fünf Zündkerzen die eine mittig und die anderen am Außenumfang des Zylinderkopfes jeweils zwischen einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal angeordnet sind.

Es versteht sich, daß die Einlaßventile nicht zwingend größer als die Auslaßventile sein müssen, und daß bei bestimmten Anwendungen die Drehrichtungen der Kurbelwellen ge­ genüber denen der Fig. 1 aus entgegengesetzt sein können.

Die geschilderten Vorteile des aufwendigen Zylinderkopfes in seiner Kombination mit dem Doppelkurbelwellentrieb ergeben sich auch bei ihrer Anwendung an einem Dieselmotor. Ein weiterer Vorteil des geschilderten Zylinderkopfes mit sich diametral gegenüberliegen­ den Einlaßöffnungen und sich diametral gegenüberliegenden Auslaßöffnungen liegt darin, daß der Kopf insgesamt kühler bleibt als ein konventioneller Vierventilkopf, wodurch die Brennkraftmaschine mit höherer Verdichtung betrieben werden kann.

Fig. 4 zeigt ein an die Brennkraftmaschine angeflanschtes Getriebe. Dargestellt ist ein Ge­ häuse 50 des Kurbeltriebes der Brennkraftmaschine mit den Kurbelwellen 30 und 32, die über Zahnräder 52 und 54 miteinander kämmen. An das Kurbelgehäuse 50 ist ein Getriebe 56 angeflanscht, das zwei Eingangswellen 58 und 60 sowie eine Ausgangswelle 62 auf­ weist, die über eine Kupplung 64 mit dem weiteren Antriebsstrang des Fahrzeugs, bei­ spielsweise einer Kardanwelle 66, verbunden ist. Die Eingangswelle 58 wird von der Kur­ belwelle 32 angetrieben; die Eingangswelle 60 wird von der gegenläufig drehenden Kur­ belwelle 30 drehangetrieben.

Die Schieberäder des Getriebes (nicht beziffert) sind mit der Ausgangswelle 62 drehfest verbunden, jedoch gegenüber der Ausgangswelle längs verschiebbar. Auf der Eingangswel­ le 58 sitzt ein Zahnrad (nicht beziffert), das den Rückwärtsgang darstellt. Auf der anderen Eingangswelle 60 sitzen drei Räder, die die Vorwärtsgänge darstellen. Es versteht sich, daß auch vier oder fünf Vorwärtsgänge vorgesehen sein können.

Das schematisch dargestellte Getriebe ist in seinem Aufbau sehr einfach, da es die gegen­ läufige Drehung der Kurbelwellen der Brennkraftmaschine unmittelbar für Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt nutzt.

Claims (7)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (2), in dessen Kopf (8) zwei, mittels je eines Einlaßventils (10, 11) steuerbare Einlaßkanäle (6,7) münden und von dessen Kopf (8), zwei mittels je eines Auslaßventils (14, 15) steuerbare Auslaßka­ näle (12, 13) ausgehen, wobei die Mündungen der Einlaßkanäle und der Auslaßkanäle sich jeweils diametral gegenüberliegend angeordnet sind,
einem in dem Zylinder (2) arbeitenden Kolben (4), und
einer Kurbelwelle, die über ein Pleuel mit dem Kolben verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei über eine Verzahnung (34) miteinander in Eingriff befindliche, sich ge­ gensinnig drehende Kurbelwellen (30, 32) vorgesehen sind, die über je ein Pleuel (36, 38) mit dem Kolben (4) verbunden sind.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinderkopf (8) drei Zündkerzen (20) vorgesehen sind, von denen eine mittig und die anderen beiden am Umfang sich diametral gegenüberliegend zwischen je einem Einlaß­ kanal (6, 7) und einem Auslaßkanal (14, 15) angeordnet sind.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinderkopf (8) fünf Zündkerzen (20) vorgesehen sind, von denen eine mittig und die anderen am Umfang jeweils zwischen einem Einlaßkanal (6, 7) und einem Auslaßkanal (14, 15) angeordnet sind.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pleuel (36, 38) am Kolben (4) in getrennten Lagern (40, 42) gelagert sind, wobei die Lager in Richtung des gegenseitigen Abstandes der Kurbel­ wellen (30, 32) voneinander beabstandet sind.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drehrichtung der Kurbelwellen (30, 32) derart ist, daß sich die in Aufsicht auf die Achsen der Kurbelwellen die linke Kurbelwelle (30) in Uhrzeigerrichtung dreht.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle (6, 7) derart ausgebildet sind, daß im Brennraum ei­ ne umlaufende Wirbelströmung entsteht.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein der Brennkraftmaschine nachgeschaltetes Getriebe (56) zwei Ein­ gangswellen (58, 60) aufweist, von denen je eine von einer der Kurbelwellen (30, 32) an­ getrieben ist und die über Verschiebeverzahnungen mit einer Ausgangswelle (62) verbun­ den sind, wobei die eine Eingangswelle (58) den Rückwärtsgang und die andere Eingangs­ welle (60) die Vorwärtsgänge vermittelt.