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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinderkopf,
- – drei entlang einer Längsachse des mindestens einen Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, und
- – einer zu einem Kurbeltrieb gehörenden Kurbelwelle, die für jeden Zylinder eine dem Zylinder zugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang einer Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- – die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die drei Zylinder in zwei Gruppen konfiguriert sind, wobei die beiden außenliegenden Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind, und der innenliegende Zylinder eine zweite Gruppe bildet und als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d.h. Brennräume, miteinander verbunden werden.
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Moderne Brennkraftmaschinen werden nahezu ausschließlich nach einem vier Takte umfassenden Arbeitsverfahren betrieben. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens drei Zylinder und das Füllen über die Einlassöffnungen. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Der mindestens eine Zylinderkopf dient in der Regel zur Aufnahme dieses Ventiltriebs.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Brennräume bzw. ein effektives, d.h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher werden die Zylinder auch häufig mit mehreren Einlass- bzw. Auslassöffnungen versehen.
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Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Abgasleitungen der drei Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung zusammengeführt.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
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Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist der Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum im Bereich einer Kurbelwellenkröpfung an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt dabei das Drehmoment an den Antriebsstrang.
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Aufgrund der hohen dynamischen Belastung der Kurbelwelle durch die Massen- und Gaskräfte ist man bei der Auslegung der Brennkraftmaschine grundsätzlich bemüht, einen möglichst weitgehenden, d.h. optimierten Massenausgleich zu realisieren. Dabei werden unter dem Begriff Massenausgleich sämtliche Maßnahmen zusammengefasst, die die Wirkung der Massenkräfte nach außen kompensieren bzw. verringern. Insofern betrifft ein Verfahren zum Massenausgleich auch Maßnahmen zum Ausgleich der durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente.
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Ein Massenausgleich kann im Einzelfall bereits durch eine gezielte Abstimmung der Kröpfung der Kurbelwelle, der Anzahl und der Anordnung der Zylinder und der Zündfolge erfolgen.
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Ein vollständiger Massenausgleich ist aber nicht immer realisierbar, so dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, beispielsweise das Anordnen von Gegengewichten auf der Kurbelwelle und/oder die Ausstattung der Brennkraftmaschine mit mindestens einer Ausgleichseinheit bzw. Ausgleichswelle.
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Ausgangspunkt sämtlicher Maßnahmen ist die Überlegung, dass die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche sich aus den Gaskräften und Massenkräften des Kurbeltriebes zusammensetzen, belastet wird. Die Massen des Kurbeltriebes, d.h. die Einzelmassen der Pleuelstange, des Kolbens, des Kolbenbolzens und der Kolbenringe, lassen sich in eine oszillierende Ersatzmasse und eine rotierende Ersatzmasse überführen. Die Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse kann in einfacher Weise durch auf der Kurbelwelle angeordnete Gegengewichte in ihrer Außenwirkung ausgeglichen werden.
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Aufwendiger gestaltet sich der Ausgleich der durch die oszillierende Ersatzmasse hervorgerufenen Massenkraft, die sich näherungsweise aus einer Massenkraft 1. Ordnung, deren zwei Kraftvektoren gegensinnig und jeweils mit Motordrehzahl umlaufen, und einer Massenkraft 2. Ordnung, deren zwei Kraftvektoren gegensinnig und jeweils mit zweifacher Motordrehzahl umlaufen, zusammensetzt, wobei Kräfte höherer Ordnung vernachlässigbar sind.
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Die rotierenden Massenkräfte jeder Ordnung können nahezu ausgeglichen werden durch die Anordnung von zwei gegensinnig rotierenden mit entsprechenden Gewichten versehenen Wellen, sogenannten Ausgleichswellen, zu denen auch die Kurbelwelle gehören kann und üblicherweise auch gehört. Die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung laufen dabei mit Motordrehzahl und die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 2. Ordnung mit zweifacher Motordrehzahl um.
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Zudem ergeben sich selbst bei einem vollständigen Ausgleich der rotierenden Massenkräfte Massenmomente, da die Massenkräfte der einzelnen Zylinder in den Zylindermittelebenen wirken. Diese Massenmomente können im Einzelfall wiederum durch eine mit Gewichten ausgestattete Ausgleichwelle kompensiert werden.
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Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor lassen sich die Massenkräfte 1. Ordnung und die Massenkräfte 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge vollständig ausgleichen, nicht aber die Momente, welche durch die Massenkräfte hervorgerufen werden. Hierzu werden die Kurbelwellenkröpfungen der drei Zylinder in Umfangsrichtung um jeweils 120° versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet und die Zündung in den Zylindern im Abstand von 240°KW initiiert.
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Die durch die rotierenden Massenkräfte 1. Ordnung bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor hervorgerufenen Momente lassen sich durch eine einzelne, mit Motordrehzahl gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle und zwei um 180° versetzt, d.h. verdreht, angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte kompensieren.
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Das Vorsehen einer oder gegebenenfalls mehrerer Ausgleichswellen erhöht nicht nur den Raumbedarf und die Kosten, sondern auch den Kraftstoffverbrauch, weshalb nach dem Stand der Technik bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor üblicherweise auf einen Ausgleich der durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente verzichtet wird. Der erhöhte Kraftstoffverbrauch wird zum einen durch das zusätzliche Gewicht der Ausgleichseinheit, insbesondere der Wellen und der als Unwucht dienenden Gegengewichte, verursacht, welche das Gesamtgewicht der Antriebseinheit spürbar erhöhen. Zum anderen trägt die Ausgleichseinheit mit ihren rotierenden Wellen und anderen bewegten Bauteilen nicht unwesentlich zur Reibleistung der Brennkraftmaschine bei bzw. zur Erhöhung dieser Reibleistung. Letzterem kommt eine besondere Relevanz zu, da die Ausgleichseinheit immer und kontinuierlich in Betrieb ist, sobald die Brennkraftmaschine gestartet und betrieben wird.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.
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Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d.h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe, weshalb sich gerade im Teillastbetrieb Nachteile ergeben, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
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Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung eines Ottomotors entwickelt.
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Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor.
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Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können.
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Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d.h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine solche Teilabschaltung verbessert, d.h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
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Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf.
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Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
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Obwohl Dieselmotoren, d.h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d.h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, kann der Wirkungsgrad auch bei Dieselmotoren mittels Teilabschaltung im Teillastbetreib verbessert, d.h. erhöht werden.
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Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor nach dem Stand der Technik hat aber eine Teilabschaltung, bei der der innenliegende Zylinder als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist und im Rahmen der Teilabschaltung abgeschaltet wird, einen nachteiligen Effekt auf die Geräuschemission der Brennkraftmaschine und zwar aufgrund einer Veränderung der auf die Kurbelwelle einwirkenden Pleuelstangekräfte.
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Die Kurbelwelle wird durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche über die angelenkten Pleuelstangen in die Kurbelwelle eingeleitet werden, zu Drehschwingungen angeregt. Diese Drehschwingungen führen sowohl zu Geräuschen durch Körperschallabstrahlung als auch zu Geräuschen durch Körperschalleinleitung in die Karosserie und in die Brennkraftmaschine, wobei auch Vibrationen auftreten können, die den Fahrkomfort nachteilig beeinflussen, beispielsweise Vibrationen des Lenkrades im Fahrgastinnenraum. Bei Anregung der Kurbelwelle im Eigenfrequenzbereich kann es zu hohen Drehschwingungsamplituden kommen, die sogar zum Dauerbruch führen können. Dies zeigt, dass die Schwingungen nicht nur in Zusammenhang mit dem Geräusch von Interesse sind, sondern vielmehr auch im Hinblick auf die Festigkeit. Ein Massenausgleich der Brennkraftmaschine ist folglich auch im Hinblick auf das Geräuschverhalten der Brennkraftmaschine von Bedeutung.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können und die bei Teilabschaltung ein verbessertes Geräuschverhalten aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinderkopf,
- – drei entlang einer Längsachse des mindestens einen Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, und
- – einer zu einem Kurbeltrieb gehörenden Kurbelwelle, die für jeden Zylinder eine dem Zylinder zugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang einer Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- – die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die drei Zylinder in zwei Gruppen konfiguriert sind, wobei die beiden außenliegenden Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind, und der innenliegende Zylinder eine zweite Gruppe bildet und als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – die Kurbelwellenkröpfung des innenliegenden Zylinders gegenüber den Kurbelwellenkröpfungen der außenliegenden Zylinder in Umfangsrichtung um 180° versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet ist.
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Die Kurbelwelle der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist eine gegenüber dem Stand der Technik veränderte Kurbelwellenkröpfung auf, die bei Teilabschaltung, d.h. bei deaktiviertem innenliegenden Zylinder, zu einem verbesserten Geräuschverhalten führt.
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Die vorgeschlagene Kurbelwelle bringt weitere Vorteile mit sich. Eine Kurbelwelle mit um 180° versetzt auf der Kurbelwelle angeordneten Kurbelwellenkröpfungen lässt sich mit geringeren Toleranzen fertigen als eine Kurbelwelle, bei der die Kurbelwellenkröpfungen der drei Zylinder um jeweils 120° versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet sind.
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Im Gegensatz zu einer Brennkraftmaschine mit herkömmlicher Kurbelwelle ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zudem keine durch Massenkräfte hervorgerufenen Massenmomente in der durch die Zylinderlängsachse des innenliegenden Zylinders verlaufenden Ebene. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt von Hause aus über einen Massenausgleich hinsichtlich der Momente, die aus den Massenkräften resultieren, ohne dass weitere Maßnahmen zu ergreifen sind. Die Massenmomente der außenliegenden Zylinder gleichen sich aus, da die Kröpfungen dieser beiden Zylinder in einer Ebene und auf gegenüberliegenden Seiten des innenliegenden Zylinders liegen.
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Die auftretenden Massenkräfte 1. Ordnung lassen sich mittels einer gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden Ausgleichswelle ausgleichen.
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Die Zündfolge der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ähnelt der Zündfolge eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, bei dem der vierte Zylinder nicht gezündet wird. Ausgehend von der Zündung eines Zylinders wird der nächste Zylinder im Abstand von 180°KW gezündet und der in der Zündfolge darauf folgende Zylinder wiederum im Abstand von 180°KW. Der zuerst gezündete Zylinder wird dann im Abstand von 360°KW erneut gezündet, womit ein Arbeitsspiel von 720°KW, d.h. zwei Kurbelwellenumdrehungen absolviert sind.
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Bei Reihenmotoren werden die Zylinder der Reihe nach durchgezählt. Die Nummerierung der Zylinder einer Brennkraftmaschine ist in der DIN 73021 geregelt. Die Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können beispielsweise in der Reihenfolge 3-2-1 gezündet werden, so dass ausgehend vom dritten Zylinder die Zündzeitpunkte der drei Zylinder in °KW gemessen die Folgenden sind: 0–180–360. Die erneute Zündung des dritten Zylinders wird bei 720°KW initiiert.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine Brennkraftmaschine, die bei Teilabschaltung ein verbessertes Geräuschverhalten aufweist und mit der die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können, weshalb die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe löst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Massenausgleich vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Massenausgleich die Kurbelwelle und eine Ausgleichswelle umfasst.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist hinsichtlich der Massenkräfte 1. Ordnung nicht ausgeglichen. Die rotierenden Massenkräfte 1. Ordnung können aber ausgeglichen werden durch zwei gegensinnig rotierende mit entsprechenden Gewichten versehene Wellen, d.h. durch eine gegensinnig zu Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle und die Kurbelwelle selbst.
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Der zusätzliche durch das Gewicht der Ausgleichswelle und der Ausgleichsgewichte bedingte Kraftstoffverbrauch sowie die erhöhte Reibleistung werden durch die Kraftstoffersparnis infolge Teilabschaltung deutlich überkompensiert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zylinder mit einer Direkteinspritzung ausgestattet sind. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Auf die bereits gemachten Ausführungen wird Bezug genommen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Es ist vorteilhaft, den Abgaskrümmer weitestgehend in den mindestens einen Zylinderkopf zu integrieren, d.h. die Zusammenführung der Abgasleitungen möglichst umfänglich bereits im Zylinderkopf vorzunehmen, da dies zu einer kompakteren Bauweise führt, ein dichtes Packaging gestattet und sich Kostenvorteile und Gewichtsvorteile ergeben. Zudem können sich Vorteile hinsichtlich des Ansprechverhaltens eines im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasturboladers bzw. eines Abgasnachbehandlungssystems sowie hinsichtlich des für den Krümmer zu verwendenden Werkstoffs ergeben, der aus weniger temperaturbeständigem Werkstoff gefertigt werden kann, falls der Zylinderkopf flüssigkeitsgekühlt ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist.
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Eine weitere Maßnahme, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen in einem Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
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Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d.h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
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Die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern, bereitet Schwierigkeiten,. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei mindestens ein mechanischer Lader vorgesehen ist.
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Der Vorteil eines mechanischen Laders, d.h. eines Kompressors, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
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Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch einen zusätzlich vorgesehenen mechanischen Lader, d.h. Kompressor, verbessert werden.
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Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine kann aber auch durch andere Maßnahmen verbessert werden.
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Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Bypassleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet.
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Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt, d.h. abgeblasen.
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Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d.h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Brennkraftmaschine ein Saugmotor ist.
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Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer zuvor beschriebenen Art wird der schaltbare innenliegende Zylinder der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet und zwar in der Art, dass dieser schaltbare Zylinder bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last Tdown abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last Tup zugeschaltet wird.
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Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten Tdown und Tup können gleich groß, aber auch verschieden groß sein. Bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine sind die Zylinder der ersten Zylindergruppe ständig in Betrieb befindliche Zylinder. Es erfolgt ein Schalten der zweiten Zylindergruppe, d.h. ein Zuschalten bzw. Abschalten des zweiten innenliegenden Zylinders.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die vorgebbare Last Tdown und/oder Tup von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist. Dann gibt es nicht nur eine konkrete Last, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten unabhängig von der Drehzahl n geschaltet wird. Vielmehr wird drehzahlabhängig vorgegangen und ein Bereich im Kennfeld definiert, in dem teilabgeschaltet wird.
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Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Teilabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Ist jede Auslassöffnung eines Zylinders mit einem Auslassventil ausgestattet, das zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung unter Vollführung eines maximalen Ventilhubs bewegbar ist, um die Auslassöffnung im Rahmen eines Ladungswechsels für eine vorgebbare Öffnungsdauer freizugeben, kann es vorteilhaft sein, das mindestens eine Auslassventil des zugeschalteten innenliegenden Zylinders der zweiten Gruppe mit anderen Steuerzeiten betätigt wird als die Auslassventile der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Gruppe. Unter dem Begriff Steuerzeiten werden die Öffnungszeit und die Schließzeit eines Ventils subsumiert.
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Die dynamischen Wellenvorgänge bzw. Druckschwankungen im Abgasabführsystem sind der Grund dafür, dass sich die thermodynamisch versetzt arbeitenden Zylinder einer Dreizylinder-Brennkraftmaschine beim Ladungswechsel gegenseitig beeinflussen, insbesondere auch behindern können. Eine verschlechterte Drehmomentcharakteristik bzw. ein gemindertes Leistungsangebot können die Folge sein.
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Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe dem unteren Totpunkt öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgastrakt mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke und in Abhängigkeit von der Leitungsführung infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d.h. verringert.
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Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung weitgehend an, so dass die Verbrennungsgase maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
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Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch die Abgasleitungen der anderen Zylinder entlang und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen und geöffneten Auslassöffnung. Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar unter anderem infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Kurze Abgasleitungen begünstigen die beschriebenen Effekte. Im Einzelfall gelangt Abgas in einen Zylinder, das aus einem anderen Zylinder stammt.
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Die vorstehend beschriebene Problematik betreffend die gegenseitige Einflussnahme der Zylinder beim Ladungswechsel, ist bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen von besonderer Relevanz, insbesondere im Hinblick auf den zweiten innenliegenden Zylinder.
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Die Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden nicht – wie im Stand der Technik – im Abstand von 240°KW gezündet. Vielmehr zündet der zweite innenliegende Zylinder 180°KW vor dem einen außenliegenden Zylinder und 180°KW nach dem anderen außenliegenden Zylinder. Dieser gegenüber dem Stand der Technik verkürzte Zündabstand vergrößert die Gefahr einer gegenseitigen Einflussnahme beim Ladungswechsel.
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In diesem Zusammenhang kann das mindestens eine Auslassventil des zugeschalteten innenliegenden Zylinders der zweiten Gruppe mit einem kleineren maximalen Ventilhub geöffnet werden als die Auslassventile der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Gruppe.
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In diesem Zusammenhang kann das mindestens eine Auslassventil des zugeschalteten innenliegenden Zylinders der zweiten Gruppe auch für eine kürzere Öffnungsdauer geöffnet werden als die Auslassventile der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Gruppe.
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Die Initiierung, d.h. Einleitung der Verbrennung kann sowohl durch eine Fremdzündung, beispielsweise mittels Zündkerze, als auch durch Selbstzündung bzw. Kompressionszündung erfolgen. Insofern lässt sich das Verfahren bei Ottomotoren, aber auch bei Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen anwenden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 die Kurbelwelle einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung.
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1 zeigt die Kurbelwelle 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung. Es handelt sich um die Kurbelwelle 4 eines Drei-Zylinder-Reihenmotors, der drei entlang der Längsachse 4c der Kurbelwelle 4 in Reihe angeordnete Zylinder 1, 2, 3 umfasst. Die Kurbelwellenkröpfungen 11, 12, 13 der drei Zylinder 1, 2, 3 sind um die Längsachse 4a um 180° versetzt zueinander ausgebildet, wobei die Kurbelwellenkröpfung 12 des innenliegenden Zylinders 2 gegenüber den Kurbelwellenkröpfungen 11, 13 der außenliegenden Zylinder 1, 3 in Umfangsrichtung um 180° versetzt auf der Kurbelwelle 4 angeordnet ist. Die Kurbelwelle 4 wird in den Lagern 5 im Kurbelgehäuse aufgenommen und gelagert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Zylinder, außenliegender Zylinder
- 2
- zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder
- 3
- dritter Zylinder, außenliegender Zylinder
- 4
- Kurbelwelle
- 4a
- Längsachse der Kurbelwelle
- 5
- Kurbelwellenlager, Lager
- 11
- Kurbelwellenkröpfung des ersten Zylinders
- 12
- Kurbelwellenkröpfung des zweiten Zylinders
- 13
- Kurbelwellenkröpfung des dritten Zylinders
- °KW
- Grad Kurbelwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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