DE2437946A1

DE2437946A1 - Hubkolben-brennkraftmaschine mit verringertem fahrverbrauch, insbesondere fuer den antrieb von personenkraftwagen

Info

Publication number: DE2437946A1
Application number: DE2437946A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Ing Reisacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-08-07
Filing date: 1974-08-07
Publication date: 1976-02-26
Also published as: FR2281497A1; FR2281498A1; JPS5142813A; JPS5142837A

Description

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit verringertem Fahrverbrauch, insbesondere für den Antrieb von Personenkraftwagen.

PKW-Motore werden durchschnittlich mit einem sehr geringem Prozentsatz der Nennleistung betrieben (Stadtverkehr,Landstraße,Kolonnenverkehr ). Zusammen mit den Eigenverlusten der Hilfs-und Komfortaggregate sind die Eigenverluste des Motors etwa in der Größe dieser durchschnittlichen Nutzleistung. Die konsequente Vermeidung aller derzeit vermeidbar erscheinenden Energieverluste lassen allein durch Maßnahmen am Motor durchschnittliche Brennstoffeinsparungen von 15 bis 3096 erwarten..

Weitere Brennstoffeinsparungen können sich ergeben durch: a- Kleineres Motorgewicht,kleinere Motorabmessungen und günstigere Einbaubedingungen,
b- Verwendung des Dieselverfahrens

Das Dieselverfahren ist gegenüber dem Ottoverfahren bekannterweise sparsamer,weswegen es auch im Sinne der Erfindung ist, den Komfort der Dieselverfahren zu erhöhen, c- Ergänzende Maßnahmen am Antriebsystem und am Fahrzeug. Die Erfindung ist das Ergebnis einer Analyse und eines Minimi erungsansatzes für alle Energieverluste am kompletten Antriebssystem. Entsprechend erstreckt sie sich weitgehend über viele Einzelaggregate und viele Einzelteile der Antriebsmaschine.

Viele Maßnahmen zur Verringerung der Energieverluste sind bekannt. Einige wenige werden vom Erfinder neu hinzugebracht. Ziel der Erfindung ist es,eine Lösung derart zu finden,daß möglichst viele der bekannten und der neu zugebrachten,energiesparenden Maßnahmen in einem Motor der PKW-Größe gleichzeitig realisiert werden können.

Ein zusätzliches Ergebnis der Erfindung ist die Einsparung von Kosten für Produktion,Wartung und Reparatur."

609809/005S

Die Figuren 1 bis 11 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist ein 4 Zylinder-Dieselmotor mit Wirbelkammer und Abgasturboaufladung. Der Motor mit dem Zylindergehäuse 1,der Kurbelwelle 2 und der Nockenwelle 3 ist liegend mit leichter Neigung eigebaut.

1. Anordnung für Hilfs-,Komfort-und nicht angetriebener Aggregate.
1.1. Allgemeines

Die dargestellten Hilfsaggregate,Wassernumpe 41,Einspritzpumpe 42,Brennstoffförderpumpe 43,Schmierölpumpe 44 und Regler 45 werden ebenso wie die Komfortaggregate Hydraulikölpumpe 51 und Luftpresser 52 von der Nockenwelle 3 oder ihren axialen Verlängerungen angetrieben. Der Rotor 461 der Lichtmaschine 46 ist an das freie Kurbelwellenende 210 angeflanscht und der Stator 462 an das Zylindergehäuse 1.

Gleichzeitig sind das Schmierölfilter 61,das Brennstoffilter 62, die Einspritzdüse 63,die Glühkerze 64 und die Wirbelkammer 181 auf der Nockenwellenseite angebracht. Der Kühlwasserthermostat 65 ist mit dem Wasserpumpengehäuse 414,dem Ansaugdeckel 416 und dem Zylindergehäuse 1 kombiniert.

Alle diese Aggregate sind,wie dargestellt,so angebracht,daß sie von der Nockenwellenseite aus für die notwendigen Wartungen und den eventuellen Austausch zugänglich sind.

Die dargestellte,erfindungsgemäße Integration all dieser Aggregate in den Motor führt zu folgenden Vorteilen: a- Verringerung der Verlustleistung.

Für die Hilfs-und Komfortaggregate entfallen weitgehend eigene Gehäuse,Lagerungen,Wellen,Wellendichtungen,sowie die Riemen-, Ketten- oder Zahnradantriebe,
b- Kleinerer Motor

Die integrierten Hilfs-,Komfort- und nicht angetriebenen Aggregate vergrößern die Umrißkonturen des Motors nur ganz unwesentlich. Äußere VerMndungsleitungen entfallen zum Teil, c- Wartungsfreiheit für Hilfs- und Komfortaggregate, d- Einbauvorteile

Die Vorteile a bis c,sowie die Zugänglichkeit aller Wartungsteile von einer Seite aus ermöglicht vorteilhaftere Kombinationen von Motor,Getriebe und Antriebsachse mit geringerem

6G9809/GQ55 "³ "

Gewicht und Raumbedarf,sowie mit geringeren Energieverlusten. Es werden alle Einbauten möglich wie zB.längs oder querliegender Motor,Fronteinbau,Mitteleinbau und Heckeinbau. Besondere Vorteile hat dies auch für die Verwendung, in kleinen LKW's, Bussen und Lieferwagen für den Unterflureinbau. Der Gewinnan Baugewicht und Bauraum ist für eine vorteilhaftere Gestaltung des Fahrzeuges nutzbar,
e- Geräuschisolierung

Der riemenlose,von einer Seite zu wartende Motor ist in ein- . fächer Weise gegen Geräuschabstrahlungen abkapselbar. Der Dieselmotor kann im Fahrkomfort dem Benzinmotor angenähert und damit zu größerer Verbreitung gebracht werden.

Zur beispielsweisen Ausführung und Integration der einzelnen Aggregate ist folgendes zu bemerken:

1.2. Luftpresser 52,Hydraulikölpumpe 51,Wasserpumpe 41,Kühlwasserthermostat 65,Nockenwelle 3 und Geräteträger 18. Die Aggregatwelle 411 treibt mit dem Exzenter 521 das Pleuel 522 und den Kolben 523 des Luftpressers,mit dem Federkeil 5.11 das Primärrad 512 und das Sekundärrad 513 der Hydraulikölpumpe, sowie das Wasserpumpenlaufrad 412 an. Die Schraube 413 befestigt sowohl das Wasserpumpenlaufrad 412 an der Aggregatwelle 411,als auch diese an der Nockenwelle 3 und zwar am vordersten Ventilnocken 331. Die Lager 514 und 515 der Hydraulikölpumpe ersetzen das sonst übliche äußere Nockenwellenlager und die Wellendichtungen 519 der Hydraulikölpumpe 51,die Öldichtungen der Nockenwelle bzw. der Wasserpumpenwelle. Das Wasserpumpengehäuse 414 mit der Wasserdichtung 415 enthält zugleich die Hydraulikölpumpe 51 mit den nicht dargestellten Druckventilen und den Ölanschlüssen 516,51?,sowie den Kühlwasserthermostat-65 und deckt den Ölraum der Nockenwelle bzw. des Luftpressers ab. Der Hydraulikölpumpendeckel 518 übernimmt die Zentrierung der Gehäuse zur Nockenwellenmitte. Der Ansaugdeckel der Wasserpumpe 416 befestigt den Thermostat 65,enthält eine der beiden Ventilsitze 651,652,die Kurzschlußverbindung 653 und den Wasseranschluß 654 vom Kühler. Der Wasseranschluß 655 zum Kühler geht direkt vom ZyIindergehäuse aus. Alle diese Aggregate zusammen benötigen nur ein Gehäuse 414 das zudem,wie dargestellt,druckgußfähig ist und zwei deckelartige Gebilde 518 und 416. Sie vergrößern die Motorkontur

6 0 9 8 0 9/00 5 S ~⁴~

im Querschnitt nicht und beanspruchen in Motorlängsrichtung nicht mehr Baulänge als die übliche Wasserpumpe mit Riemenscheibe.

Werden Hydraulikölpumpe 51 oder Luftpresser 52 nicht benötigt, so vereinfacht sich die Konstruktion entsprechend.

1.3. Schmierölpumpe 44»Nockenwelle 3»Nockenwellenantriebsrad 323,Fliehkraftregler 45,Schmierölfilter 61 und Geräteträger 18

Diese Aggregate sind am hinteren Nockenwellenende dicht über dem Schwungrad angebracht. Die Schmierölpumpe 44 mit dem Primärrad 441 und dem Sekundärrad 442 ist direkt im Geräteträger 18 des Zylindergehäuses 1 angeordnet,sodaß nur ein Ölpumpendeckel 443 zusätzlich benötigt wird. Alle ölanschlüsse,wie der Ansaugstutzen 444,die Verbindungen 445 zum Filter 61 und 446 vom Filter 61 zum ölkühler 66, sind Bohrungen innerhalb des Zylindergehäuses. Die Lager 447 bzw. 448 der Schmierölpumpe sind gleichzeitig Radial-bzw.Axiallager der Nockenwelle. Das Nockenwellenantriebsrad 323 wird über das Zwischenrad 322 vom Kurbelwellenrad 321 angetrieben. Am Wellenstummel 324 kann zB. ein nicht dargestellter serienmäßiger Bosch-Fliehkraftregler 45 mit der Reglerhebelwelle 451 und dem angedeuteten Regelgetänge 452 angebracht werden. Wahlweise kann an dieser Stelle zB. auch eine nicht dargestellte serienmäßige Verteiler- Einspritzpumpe mit Regler und Spritzversteller 47,oder ein nicht dargestellter Klimakompressor 53,oder für Benzinmotore ein nicht dargestellter Zündverteiler 48 usw. angebracht werden.

Diese Aggregate vergrößern die Motorkontur im Querschnitt nicht und in Längsrichtung nur wenig,direkt oberhalb des Schwungradgehäuses 91.

1.4. Einspritzpumpe 42,ladeluftdruckabhängige Regelstangenhubbegrenzung 458,Membraneregler 459,Nockenwelle 3 und Geräteträger 18.

Die Einspritzpumpe 42 besteht aus den dargestellten serienmäßigen Elementen 421 von Reiheneinspritzpumpen. Diese sind im Gehäuse 422 so angeordnet,daß sie von Nocken 423 auf der Nockenwelle 3 angetrieben werden und die Einspritzpumpe 42 als komplettes Aggregat in den Geräteträger 18 des Zylinder-

609809/0055 ~⁵~

2437346

gehäuses 1 eingesteckt werden kann. Die besondere später beschriebene Ausbildung von Ventiltrieb und Zylindergehäuse macht diese Anordnung erst vorteilhaft möglich. Trotz der geringen Zylinderabstände sehr kleiner PKW-Motore ist die Anbringung von 2 oder mehr Einspritzpumpeneleraenten 421 zwischen dem Einlaßnocken 331 und dem Auslaßnocken 341 eines Zylinders möglich. Die Regelstange 424 der Einspritzpumpe liegt außerhalb des Zylindergehäuses 1 und kann somit in üblicherweise mit einem üblichen,nicht dargestellten,im Raum 453 angeordneten Regelgestänge und Regelhebelwerk kombiniert werden.

Die Einstellung und Fördermengenabstimmung der einzelnen Einspritzelemente mittels der Schraube 425 und dem Klemmstück 426,durch verdrehen der Pumpensterapel,liegt ebenfalls außerhalb des Zylindergehäuses 1. Die Einstellung und Abstimmung der Einspritzpumpe kann also bei montiertem Motor erfolgen. Zwischen den beiden dargestellten Elementpaaren 421 der Einspritzpumpe sind zwei Ventilnocken 331 und ein Nockenwellenlager 312 angeordnet. Der entsprechende darüberliegende Raum im Einspritzpumpengehäuse kann zB. zur Anbringung einer bekannten, nicht dargestellten,vom ladeluftdruck abhängigen Regelstangenhubbegrenzung 458 oder,und,zur Anbringung eines bekannten,nicht dargestellten Membranereglers 459 statt des Fliehkraftreglers 44,verwendet werden.

Diese Anordnung ermöglicht es die funktionstechnischen Vorteile der Reihenpumpe gegenüber der Verteilerpumpe zu erhalten,die Reihenpumpe zu verbilligen,Leistungsv.erluste durch fortfallende Lagerungen und Antriebe zu verringern und die Motorkontur durch die Anordnung der Einspritzpumpe nicht zu vergrößern.

Wegen der geringen Länge der Einspritzlei tungen 631 benötigt man keinen Spritzversteller. Wird ein Spritzversteller aus besonderen G-ründen trotzdem gewünscht,so wird er durch den später dargestellten Schwinghebelantriefr der Einspritzpumpenelemente möglich.

1.5. Brennstofförderpumpe 43,Brennstoffilter 62,Nockenwelle und Geräteträger 18.

Die Brennstofförderpumpe 43 in üblicher Ausführung wird von der Nockenwelle 3 über den Fördernocken 431 und den Stößel

- 6 609809/0055

angetrieben. Die Kombination von Brennstofförderpumpe 43 und Brennstoffilter in einem Gehäuse 433 erspart äußere Verbindungsleitungen und ermöglicht die Anbringung beider Geräte direkt neben der Einspritzpumpe anf dem Geräteträger

1.6. Lichtmaschine 46,Kühlluftventilator 48 und Kurbelwelle 2.

Der Rotor 461 der Lichtmaschine ist an aas freie Kurbelwellenende 210 angeflanscht. Der Kühlluftventilator 48 ist beispielsweise am freien Ende des Rotors 461 zB. unter Zwischenschaltung einer bekannten von der Kühlwassertemperatur geregelten energiesparenden Kupplung 481 angeordnet.

Der Elektroantrieb des Kühlluftventilators 48 dürfte voraus-

462

sichtlich noch energiesparender sein. Der Stator^der Lichtmaschine ist am Zylindergehäuse 1 befestigt.

Damit entfällt sowohl die Lagerung als auch der übliche Riemenantrieb für die Lichtmaschine.

1.7. Zusammenfassung - Hilfsaggregatenanordnung

Es wurde unter Berücksichtigung der noch folgenden Erläuterungen, eine konstruktive Lösung für die weitgehende Integration aller für den Fahrzeugantrieb verwendeten Aggregate in ,

gefunden

den Motor »trotz der kleinen Abmessungen von PKW-Motorenj^welche die beschriebenen Vorteile realisierbar macht. Die Lösung hat weiter den Vorteil,daß trotz des Portfalls vieler Teile für die Hilfe- Komfort- und Wartungsaggregate nur bewährte Grundelemente verwendet werden.

Die Realisierung birgt also kein großes Entwicklungsrisiko und wird keine überhöhten Entwicklungskosten und Entwicklungszeiten beanspruchen.

2. Zylindergehäuse 1

Das Zylindergehäuse 1 umfaßt den Bereich des Zylinderkopfes 11, den oberen Teil des Kurbelgehäuses 15 mit den Zylinderlaufbahnen 151 und den Anflanschflächen für die Lagerböcke 152 sowie dem Geräteträger 18. Es ist aus einem Stück gegossen. Die Ausführung von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse aus einem Gußstück war die ursprüngliche Form im Motorenbau. Siehe zB. Otto,Daimler usw. Sie wurde wegen zu hohen Gußausschusses verlassen. Der heutige Stand der Hotbox-Pormtechnik macht

609809/0055 " ⁷ "

die Herstellung solcher Gußteile problemlos,besonders dann, wenn sie durch verkürzte Kurbelgehäuse und offene Nockenwellenräuüie noch vereinfacht werden.

Aus der dargestellten Konstrukxion ergeben sich folgende Vorteile:

2.1. Abstandsmaße

Die Herstellung von genauen Abstandsmaßen zwischen Kurbelwelle 2, Nockenwelle 3 und den Aufnahmeflächen der einzelnen Hilfsaggregate ist gewährleistet.

2.2. Aggregate

Die Nockenwelle 3 und die Hilfsaggregate werden durch das Fehlen der üblichen Trennebene zwischen Zylinderkopf und Kurbelgehäuse, so anordenbar,daß die Aggregate zB. in der beschriebenen Form in den Geräteträger 18 des Zylindergehäuses 1 integriert werden können.

2.3. Ventiltrieb

Der Antrieb der Einlaßventile 131 und der Auslaßventile 141 erfolgt über Schwinghebel 132,Stoßstangen 133 eventuell mit automatischen Ventilspielausgleich 134 und Kipphebel 135,145. Die Verwendung von Schwinghebeln 132 mit einem hubvergrößernden Übersetzungsverhältnis statt Ventilstößel und das Fehlen von Zylinderkopfschrauben sind mit entscheidende Faktoren,welche die dargestellte Aggregatanordnung für PKW-Motoren vorteilhaft machen.

2.4. Rundheit von Zylinderlaufbüchse und Ventilsitzen.

Es sind keine Zylinderkopfschrauben vorhanden. Entsprechend gibt es keine örtliche Behinderung der Kühlung am Umfang der Zylinderlaufbahn 151 und der Ventilsitze 136 und 146. Die örtlichen Temperaturdifferenzen und die damit zusammenhängenden Verformungen an diesen Stellen werden verringert. Da auch keine Verspannungen durch Schrauben-,Gewinde- und Dichtungskräfte auftreten können,bleiben Zylinderlauffläche und Ventilsitze unabhängig vom Lastzustand des Motors weitgehend rund. Es folgen geringere Energieverluste durch Kolben- und Kolbenringreibung, durch gut dichtende Kolbenringe und gut schließende Ventile. Auch der Verschleiß von Zylinderlaufbahnen,Kolben,

609809/00 S5

- Q

Kolbenringen,Ventilen und Ventilsitzen verringert sich.

2.5. ladungswechselverluste.

Die dargestellte Ventilanordnung mit leicht schräg gestellten Ventilen und einer Kugelkalotte 153 als Brennraumabschluß wirkt sich nicht nachteilig für die Gestaltung des Brennraumes 121 über dem Kolben 122 aus. Andererseits können aber große Ventile 131,141 verwendet werden und bei geöffneten Ventilen ist der Abstand 137,147 zwischen Ventilteller und Zylinderlauffläche groß genug um Ltirchströmbehinderungen zu vermeiden. Die Ventile werden vorteilhaft so stark geneigt,daß sich die Ventiltriebe benachbarter Zylinder nicht behindern. Die Kipphebel 135,145 kommen dabei so weit aus der Zylindermitte, daß trotz kleiner Zylinderabstände auch die Anordnung von Wirbelkammern 181 bzw. Vorkammern oder geteilter Brennräume 191 für die magere Benzinverbrennung,selbst bei kleinen Motoren,problemlos möglich wird.

Die Anordnung von 2 oder mehr Einspritzelementen 421 zwischen den Ventilnocken eines Zylinders wird dadurch ebenfalls erleichtert. Die dargestellte Ventilanordnung ergibt bei optimalen Möglichkeiten für die Brennraumgestaltung große Strömungsquerschnitte an den Ventilen mit entsprechend geringen Ladungswechselverlusten und zusätzlich die erwähnten Vorteile bei der Anordnung der Aggregate. Der Kühlwasserraum zwischen den Ventilkanälem wird vergrößert. Für Benzinmotore können größere Ventilneigungen dadurch erreicht werden,daß die Auslaßventile weiter nach der Auslaßseite und die Einlaßventile nach der Nockenwellenseite hin angeordnet werden. Für Dieselmotore ist das nicht zu empfehlen.

2.6. Ventilkanäle

Da keine Zylinderkopfschrauben vorhanden sind,können die Auslaßkanäle 149 und die Einlaßkanäle 139 weitgehe»d frei nach optimalen Gesichtspunkten für die Strömungstechnik und die Abgasturboaufladung gestaltet werden. Dadurch kann zB. der Abgasturbolader 7 ohne Auspuffleitung direkt mit dem Turbinengehäuse 71 an das Zylindergehäuse 1 angeflanscht werden. Die kurzen Auslaßkanäle 149,welche zusammen zwischen den Auslaßventilsitzen 146 und dem Turbinengehauseanschluß eine ' Länge von weniger als 1,3 mal der Summe der Zylinderdurch-

609809/0055

ORlGUSlAL INSPECTED

243794b -9'

messer haben und die Anordnung von Laäelufteintritt und Abgasaustritt auf einer Motorseite sind Voraussetzungen dafür, daß optimale Bedingungen für die Abgasturboaufladung von Motoren geschaffen werden kennen. Es ist dabei weiter vorteilhaft, daß die Ladeluft in Zylinderrichtung über die Einlaßkanäle 139 zuströmt,während die Abgase senkrecht dazu über die Auslaßkanäle 149 in die Turbine abströmen. Die Mitte der Abgasturbine 74 kann extrem nahe am Zylindergehäuse angebracht werden,sodaß sich die äußere Kontur 721 des Verdichtergehäuses 72 mit der Verlängerung der Anschlußflächen der Ventilkanäle 113,114,am Zylinderkopf 11 überschneidet. Damit wird ein kleinstmögliches Leitungsvolumen des Turbinengehäuses erreicht. Da im Regelfall vorteilhaft die Luft von der Motorvordeseite zuströmt und das Abgas zur Schwungradseite abströmt, können alle Vorteile zusammen nur realisiert werden,wenn die Abgasturbine,bei Ansicht auf die Turbine,im Uhrzeigersinn rotiert. Paradoxerweise haben alle in Serie befindlichen Abgasturbolader die umgekehrte Drehrichtung. Die Idealkombination von Motor und Abgasturbolader ist also nur bei einer Umkehrung der Drehrichtung bzw. spiegelbildlichen Ausführung der serienmäßigen Turbolader möglich.

Der Ladeluftsammler 76 wird dabei vorteilhaft mit der Ventilhaube 129 kombiniert,so angebracht,daß der Ladelufteintritt vom Verdichtergehäuse 72 über eine geradlinige Steckverbindung 722,welche auch als Portsetzung des Diffusors des Verdichtergehäuses 72 ausgebildet sein kann,erfolgt. Gleichzeitig ergibt sich dabei der Vorteil,daß auch der Schmierölrücklauf vom Lagergehäuse 73 des Abgasturboladers in den Ölraum des Motors als einfache Steckverbindung 731 ausgebildet sein kann.

3. Abgasturboaufladung

Die Verwendung eines Abgasturboladers ermöglicht es für eine gewünschte Nennleistung einen Motor mit einem bis zu 40% kleineren Hubvolumen zu verwenden. Dieser hat bekannterweise auch geringere Eigenreibungsverluste. Zusätzlich hat er ein geringeres Gewicht und kleinere Abmessungen. Pur Benzinmotore kommen bei Teillast noch geringere Ladungswechselverluste durch die geringere Ansaugdrosselung des kleineren Motors hinzu. Bereits diese Vorteile sind so groß,daß die Brennstoffverteuerung die Abgasturboaufladung auch für den PKW-Motor erzwingen wird.

609809/00 55 - 10 - .

In der dargestellten,früher beschriebenen Form der Anordnung sind auch die Voraussetzungen für eine verbesserte Ausnutzung der Abgasenergie und für die Vermeidung von Verlusten im Gasstrom gegeben. Die verbesserte Ausnutzung der Abgasenergie ergibt neben der Srennstoffeinsparung bekanntermaßen auch bessere Fahreigenschaften für den aufgeladenen Kotor. Das ist ein höheres Drehmoment des Motors bei kleinen Fotordrehzahlen und ein rascheres Reagieren des Ladedruckes auf das Gasgeben. Diese Eigenschaften können bekannterweise weiter durch eine besondere Reglercharakteristik für Vollast und oder durch ladeluft- oder Abgasabblasung weiter verbessert werden. Damit sind aber geringe Energieverluste verbunden. Bei Benzinmotoren ist die Anordnung einer Drosselklappe vor dem Verdichter vorteilhaft.

Die Verwendung eines wassergekühlten Turbinengehäuses ermöglicht eine einfache Kapselung der Antriebsmaschine gegen Geräuschabstrahlung.

4. Kurbelwelle 2 und Kurbelwellenlagerung 21 Üblicherweise sind Pleuellager 22 etwa drei mal so hoch als Hauptlager 21 belastbar. Wenn es gelingt Hauptlager 21 etwa gleich hoch als Pleuellager 22 zu belasten,können diese (21) kleiner ausgeführt werden. Besonders die Verringerung des Hauptlagerdurchmessers ergibt eine starke Verringerung der Lagerreibungsverluste. (Etwa mit der vierten Potenz des Lagerdurchmessers bei gleicher Lagerbreite.) Erfindungsgemäß wird das dadurch möglich,daß auch die Hauptlagerflächen in den Hauptbelastungszonen nicht mehr durch Schmierölnuten unterbrochen werden. Das Endlager 211 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit, die der vom Erfinder vorgeschlagenen Lagerung für Abgasturbolader entspricht. Eine umlaufende Schmierölnut 212 ist extrem einseitig von der Lagertragfläche 213 angeordnet. Die serienmäßig übliche Anordnung der Schmierölzufuhrnut in der Lagermitte ist die denkbar ungünstigste Form. Die übrigen Lager 215 zeigen eine Lösungsmöglichkeit entsprechend der serienmäßigen Pleuellagerausführung. Die ölzufuhr erfolgt aus dem Inneren der Kurbelwelle über Bohrungen 201,202. Diese Ausführung setzt allerdings eine hohle Kurbelwelle 2 voraus. Durch Feinguß mit Keramikkernen kann eine solche Kurbelwelle mit fertiggegossenen Ölkanälen und Schleifmaßzu-

- 11 609809/0055

2437346 - ii -

gäbe an den Lagerstellen hergestellt werden. Der Felngußrohling dürfte teurer sein als der Schmiedercillng,dafür wird die mechanische Bearbeitung der Kurbelwelle aber erheblich verbilligt.

Eine weitere Erhöhung der Lagertragfähigieit wird bekannterweise dadurch erreicht,daß die lager nach den Hauptbeanspruchungsrichtungen begrenzt elastisch verformbar sind. Die Lagerbohrung schmiegt sich bei Belastung dem Wellenzapfen über größere Flächenbereiche an und erhöht damit die Tragfähigkeit des Ölfilms. Ebenso verhindert eine begrenzte Elastizität der Lager in Motorlängsrichtung das Auftreten von hohen Kantenpressungen. Diese vorteilhafte Elastizität der Hauptlager wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,daß das EyIIndergehäuse über der Kurbelwelle abgeschnitten wird. Die Lager werden als lagerböcke 216,217,die vorteilhaft aus zwei gleichen Teilen bestehen, an die Fläche 152 des Zylindergehäuses 1 angeschraubt.Me Ausführung dieser leicht auswechselbaren Teile zB.aus einer geeigneten Leichtmetallegierung läßt erwarten,daß die relativ teuren Lagerschalen eingespart werden können,

5. Regler

Der im Diesel- PKW gebräuchlichste Segler ist der Unterdruek-Membraneregler der Firma Bosch.Dieser hat in seiner derzeitigen Form zwei Nachteile.

a. Er ergibt zusätzliche Ladungswechselverluste durch Ansaugdrosselung,vorallem im Leerlaufbereich und bei Abschaltung der Brennstoffzufuhr.

b. Er ist für die Abgasturboaufladung nicht geeignet.

Der Fliehkraftregler 45 ist zwar teurer,hat aber diese beiden Nachteile nicht.Die Brennstoffeinsparung dürfte den Mehrpreis. in kurzer Zeit aufwiegen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung des billigen Unterdruck- Membranereglers 459,wobei jedoch, die Leerlaufdrehzahl nicht geregelt wird.Der Regler 459 belnflußt die Brennstofffördermenge entlang der Vollastkurve ohne Drosselung Im Luftansaugsystem. Eine sehr wenig drosselnde Klappe dient lediglich zur Festlegung der Abregelkurve von Nennleistung zur Maximaldrehzahl bei Motorentlastung.Für abgasturboaufgeladene Motoren hat sie vorallem die Angabe die Abhängigkeit der Ansaugluftmenge bzw.des von ihr erzeugten Unierdruckes vom Lade-

- 12 -

609809/005S

druck in etwa zu kompensieren.

Ba keine Regelung der Leerlaufdrehzahl durch einen solchen Regler erfolgen kann,wird eine fest einstellbare Leerlaufbrenn· stoffxenge beutzt,womit auch die Einstellung der Leerlaufdrehzahl verbunden ist.Die totale Absperrung der Brennstoffeinspritzung kann getrennt erfolgen,wenn, der Kotor über einer bestimmten Drehzahl läuft und das gaspedal nich genügend stark betätigt ist.

Diese Lösung nach dem billigeren Prinzip des Unterdruck- Membranereglers würde den Nachteil b. ganz und den Nachteil a. zum großen Teil vermeiden.

Wegen der sehr kurzen Einspritzleitungen wird,wie bereits erwähnt,normalerweise kein Spritzversteller verwendet werden. Pur sonderfälle besteht eine einfache Ausführungsmöglichkeit für eine Spritzverstellung zB. nach Figur 9. Die Einspritzelemente 411 werden über Schwinghebel 391 und Stoßstangen. 392,zB. mit einer Längenverstellung 393,statt durch Rollenstößel angetrieben.Die Exzenterwelle 394 verändert bei Verdrehung durch die Verschiebung der Schwinghebel 391 gegenüber dem Fördernocken 395 den Förderbeginn der Einspritzpumpe.Die Arbeit zur Verstellung der Exzenterwelle ist sehr gering,sodaß der Regler die Aufgabe der Spritzverstellung zusätzlich übernehmen kann.

Dasselbe Prinzip der Lagerung der Schwinghebel auf verdrehbaren Exzentern kann natürlich auch für den dargestellten Ventiltrieb verwendet werden,um auf einfache Weise regelbare Ventilsteuerzeiten realisieren zu können.

6.Verbrennungsverfahren

6.1. Dieselmotor

6.1.1. DirekteinsOritzung

Das s-narsamste Dieselverfahren ist die Direkteinspritzung. Sie hat sich im LKW- Bereich allgemein durchgesetzt.Der derzeitige -Entwicklungsstand ist für PKW- Ansprüche jedoch nicht ausreichend.

6.1.2. Vorkammerverfahren

Das ist das derzeit kultivierteste Verfahren,vorallem bezüglich dem Kaltstartverhalten und der Laufruhe.Es hat aber^infolge der großen Drosselverluste durch die engen Vorkammerbohrungenjden ungünstigsten Brennstoffverbrauch unter den

609809/0055 - 13 -

Dieselverfahren.

6.1.3. Wirbelkammerverfahren (Pig.2) Geringe Nachteile bezüglich Kaltstartverhalten und Laufruhe bei kaltem Motor sind vorhanden.Der Brennstoffverbrauch ist aber günstiger als beim Vorkammerverfahren. Erfindungsgemäß sollen diese Nachteile dadurch verringert werden,daß die Wirbelkammer 181,entsprechend bekannter Vorkammerausführungen, vom Kühlsystem isoliert eingebaut wird, also keine gekühlten Oberflächenanteile aufweist und außerdem eine Aufspritzschale 182 enthält,welche möglichst dünnwandig ist und sich daaurch nach dem Start des Motors rasch erwärmen kann.

Die Geräuschabkapselung der Antriebsmaschine ist eine weitere bekannte Möglichkeit der Erhöhung des Fahrkomforts,oder zur Anwendung nicht ganz so komfortabler,aber sparsamerer Verbrennungsverfahren .

6.2. Benzinmotor.

6.2.1. Extrem magere Verbrennung.(Fig.10) Die extrem magere Verbrennung zur Abgasentgiftung zB.durch die Verwendung eines gekühlten Vorbrennraumes 191 mit Ladungsschichtung zB.durch Gemischrotation ,Niederdruckeinspritzung 192 und Zündkerze 193 ergibt voraussichtlich eine nennenswerte Verbrauchsverbesserung gegenüber üblichen Benzinmotoren, vorallem bei Teillast.Zum Teil ist diese auf einen besseren thermischen Wirkungsgrad und eine vollständigere Verbrennung im Motorzylinder,zum anderen Teil auf die verringerte Ansaugdrosselung zurückzuführen.

Die Regelprobleme würden sich vereinfachen;. Die Brennstoffeinspritzung gibt zusätzliche Verbrauchsvorteile gegenüber dem Vergaserbetrieb. Zusätzliche Einrichtungen zur Abgasentgiftung nach dem Motor würden sich erübrigen.

Figur 10 zeigt,daß auch die Vorbrennkammer 191 anstatt der Vorkammer 181 im dargestellten Konstruktionsprinzip selbst für kleine PKW-Motore untergebracht werden kann. Derzeit übliche Benzin-Verbrennungsverfahren zB. nach Figur 11 sind problemlos unterzubringen.

Die bishef beschriebenen Maßnahmen zur Energieeinsparung für Fahrzeugantriebe sind weitgehend mit Einsparungen· an Kosten, Gewicht und Raumbedarf für den Motor verbunden. Darüberhinausgehende Brennstoffeinsparungen sind bekannterweise möglch.

603809/0055 - U -

Ihre Einführung wird von der langfristigen Entwicklung der Brennstoffpreise abhängig sein und einen zweiten,späteren Entwicklungsschritt darstellen. Solche Möglichkeiten zur Brennstoffeinsparung sind zB. :

7. Freilauf oder Leerlauf.

Bis vor wenigen Jahren war für alle Zweitaktmotore der Firma Auto-Union der Freilauf ein serienmäßiger Bestandteil der Fahrzeuge. Damit wurden erhebliche Brennstoffeinsparungen nachgewiesen. Dasselbe könnte erreicht werden,wenn zB. die Kupplung so in das Regelsystem einbezogen würde,daß bei nichtbetätigtem Gaspedal der Motor abgekuppelt wird und damit auf Leerlaufdrehzahl zurückfällt,wenn die Motordrehzahl im gekuppelten Zustand über einem einzustellenden Grenzwert liegen würde.

8. Hybried- Antriebe

Der vom Kolbenmotor getrennte Antrieb des Fahrzeuges über einen kleinen Elektromotor mit etwa 4 bis 10% der Motornennleistung zB. mit 2 bis eventuell 8 PS würde folgende Vorteile ergeben:

8.1. Verringerte Kaltstart-Anforderungen.

Das Fahrzeug könnte geräuschlos aus der Garage bzw. dem Wohnbereich gefahren werden. Der Start des Kolbenmotors erfolgt durch einkuppeln bei laufendem Fahrzeug mit wesentlich höherer Startdrehzahl und unter zusätzlicher Ausnutzung der Bewegungsenergie des Fahrzeuges. Daraus ergeben sich erheblich geringere Anforderungen an das'Kaltstartverhalten von PKW-Diesel-Motoren.

8.2. Verwendung von Motoren mit günstigerem Brennstoffverbrauch .

Die verringerten Anforderungen an die Kaltstartbedingungen würden es ermöglichen die überhöhten Verdichtungsverhältnisse von PKW-Dieselmotoren/auf Normalwerte zu reduzieren. Damit sind Brennstoffverbrauchsverbesserungen für alle Lastzustände und Verbesserungen der Abgase verbunden.

Eventuell könnte unter dieser Voraussetzung sogar das noch sparsamere Direkteinspritzverfahren auch für den PKW-Antrieb zur Brauchbarkeit entwickelt werden.

Die einfache Möglichkeit der Geräuschabkappselung des erfin-

609809/0055 - 15'-

dungsgemäßen Motors ist in diesem Zusammenhang zusätzlich vorteilhaft,für hohe Komfortansprüche vielleicht sogar ausschlaggebend.

8.3. Langsamverkehr

Ein großer Teil des Stadt- Berufs- Einkaufs- und Kolonnenverkehrs könnte mit dem kleinen Elektromotor erledigt werden. Die größeren Verlustleistungsanteile von Kolbenmotor und Getriebe würden für diese Fahrzeiten und Fahrstrecken vermieden. Die Elektrobatterien könnten relativ klein sein,da die Wiederaufladung gleich nach dem Start des Kolbenmotors erfolgen kann. Die Luftverunreinigung in den Bereichen der Städte wird verringert.

8.4. Gewicht- und Raumbedarf.

Der erfindungsgemäße riemenlose,wartungsarme,leichte und kleine Motor mit den beschriebenen vorteilhaften Einbaumöglichkeiten spart im Fahrzeug große Anteile an Raumbedarf und Gewicht ein, die für die Unterbringung zB. eines verkleinerten Elektroantriebes nötig sind. Er ist also gewissermaßen eine Voraussetzung für eine spätere marktgerechte Realisierung -<ron energiesparenden Hybriedantrieben für Fahrzeuge,insbesondere für Personenkraftwagen.

- 16 -

609809/0055

Claims

Patentansprüche

1. Hubkolben- Brennkraftmaschine,insbesondere für Personen kraftwagen- und ähnliche Antriebe,dadurch gekennzeichnet,daß die überwiegende Mehrzahl der verwendeten Hilfsaggregate,wie zB. Wasserpumpe 41,Einspritzpumpe 42 bzw.47,Brennstofförderpumpe43.Schmierölpumpe 44,Regler 45,Lichtmaschine 46,Zündverteiler 48,Kühlluftventilator 49 und der Komfortaggregate,wie zB.Hydraulikölpumpe 51,luftpresser 52,vorteilhaft jedoch alle, weche verwendet werden,von der Nockenwelle 3,oder der Kurbelwelle' 2,oder ihren axialen Verlängerungen angetrieben werden, soweit sie nichtjvom Motor getrennt angebracht und zB. elektrisch angetrieben sind,

oder,und,die überwiegende Mehrzahl dieser Aggregate und der nicht angetriebenen Aggregate,wie zB.Schmierölfilter 61,Brennstoff ilter 62,Einspritzdüse 63,Glühkerze 64,Kühlwasserthermostat 65,Regelgestänge 453 und eventuelle Spezialregler 458,459, vorteilhaft alle welche verwendet werden,so angeordnet sind, daß sie von einer Seite des Motors aus gewartet,eingestellt und ausgewechselt werden können,

oder,und,das Zylindergehäuse 1 bestehend aus dem Zylinderkopf 11,dem oberen Teil des Kurbelgehäuses 15 und dem Aggregateträger 18 aus einem Stück gegossen ist,über der Kurbelwellenlagerung endet und die Kurbelwellellenlager in Form einzelner Lagerböcke 211 bzw.215 mit vorteilhaft weitgehend gleichen Ober- und Unterteilen an das Zylindergehäuse angeflanscht sind, oder,und,die Fläche der Kurbelwellenhauptlager 21 kleiner als 130%,vorteilhaft jedoch gleich oder kleiner als 100% der Fläche der Pleuellager 22 istjund die Lagerfläche der Hauptlager 21 im Bereich und zur Zeit der Hauptbeanspruchung vorteilhaft nicht durch Schmierölnuten bzw.Bohrungen unterbrochen wird, oder,und,der Antrieb der Ventile 141,131,über Schwinghebel 132,Stoßstangen 133 und Kipphebel erfolgt,wobei die Schwinghebel 132 ein hubvergrößerndes Übersetzungsverhältnis haben, oder,und,ein vom Ansaugunterdruck des Motors gesteuerter Regler zB.ein Membraneregler verwendet wird,der die Leerlaufdrehzahl des Motors nicht regelt und keine stark drosselnde,bei kleiner Motordrehzahl wirksame,Drosselklappe aufweist.

- 17 -

609809/0055

oder,und,der Motor mit einem Abgasturbolader derart kombiniert ist,daß das Turbinengehäuse direkt an den Zylinderkopf angeflanscht ist,der Ladeluftsammler in Hubrichtung
über der Ventilhaube angeordnet ist uiid der Abgasturbolader,
gesehen auf die Turbine,im Uhrzeigersinn rotiert.

2. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß außer zum Antrieb der Nockenwelle keine weiteren kraftführenden mechanischen Hilfsantriebe durch Riemen,
Ketten,Zahnräder usw. vorhanden sind.

3. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet,daß der Motor liegend oder geneigt eingebaut
und die Ölwanne unter der Nockenwelle 3 angeordnet ist,sodaß
bei Abnahme der ölwanne die Antriebselemente der Ventilsteuerung und vieler Hilfsaggregate zugänglich werden.

4. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,daß die Brennstoffeinspritzpumpe aus einem Einsteckaggregat 42 ohne eigene Welle und Lager besteht,wobei
mindestens zwei Einspritzpumpenelemente 421 zwischen dem Einlaßventilnocken 331 und dem Auslaßventilnocken 341 eines Motorzylinders angeordnet sind und vorteilhaft sowohl die Regelstange 424 als auch die Pördermengenabstimmung 425 der einzelnen Pumpenelemente bei montiertem Motor zugänglich sind.

5. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet,daß die Einlaßventile 131 und die Auslaßventile 141 schräg zur Zylinderachse so angeordnet sind,daß sie sich
in die Kugelkalotte 153 des Brennraumes einfügen dessen Kugelradius dadurch bestimmt wird,daß sich die Ventiltriebe benachbarter Zylinder nicht stören,der Auslaß- und Einlaßventiltrieb eines Zylinders aber so weit wie möglich aus der Zylindermitte verlegt wird.

6. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet,daß der Abgasturbolader 7 mit dem Motor derart
kombiniert ist,daß das Turbinengehäuse 71 direkt an das Zylindergehäuse 1 angeflanscht ist,wobei die Länge der Auspuffkanäle mit allen Verzweigungen bis zum Eintrittsflansch des

- 18 - ·

809809/005S

ÄL INSPECTS»

243794b

Turbinengehäuses 71 kleiner als 1,6 mal,vorteilhaft kleiner als 1,3 mal der Summe der Zylinderdurchmesser ist,daß die Auslaßkanäle 149 und die Einlaßkanäle 139 auf einer Motorseite angeordnet sind,die Anschlußflächen 113,114 am Zylinderkopf 11 einen Winkel zueinander aufweisen und daß die Mitte des Abgasturboladers 701 dertart nahe am Zylindergehäuse 1 liegt,daß sich die Außenkontur 721 des Verdichtergehäuses 72 mit den Verlängerungen der Planschkonturen 113,114 des Zylindergehäuses überschneidet.

7. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet,daß der Ladeluftsammler 76 in Verlängerung der Zylinderachsen über der Ventilhaube 129 bzw. dem Einlaßkanalanschluß 113 liegt,mit einer Steckverbindung 722 mit dem Verdichtergehäuse 72 verbunden ist,welche vorteilhaft eine Fortsetzung des Diffusors des Verdichtergehäuses 72 darstellt,der Ladeluftsammler 76 mit der Ventilhaube 129 gemeinsame Wandpartien aufweist und daß vorteilhaft auch der Schmierölrückfluß vom Lagergehäuse 73 des Abgasturboladers über eine Steckverbindung 731 in die Ventilhaube 129 erfolgt.

8. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet,daß die Schmierölzufuhr zu den Hauptlagern 21 der Kurbelwelle entweder durch einseitig neben der Lagerfläche angeordnete Ölnuten,oder durch Kanäle bzw. Bohrungen 201,202 aus dem Inneren der Kurbelwelle erfolgt.

9. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet,daß die Kurbelwelle aus Peinguß hergestellt wird und die Ölkanäle und Ölbohrungen 201,202 vorteilhaft mittels Keramikkernen eingegossen sind.

10. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet,daß im Falle der Ausführung als Diesel- Wirbelkammermotor die Wirbelkammer 181,analog bekannter Vorkammerausführungen weitgehend vom Kühlsystem isoliert ist und vorteilhaft eine dünnwandige Schale 182 zur Aufspritzung des Brennstoffes hat.

11. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet,daß im Falle der Ausführung als Benzin-

609809/0055 - 19 -

motor mit Vorbrennraum 191 zur extremen C-emischabmagerung, dieser Vorbrennraum wassergekühlt in das Zylindergehäuse eingegossen und zwischen den Stoßstangen etwa an der Stelle der dargestellten Vorkammer 181 angeordnet ist.

12. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet,daß ein vom Ansaugunterdruck gesteuerter Regler verwendet wird,der eine schwach drosselnde Ansaugdrosselklappe zur Festlegung der Abregeldrehzahl von Motorvollast bis zur Kaximaldrehzahl bei Motorentlastung aufweist.

13. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet,daß die Schwinghebel 391 zum Antrieb der Einspritzpumpenelemente oder auch die Schwinghebel 132 zum Antrieb der Ventile auf verdrehbaren Exzentern zB. 394 gelagert sind.

14. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet,daß der Motor vom Fahrzeug abgekuppelt' ist,wenn er angekuppelt über einer festzulegenden Grenzdrehzahl laufen würde und das Gaspedal nicht betätigt wird,wobei die Ab- und Ankuppelung durch bekannte Freilaufsysteme oder durch Kupplungsbetätigung usw. erfolgen kann,

15. Hubkolben- Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet,daß sie,bei Ausführung als Dieselmotor, im Zusammenhang mit einem unabhängigen Zweitantrieb des Fahrzeuges zB. durch einen Elektromotor kleiner Leistung,erst bei

werden kann laufendem Fahrzeug außerhalb der Garage gestartet^und der Dieselmotor auch für PKW- Antriebe ein Verdichtungsverhältnis aufweist,das kleiner als 18,0 ist.

G0 9809/0055