DE3902051C2 - Verbrennungsmotor mit Mehrzylinderkraftverbund - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den kinematischen Verlauf des Kur­ belgetriebes von Mehrzylinder/Mehrkammer-Verbren­ nungsmotoren in der Absicht, innere Kräfteverluste durch Massenträgheit bei der Übertragung von der Verbrennungs­ energie (Impuls) auf die Übertragungskomponenten Kolben, Pleuel und Kurbelwelle zu verringern, in der Weise, daß bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines Verbrennungs­ motors in der bekannten Bauart des Viertakt- bzw. Zweitakt- Dieselmotors, des Viertakt- bzw. Zweitakt-Ottomotors oder des Viertakt-Wankelmotors, die Gaswechselsteuerung dadurch gekennzeichnet ist, daß anstatt der bekannten Zündfolge einzelner Zylinder nacheinander entsprechend der Zylinder­ zahl auf der Kurbelwelle, nunmehr mehrere Zylinder im Kräfte­ verbund miteinander gleichzeitig oder mit Verzögerung zünden, um die Verbrennungsenergie (Impuls) wesentlich zu erhöhen und dadurch die Massenträgheit der Kolben, Pleuel, Kurbelwelle, Schwungscheibe und Antriebskomponenten durch Teilung zu verringern.

Eine besondere Leistungssteigerung des bekannten Wankelmotors ist durch die Ausgestaltung der Erfindung zu erwarten. Dies ist begründet in dem bekannten Konstruktionsmerkmal des Wankelmotors, daß die Massenträgheit aller beweglichen Über­ tragungskomponenten relativ hoch ist, und daß durch Erhöhung des momentanen Verbrennungsimpulses durch Verdoppelung eine unverhältnismäßig hohe Leistungssteigerung zu erwarten ist.

Die Erfindung benutzt die bekannte Ausführung der Kurbelwelle von Mehrzylinder/Mehrkammermotoren, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß gleichzeitig mehrere Kolben in gleicher geometrischer Lage sich ki­ nematisch bewegen, d. h. sich dementsprechend gleich­ zeitig auf- bzw. abbewegen. Dadurch wird, anstatt daß sich beispielsweise ein Kolben am Anfang des Gaswech­ selspiels befindet (Ansaugen - Kolbenbewegung ab­ wärts) und ein zweiter Kolben sich in gleicher kinemati­ scher Lage abwärts bewegt in der Verbrennungsphase, nunmehr die Gaswechselsteuerung (Nockenwelle, Ein- bzw. Auslaßöffnungen) derart ausgestaltet ist, daß beide Kolben im Sinne der Erfindung gleichzeitig gemeinsame Arbeitstakte durchlaufen (Abb. (1). 1 + 2).

Eine weitere Ausführung der Erfindung ermöglicht einen reaktionsarmeren Verbrennungsverlauf mit sanf­ terem Kräfteanstieg, indem der Verbrennungsablauf von zwei oder mehreren Zylindern durch Winkelversatz der Kurbelwellenzapfen derart bemessen ist, daß der Verbrennungsverlauf der einzelnen Zylinder zeitlich verzögert eingeleitet wird.

Diese Anordnung erleichtert außerdem das Anlassen des erfindungsgemäßen Motors dadurch, daß der Kom­ pressionsdruckverlauf des gemeinsamen Verdichtungs­ taktes von zwei oder mehreren Zylindern im Zeit/Kraft- Diagramm verlängert bzw. verringert wird. Der Anlas­ sermotor wird dadurch entlastet und kann bei gleicher Leistungsaufnahme eine höhere Drehzahl erbringen.

Eine besondere Leistungssteigerung des bekannten Wankelmotors ist durch die Ausgestaltung der Erfin­ dung zu erwarten. Dies ist begründet in dem bekannten Konstruktionsmerkmal des Wankelmotors, daß die Massenträgheit aller beweglichen Übertragungskom­ ponenten relativ hoch ist, und daß durch Erhöhung des momentanen Verbrennungsimpulses durch Verdoppelung (wie es bei einem Zweikammer-Wankelmotor der Fall ist) eine unverhältnismäßig hohe Leistungssteigerung zu erwarten ist (Abb.(2) 1 + 2).

Bei einem Drei- oder Mehrkammer-Wankelmotor ist die kinematische Anordnung der Rotoren zueinander im Sinne der Erfindung zweckmäßig im Bereich von 360'' Kurbelwellendrehwinkel anzuordnen.

Es sind Motorkonstruktionen bekannt, die einen gemein­ samen Verbrennungsverlauf zweier Zylinder aufweisen, beispielsweise Zweizylinder, Zweitakt-Bootsrennmotoren in Boxerkonfiguration, d. h. zwei gegenüber 180'' (Grad) angeordnete Zylinder mit gemeinsamem Kurbelgehäuse und einer Kurbelwelle mit zwei Kurbelwellenzapfen, ebenfalls in 180'' (Grad) Anordnung. Hier, durch die Boxerbauart bedingte Gestaltung von Zylindern und Kurbelwelle, ergibt es sich zwangsläufig, daß zwei Kolben gemeinsame Arbeits­ takte durchlaufen.

Es sind außerdem Motorkonstruktionen bekannt, die einen gemeinsamen allerdings mit erheblicher Verzögerung ein­ geleiteten Verbrennungsverlauf zweier Zylinder auf­ weisen, beispielsweise V-Motoren in 60'' bzw. 90'' Anord­ nung, oder aber der bekannte Zweizylinder-Zweitakt­ motor mit gemeinsamem Pleuel.

Diese Motorkonstruktion weist ebenfalls erhebliche Verzögerung auf bei der Abgabe der einzelnen Ver­ brennungsimpulse und ist vergleichbar mit den vorher erwähnten V-Motoren.

Aufgabe der Erfindung ist es, Nachteile der oben aufge­ führten Motorkonstruktionen in vielfältiger Weise zu be­ heben. In erster Linie ist die Neugestaltung der Gaswech­ selsteuerung von Verbrennungsmotoren der bekannten Bauart derart, daß vorteilhaft die Kolben die in gewöhnlicher Absicht synchron die gleiche kinematische Bewegung durch­ laufen und jeweils abwechselnd ihre Arbeitsimpulse abgeben, nunmehr gemeinsam im Kräfteverbund zünden, um Kraftverluste durch Massenträgheit der Übertragungskomponenten durch Tei­ lung zu verringern. Bedingt durch die erhöhte momentane Kraftabgabe, obwohl wünschenswert, ergibt es sich, daß die mehrfachen Zündimpulse störende Drehschwingungen erzeugen können, die sich nachteilig auf das Laufverhalten auswirken.

Dem zu begegnen ist eine weitere Ausführung der Erfindung vorteilhaft einzusetzen: anstatt daß gewöhnlich zwei oder mehrere Zylinder gleichzeitig zünden, werden erfindungsgemäß nunmehr mehrere Zylinder in zeitlicher Verzögerung zueinander im Kräfteverbund gezündet, um einen reaktionsärmeren Verbrennungsverlauf mit sanfterem Kräfte­ anstieg zu ermöglichen.

Es wird an Hand eines Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotors die Wirkungsweise der Erfindung durch zwei Beispiele verdeutlicht: Vierzylinder-Reihenmotoren in Viertakt-Ausführung werden ge­ wöhnlich mit einer Kurbelwelle in 180'' (Grad) Ausführung ge­ staltet, d. h. mit je zwei Kurbelwellenzapfenpaaren, gegenüber­ liegend, wie in Abb. (1) dargestellt. Bei einer Drehung der Kurbelwelle um 360'' (Grad) werden zwei Kolbenpaare je eine Hälfte des Viertakt-Arbeitsverfahrens durchlaufen, beispielsweise der O.T.P. Kolben (2) Abb. (1) - jeweils einen Zündungs- und anschliessend Ausstosstakt, und O.T.P. Kolben (3) Abb. (1) - jeweils einen Ansaug- und an­ schliessend Kompressionstakt. Gleichzeitig durchläuft U.T.P. Kolben (1) Abb. (1) - jeweils einen Kompressions- und anschliess­ end Zündungstakt, und U.T.P. Kolben (4) Abb. (1) - jeweils einen Ausstoß- und anschliessend Ansaugtakt. Bei einer weitere Dreh­ ung der Kurbelwelle um 360'' (Grad) werden alle Kolben je zwei weitere Folgetakte durchlaufen, sodass sich nach 720'' (Grad) Kurbelwellendrehung eine Zündungsfolge von (2) + (1) + (3) + (4) mit einem gleichmäßigen Zündungsabstand von 180'' (Grad) Kurbel­ wellendrehwinkel ergibt.

Eine mögliche Ausführung der Erfindung beispielsweise ist daß die Gaswechselsteuerung derart gestaltet ist, daß anstatt der bekannten Zündfolge einzelner Zylinder nacheinander entsprechend der Zylinderzahl auf der Kurbelwelle, wie oben beschrieben, nun­ mehr mehrere Zylinder gleichzeitig im Kräfteverbund gemeinsame Arbeitstakte durchlaufen um die Trägheitsverluste einzelner Zyl­ inder durch Teilung zu verringern und dadurch die wirkende Kraft zu erhöhen. Anhand dieses Beispiels ergibt sich folgendes Arbeits­ bild des modifizierten Motors: O.T.P. Kolben (2) + (3) Abb. (1) - durchlaufen synchron jeweils einen Zündungs- und anschliessend Ausstosstakt, während U.T.P. Kolben (1) + (4) Abb. (1) - gleich­ zeitig einen Kompressions- und Zündungstakt durchlaufen. Bei einer weiteren Drehung der Kurbelwelle um 360'' (Grad) werden alle Kolben je zwei weitere Folgetakte durchlaufen, sodass sich nach 720'' (Grad) Kurbelwellendrehung eine Zündungsfolge von (2) & (3) + (1) & (4) mit einem ungleichmäßigen Zündungsabstand von 180''/ 180''/ null/null ergibt.

In einer weiteren möglichen Ausführung der Erfindung ist die Gas­ wechselsteuerung derart gestaltet, daß anstelle einer Zündfolge mehrerer Zylinder nacheinander, die Zündfolge mehrerer Zylinder im Kräfteverbund stattfindet, dadurch bewirkt, daß entweder die Kurbelwellenzapfen von gemeinsamen Zylindern mit Winkelversatz gestaltet sind, oder die einzelnen Zylinder im Zylinderverbund mit Winkelversatz angeordnet sind, um die Trägheitsverluste einzelner Zylinder durch Teilung zu verringern und dadurch die wirkende Kraft zu erhöhen.

Am Beispiel des Vierzylinder-Viertakt-Bezugsmotors, wird anstelle der Kurbelwelle in gewöhnliche 180'' (Grad) Ausführung, eine Kurbelwelle gewählt die beispielsweise eine Kurbelwellenzapfen­ teilung von 90'' (Grad) aufweist. Anhand dieses Beispiels ergibt sich eine von vielen möglichen Ausführungen des modifizierten Motors: zuerst, durch die 90'' (Grad) Kurbelwellenkröpfung werden die vier Kolben in 90" (Grad) Kurbelwellen-Drehabständen jeweils den O.T.P. durchlaufen.

Beginnend mit O.T.P. Kolben (2) Abb. (1) am Anfang eines Zündungstaktes, folgt nach nur 90'' (Grad) Kurbelwellendrehung der der Kolben (1) Abb. (1) im Kompressionstakt.

Nach der Zündung folgt nach 90'' (Grad) Kurbelwellendrehung der Kolben (4) Abb. (1), ebenfalls in Kompressionstakt. Nach der Zündung folgt Kolben (3) Abb. (1), auch im Kompressionstakt.

Nach der Zündung, bei einer weitere drehung der Kurbelwelle um, 360'' (Grad) werden alle Kolben je zwei weitere Folgetakte durch­ laufen, so daß sich nach 720'' (Grad) Kurbelwellendrehung eine Zündungsfolge von (2) + (1) + (4) + (3) mit einem ungleich­ mäßigen Zündungsabstand von 90''/90''/90''/90''/null/null/null/null ergibt.

Der erfindungsmässige Kräfteverbund von beispielsweise vier Zylindern innerhalb einer Kurbelwellendrehung von beispielsweise 360'' (Grad) bei einem Vierzylinder-Viertakt- Reihenmotor ist richtungsweisend, und kann bei entsprechender Gestaltung bei allen Zwei- und Viertakt-Mehrzylinder/Mehrkammer-Verbrennungsmotoren der Bauart Diesel-Otto­ und Wankelmotoren in vielfältiger Weise angewandt werden.

Claims (12)

1. Gaswechselsteuerung von Verbrennungsmoto­ ren der bekannten Bauart des Viertakt- oder Zwei­ takt-Dieselmotors, des Viertakt- bzw. Zweitakt-Ot­ tomotors oder des Viertakt-Wankelmotors, mit fol­ genden Merkmalen:
daß anstelle einer Zündfolge mehrerer Zylinder nach­ einander, die Zündfolge mehrerer Zylinder gleichzeitig stattfindet, um die Trägheitsverluste einzelner Zylinder durch Teilung zu verringern und dadurch die wirkende Kraft zu erhöhen.

2. Gaswechselsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündfolge von zwei oder mehreren Zylindern mit einer Kurbelwellen-Drehkreisbe­ wegung von mindestens ein Grad unterbro­ chen wird.

3. Gaswechselsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das erfindungsgemäß bedingte erhöhte Abgasaufkommen zur Zeit des gemeinsamen Ausstoßvorgangs zum Antrieb des Abgasturboladers vorteilhaft verwendet wird.

4. Gaswechselsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle bzw. die Nockenwellen der Gaswechselsteuerung derart gestaltet ist/sind, daß sowohl ein herkömmlicher Betrieb mit konventioneller Zündfolge einzelner Zylinder nacheinander oder ein Betrieb mit Zünd­ folge mehrerer Zylinder gleichzeitig, im Sinne der Erfindung beliebig gewählt werden kann, dadurch, daß die Nockenwelle bzw. die Nockenwellen ge­ teilt ist/sind und mit mindestens einem Verdrehor­ gan versehen ist/sind.

5. Gaswechselsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle bzw. Nockenwellen oder Teile davon axialbeweglich und mit mindestens einem Nocken von beiden Betriebsarten bestückt ist/sind.

6. Gaswechselsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorengehäuse der ein­ zelnen Rotoren im Vergleich zum konventionellen Wankel­ motor im Sinne der Erfindung seitenverkehrt zueinander angeordnet sind.

7. Gaswechselsteuerung von Verbrennungsmoto­ ren der bekannten Bauart des Viertakt- oder Zwei­ takt-Dieselmotors, des Viertakt- bzw. Zweitakt-Ot­ tomotors oder des Viertakt-Wankelmotors, mit fol­ genden Merkmalen:
daß anstelle einer Zündfolge mehrerer Zylinder nach­ einander, die Zündfolge mehrerer Zylinder im Kräfte­ verbund stattfindet, dadurch bewirkt, daß entweder die Kurbelwellenzapfen von gemeinsamen Zylindern mit Winkelversatz gestaltet sind, oder die einzelnen Zyl­ inder im Zylinderverbund mit Winkelversatz angeordnet sind, um die Trägheitsverluste einzelner Zylinder durch Teilung zu verringern und dadurch die wirkende Kraft zu erhöhen.

8. Gaswechselsteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündfolge von zwei oder mehreren Zylindern mit einer Kurbelwellen-Drehkreisbe­ wegung von mindestens ein Grad stattfindet.

9. Gaswechselsteuerung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch das erfindungsgemäß bedingte erhöhte Abgasaufkommen zur Zeit des gemeinsamen Ausstoßvorgangs zum Antrieb des Abgasturboladers vorteilhaft verwendet wird.

10. Gaswechselsteuerung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle bzw. die Nockenwellen der Gaswechselsteuerung derart gestaltet ist/sind, daß sowohl ein herkömmlicher Betrieb mit konventioneller Zündfolge einzelner Zylinder nacheinander oder ein Betrieb mit Zünd­ folge mehrerer Zylinder im Kräfteverbund, im Sinne der Erfindung beliebig gewählt werden kann, dadurch, daß die Nockenwelle bzw. die Nockenwellen ge­ teilt ist/sind und mit mindestens einem Verdrehor­ gan versehen ist/sind.

11. Gaswechselsteuerung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle bzw. Nockenwellen oder Teile davon axialbeweglich und mit mindestens einem Nocken von beiden Betriebsarten bestückt ist/sind.

12. Gaswechselsteuerung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorengehäuse der ein­ zelnen Rotoren im Vergleich zum konventionellen Wankel­ motor im Sinne der Erfindung seitenverkehrt und mit Winkel­ versatz zueinander angeordnet sind.