DE60019772T2

DE60019772T2 - Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventailsteuerung

Info

Publication number: DE60019772T2
Application number: DE60019772T
Authority: DE
Inventors: Edward Charles Mendler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: DE60019772D1; US6260532B1; EP1216348B1; EP1216348A4; ATE294324T1; EP1216348A1; WO2001023722A1

Description

US-Anmeldungsbezug
Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Anmeldungsnummer 09/406,124 mit dem Anmeldetag 27.9.1999.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, insbesondere auf eine Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventilsteuerung.
Brennkraftmaschinen mit exzentrischen Kurbelwellen-Hauptlagerböcken zur Einstellung der Position der Kurbelwelle sind seit einiger Zeit bekannt. Bei diesen Maschinen werden die exzentrischen Hauptlager verdreht, um die Position der Drehachse der Kurbelwelle einzustellen. Eine mangelhafte Ausrichtung der Drehwinkellage der exzentrischen Hauptlagerböcke ist bei diesen Maschinen ein Problem, weil selbst eine geringfügige Hauptlager-Fehlausrichtung zu einem raschen Hauptlagerausfall führen kann.
Während des Betriebs der Maschine drücken erhebliche Kräfte nach unten auf die exzentrischen Hauptlagerböcke. Bei modernen Personenkraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen können die Hauptlagerbelastungen 50 MPa überschreiten. Die auf die exzentrischen Hauptlagerböcke ausgeübten Kräfte weichen mitunter erheblich von einem exzentrischen Hauptlagerbock zum nächsten ab. Beispielsweise kann bei Mehrzylindermaschinen ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment auf einen ersten exzentrischen Hauptlagerbock durch den Verbrennungsdruck ausgeübt werden, der nach unten auf den ersten Kolben, die Kolbenstange und die Kurbelkröpfung drückt, und ein im Gegenuhrzeigersinn auf einen zweiten oder dritten exzentrischen Hauptlagerbock wirkendes Drehmoment durch die Trägheitskräfte des zweiten Kolbens und der Kolbenstange ausgeübt werden, die nach oben auf die zweite Kurbelkröpfung ziehen. Als zweites Beispiel sei erwähnt, daß bei einer Einzylindermaschine mit zwei exzentrischen Hauptlagerböcken das auf die Kurbelkröpfung ausgeübte Drehmoment und das Gegendrehmoment am Abtriebsende der Kurbelwelle die exzentrischen Hauptlagerböcke ungleichmäßig belasten. Diese ungleichen Kräfte stellen ein Problem dar, weil sie bewirken, daß die exzentrischen Abschnitte sich aus der gegenseitigen Ausrichtung drehen und zu einem raschen Versagen der Hauptlagerböcke führen.
In dem US-Patent 887633 und der Deutschen Patentanmeldung DE 36 44 721 A1 ist eine Stiftverbindung zur Einstellung der Drehwinkelausrichtung der exzentrischen Hauptlagerabschnitte dargestellt. Das US-Patent 4738230 zeigt von jedem exzentrischen Hauptlagerbock abstehende Zapfen, die in Nuten in einer verschiebbaren Stange zur Einstellung der Drehwinkelausrichtung der exzentrischen Hauptlagerböcke ragen. Die US-Patente 5572959 und 5605120 zeigen Zähne eines Zahnrads, die von exzentrischen Hauptlagerböcken aus in eine Zwischenwelle mit in jene passenden Zahnrädern zur Einstellung der Drehwinkelausrichtung der exzentrischen Hauptlagerböcke eingreifen. Das US-Patent 1160940 zeigt einen bügelförmigen Rahmen, der benachbarte exzentrische Abschnitte zur Einstellung der Drehwinkelausrichtung der exzentrischen Abschnitte verbindet. Eine mangelhafte Ausrichtung der Hauptlager stellt bei allen diesen Systemen ein erhebliches Problem dar. Zusätzlich zu einer mangelhaften Hauptlagerausrichtung funktionieren viele dieser Systeme aus anderen Gründen mechanisch nicht, und sie sind zur Massenfertigung und für den Zusammenbau unpraktisch und/oder für Maschinen mit mehr als zwei Hauptlagern ungeeignet. Beispielsweise zeigt das US-Patent 1160940 einen bügelförmigen Rahmen, der mit den Exzentern schwach verbunden ist und keinen stabilen Aufbau hat. Außer daß das System die Lager nicht starr oder stabil ausgerichtet hält, funktioniert es insofern nicht, als die Pleuelstange den bügelförmigen Rahmen nicht freigibt. Ferner ist das System nicht für Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Hauptlagern geeignet, weil es nicht möglich ist, den exzentrischen Hauptlagerbock gleitend auf das mittlere Kurbelwellengelenk oder die mittleren Kurbelwellengelenke zu verschieben.
Ein weiteres Problem bei Brennkraftmaschinen, die drehbare exzentrische Hauptlagerböcke in einem ortsfesten Maschinengehäuse haben, besteht darin, daß sich die Lage der Drehachse der Kurbelwelle bei einer Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ändert, so daß die Verwendung einer herkömmlichen Inline-Kupplung nicht möglich ist. Zwar sind im Stand der Technik verzahnte Abtriebskupplungen für Brennkraftmaschinen mit einstellbarer Kurbelwellen-Drehachse dargestellt, doch gibt es bei diesen Systemen das Problem, daß eine schwere Strukturversteifung erforderlich ist, um den Zahnradsatz starr ausgerichtet zu halten. Zusätzlich zu dem höheren Gewicht, wird auch das Gehäuse der Brennkraftmaschine länger.
Die Deutsche Patentanmeldung DE 36 44 721 A1 zeigt einen am freien Ende eines der exzentrischen Kurbelwellenhauptlagerböcke angebrachten Zahnradsatz. Der Zahnradsatz hat eine Zwischenwelle und eine Abtriebswelle. Die Abtriebswelle ist im wesentlichen von der Kurbelwelle weg gerichtet und hat bei allen Einstellungen des Kompressionsverhältnisses eine ortsfeste Drehachse. Bei dem in der Deutschen Patentanmeldung DE 36 44 721 A1 dargestellten System tritt das Problem auf, daß sich der am Ende liegende exzentrische Hauptlagerbock bei hohen Drehmomenten der Brennkraftmaschine aus der Ausrichtung oder Flucht herausbiegen kann, was eine Beschädigung des Hauptlagers der Kurbelwelle zur Folge hat. Der Zahnradsatz ist ferner sperrig und erhöht die Reibungsverlu ste des Kurbelwellenzugs infolge der größeren Anzahl von Lagern und Lagerreibung. Das US-Patent 4738230 zeigt ein erstes Stirnrad, das auf der Kurbelwelle angebracht ist, und ein zweites Stirnrad, dessen Drehachse konzentrisch zur Drehachse der Hauptlagerstützen ist. Diese Zahnräder sind zu klein, um die Torsionsbelastungen der Brennkraftmaschine aufzunehmen. Das US-Patent 4738230 zeigt ferner ein Abtriebssystem mit einem Innenverzahnungs- oder Ringverzahnungs-Zahnradsatz. Hierbei ist eine schwere und lange strukturelle Versteifung erforderlich, um die Ringverzahnungswelle in starrer Ausrichtung mit dem auf dem Ende der Kurbelwelle angebrachten Zahnrad zu halten. Die US-Patente 5443043, 5572959 und 5605120 zeigen eine Kurbelwelle mit ortsfester Drehachse und einer oberen Brennkraftmaschine, die ihre Position relativ zu ihrem Stützrahmen ändert, wenn sich das Verdichtungsverhältnis ändert. Und zwar kann bei dieser Anordnung eine herkömmliche Inline-Kupplung verwendet werden, doch wird die Lage der oberen Brennkraftmaschine verändert, wenn sich das Verdichtungsverhältnis ändert, so daß die Trägheitsmasse der oberen Brennkraftmaschine eine rasche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses verhindert.
Ein weiteres Problem bei Brennkraftmaschinen mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis besteht darin, daß die Auslaßventile früh geschlossen und die Einlaßventile spät geöffnet werden müssen, um einen Zusammenstoß von Ventil und Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts (TDC = top dead center) des Kolbens zu verhindern. Die kurze Ventilüberlappungsdauer, in der beide Ventile offen sind, ist ein Problem, weil der Luftstrom in die Brennkraftmaschine eingeschränkt ist, so daß ein Leistungsverlust der Brennkraftmaschine bewirkt wird. Zwar können im Kolben Ventiltaschen ausgebildet werden, um den Spielraum (Abstand) zwischen den Ventilen und dem Kolben zu vergrößern, doch erhöht sich durch die Taschen das Volumen des Brennraums, so daß das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine abnimmt. Ferner kann die Basishöhe des Kolbens vergrößert werden, um die Zunahme des Brenn raumvolumens auszugleichen. Durch die Vergrößerung der Kolbenhöhe wird jedoch die Tiefe der Ventiltaschen vergrößert. Ein erhebliches Problem besteht darin, daß die relativ großen Ventiltaschen höhere Wärmeverluste aus dem Brennraum infolge der größeren Brennraum-Oberfläche und der gezackten oder gekerbten Brennraum-Oberflächenform verursachen. Die höheren Wärmeverluste erhöhen den Kraftstoffverbrauch und verringern die Leistung der Brennkraftmaschine. Zwar können Kurbelwellen-Phasenschieber, wie sie beispielsweise in dem Lexus LS 400 benutzt werden, und/oder Nockenprofil-Umschaltvorrichtungen, wie sie beispielsweise in den Honda-VTech-Brennkraftmaschinen benutzt werden, zur Verhinderung des Zusammenstoßes von Kolben und Ventilen benutzt werden, doch kann es sein, daß diese Vorrichtungen, außer daß sie kostspielig sind, bei einigen Fahrzeugen, die alt geworden sind, nicht schnell genug reagieren. Das Verdichtungsverhältnis kann in weniger als einer Sekunde und möglicherweise sogar innerhalb einer Zehntelsekunde geändert werden. Das Unvermögen der veränderbaren Ventilvorrichtung, mindestens ebenso schnell wie die Verdichtungsverhältnis-Änderungsvorrichtung anzusprechen, könnte zu einem Zusammenstoß von Ventil und Kolben führen, so daß ein größerer Maschinenschaden und erhebliche Garantiekosten verursacht würden.
Ein Problem bei Einrichtungen mit veränderbarem Verdichtungsverhältnissen besteht darin, daß der Aktuator erhebliche Energie verbraucht und einem geringeren Kraftstoffverbrauch durch das veränderbare Verdichtungsverhältnis entgegenwirkt. Beispielsweise zeigt das Patent 5611301 der Saab Automobile Aktiebolag von Per Gillbrand und Lars Bergsten eine Einrichtung für ein veränderbares Verdichtungsverhältnis, bei dem sich die gesamte obere Brennkraftmaschine bewegt. Hierbei würde eine erhebliche Leistung verbraucht, um die Brennkraftmaschine rasch zu bewegen und das Verdichtungsverhältnis zu ändern, was dem geringeren Kraftstoffverbrauch durch das variable Verdichtungsverhältnis entgegenwirkt. Ein zentrales Problem bei den Einrichtungen mit va riablem Verdichtungsverhältnis ist mithin der Leistungsverbrauch bei der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses.
Zwar kann eine Brennkraftmaschine weitgehend mittels zweier gegensinnig rotierender Auswuchtwellen ausgewuchtet werden. Doch besteht bei Auswuchtwellen das Problem einer zusätzlichen Lager- und -spaltreibung, die den Wirkungsgrad und die Kraftstoffökonomie des Fahrzeugs beeinträchtigt. Bei vielen Motorrädern mit nur einem Zylinder wird nur eine Auswuchtwelle benutzt, z.B. bei der Honda XR 650 L, der Kawasaki KLX 250R und der BMW F650. Bei diesen Brennkraftmaschinen ist die eine Hälfte der Auswuchtmasse auf der Auswuchtwelle und die andere Hälfte der Auswuchtmasse an der Kurbelwellenwange angeordnet, doch verbleibt eine erhebliche Vibration infolge des verbleibenden Moments zwischen den Drehachsen der Kurbelwelle und der einzigen Auswuchtwelle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Merkmale der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis ergeben sich aus Anspruch 1.
Bei vorliegender Erfindung wird eine drehbare, starre Kurbelwellen-Wiege verwendet, um die Hauptlager der Kurbelwelle geradlinig ausgerichtet zu halten. Die Kurbelwellen-Wiege ist in der Brennkraftmaschine auf einer Schwenkachse gelagert, und die Kurbelwelle ist in der Kurbelwellen-Wiege auf einer gegenüber der Schwenkachse versetzten Achse gelagert. Ein Aktuator dreht die Kurbelwellen-Wiege und stellt die Lage der Kurbelwellen-Drehachse und das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine ein. Die Kurbelwellen-Wiege hält die Hauptlager jederzeit genau geradlinig zueinander ausgerichtet und sorgt für eine lange Lebensdauer der Lager. Die Kurbelwellen-Wiege sorgt für eine starre Abstützung der Kurbelwellen von Ein- und Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen, die von Kurbelwellen mit zwei Hauptlagern bei Ein- und Zweizy linder-Brennkraftmaschinen bis zu Kurbelwellen mit fünf oder mehr Hauptlagern bei Vierzylinder-Reihenmotoren, V8-Motoren sowie anderen Brennkraftmaschinen reichen. Zusätzlich zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer der Hauptlager ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit variablem Verdichtungsverhältnis zuverlässig und kostengünstig.
Nachstehend wird auf ein in den 3, 4 und 5 dargestelltes erfindungsgemäßes Beispiel Bezug genommen, bei dem eine Kurbelwellen-Wiege 60 in dem Gehäuse der Brennkraftmaschine um eine Schwenkachse E und eine Kurbelwelle 61 in der Kurbelwellen-Wiege um eine zweite Achse A, die gegenüber der Schwenkachse versetzt ist, drehbar gelagert sind. Die Wiege hat zwei oder mehr Hauptlagerböcke oder exzentrische Teile 62 und eine strukturelle Aussteifung 64 zur starren Halterung der exzentrischen Teile und Hauptlager in geradliniger Ausrichtung. An der Wiege sind ein oder mehrere Lagerkappen 68 mit Schrauben oder einer anderen Art von Befestigungsmitteln zur Lagesicherung der Kurbelwelle in der Wiege befestigt. Die Lagerkappen sind von der Wiege abnehmbar, so daß die Kurbelwelle in der Wiege eingebaut werden kann. Damit die Hauptlager im Betrieb nicht ausfallen, müssen die Hauptlagerböcke ständig genau geradlinig ausgerichtet bleiben. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die benachbarten Hauptlagerböcke ständig durch die strukturelle Aussteifung 64 starr ausgerichtet gehalten. Genauer gesagt, die strukturelle Aussteifung hält die Hauptlagerböcke ständig starr ausgerichtet, so daß die Hauptlager eine lange Lebensdauer haben.
9 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Nach 9 hat eine Kurbelwellen-Wiege 146 ein erstes exzentrisches Teil, oder Hauptlagerbock 160, und ein zweites exzentrisches Teil, oder Hauptlagerbock 162. Die Kurbelwellen-Wiege wird dadurch zusammengebaut, daß der Hauptlagerbock 160 gleitend auf das erste Ende einer Kurbelwelle 152 und der zweite Hauptlager bock 162 auf das zweite Ende der Kurbelwelle 152 geschoben und die beiden Hauptlagerböcke durch eine oder mehrere Schrauben 164 starr verbunden werden. Die Hauptlagerböcke haben eine strukturelle Aussteifung zur starren Verbindung des ersten Hauptlagerbocks mit dem zweiten Hauptlagerbock. Die Kurbelwelle übt hohe Kräfte auf die Hauptlager 12 aus, doch hält die zusammengebaute Kurbelwellen-Wiege 146 die Hauptlager 12 auch unter hoher Belastung genau gradlinig ausgerichtet, und allgemeiner gesagt, die Kurbelwellen-Wiege 146 hält die Hauptlager 12 jederzeit genau geradlinig ausgerichtet.
Ein Aktuator stellt zunächst die Drehwinkellage der Kurbelwellen-Wiege um ihre Schwenkachse ein und verriegelt dann die Drehwinkellage der Wiege in der Einbaulage. Der Aktuator übt auf eine mittlere Stelle zwischen den Hauptlagern, allgemeiner gesagt, zwischen dem vorderen und dem hinteren exzentrischen Teil, eine Kraft aus, so daß eine Verdrehung der Kurbelwellen-Wiege und Fehlausrichtung der Hauptlager minimiert ist. Mithin werden die exzentrischen Teile starr ausgerichtet gehalten, so daß sich eine lange Hauptlager-Lebensdauer ergibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Wiege eine geringe Trägheitsmasse hat und der Aktuator das Verdichtungsverhältnis rasch einstellen kann.
Die Leistung des Aktuators wird dadurch erheblich verringert, daß die nach unten auf den Kurbelzapfen wirkende Kraft zum Hochhebeln der Kurbelwellen-Hauptlager ausgenutzt wird. Insbesondere drückt die Druckkraft des Gases während des Arbeitshubs über den Kolben und die Pleuelstange auf den Kurbel- oder Kolbenzapfen. Der Kurbelzapfen hat einen Kreisbahndurchmesser. Die Abtriebsleistung der Kurbelwelle wird über ein Antriebszahnrad mit einem Teilkreisdurchmesser abgenommen. Der Zahnradeingriff hat eine im wesentlichen von dem Kolben weg gerichtete Drehrichtung und übt auf das Antriebszahnrad ein der Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine proportionales Widerstandsdrehmoment auf das Antriebs zahnrad aus. Der Teilkreisdurchmesser des Antriebszahnrads ist kleiner als der Kreisbahndurchmesser des Kurbelzapfens, und bei einem Kurbelwinkel von etwa 90° nach dem Totpunkt liegt der Zahnradeingriff etwa zwischen dem Kurbelzapfen und der Drehachse der Kurbelwelle. Der abwärts auf den Kurbelzapfen wirkenden Kraft des Arbeitshubs wirkt eine aufwärts gerichtete Kraft entgegen, die dem Drehmoment des Zahnradeingriffs proportional ist. Die abwärts auf den Kurbelzapfen gerichtete Kraft und die aufwärts gerichtete Kraft des Zahnraddrehmoments erzeugen eine aufwärtsgerichtete Kraft der Kurbelwelle auf die in der Kurbelwellen-Wiege angebrachten Hauptlager der Kurbelwelle. Zum Verrasten der Kurbelwellen-Wiege und schrittweisen Bewegen der Drehachse der Kurbelwelle zum Zylinderkopf hin wird eine Ratsche benutzt. Diese ermöglicht eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses mit praktisch keiner oder nahezu keiner Verlustleistung des Aktuators. Außerdem ist eine solche Lösung kostengünstig und sehr zuverlässig.
Die Leistung wird von der Kurbelwelle über Zahnräder 14 und 18 an die Abtriebswelle übertragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung haben die Zahnräder 14 und 18 einen veränderbaren Mittellinienabstand und ein veränderbares Spiel. Gemäß vorliegender Erfindung ist die Abtriebswelle so angeordnet, daß sich ein kleines maximales Zahnradspiel bei einer großen Änderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt. Die erfindungsgemäße Abtriebskupplung hat eine lange Lebensdauer, ist sehr zuverlässig, hat einen geringen Geräuschpegel und ist kostengünstig.
Gemäß vorliegender Erfindung ist die Abtriebswelle in einem Winkel von ±45° in einer imaginären ersten Ebene und vorzugsweise innerhalb von ±33° angeordnet. Die erste Ebene verläuft durch die Schwenkachse E der Kurbelwellen-Wiege und steht senkrecht zur Querachse oder Mittellinienachse des Kolbens oder der Kolben, so daß sich ein geringes Spiel von einer Verdichtungsverhältnis-Einstellung zur nächsten er gibt. Genauer gesagt, die Lage der Abtriebswelle innerhalb von ±45° der ersten Ebene und vorzugsweise innerhalb von ±33° ergibt ein kleines Zahnradspiel, einen geringen Geräuschpegel und eine lange Lebensdauer. Außerdem sind die Zahnräder 14 und 18 auf parallelen Wellen angebracht und haben vorzugsweise Zähne mit spiralförmiger Involvente, was einen Betrieb der Zahnräder mit kleinen Änderungen ihres Mittellinienabstands ermöglicht. Die Zahnräder 14 und 18 haben Automatenqualität und einen Durchmesser und eine Breite, die eine lange Lebensdauer gewährleisten.
Ein langzeitiger Betrieb der Zahnräder 14 und 18 ohne Ausfall erfordert die Einhaltung der parallelen Ausrichtung der Zahnräder 14 und 18. Gemäß vorliegender Erfindung hält die Kurbelwellen-Wiege die Lagerelemente, die Kurbelwelle und das Zahnrad 14 ständig in genau paralleler Ausrichtung zur Abtriebswelle und zum Zahnrad 18. Gemäß vorliegender Erfindung werden zwar hohe strukturelle Belastungen durch die Kurbelwelle auf die Lagerelemente ausgeübt, doch hält die Kurbelwellen-Wiege die Hauptlagerböcke stets in genau paralleler Ausrichtung, so daß ein Ausfall der Lagerelemente und der Zahnräder 16 und 18 verhindert wird.
Die Abtriebswelle liegt in dem Gehäuse der Brennkraftmaschine neben der Kurbelwellen-Wiege und wird bei nur minimaler Vergrößerung der Abmessungen und des Gewichts der Brennkraftmaschine starr abgestützt. Ein weiterer Vorteil vorliegender Erfindung besteht darin, daß die Abtriebswelle auch als Auswuchtwelle dienen kann. 9 stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsform dar, bei der die Abtriebswelle auch als Auswuchtwelle für die Brennkraftmaschine dient. Die in 9 dargestellte Brennkraftmaschine hat geringe Abmessungen und eine geringe Lager- und Zahnradreibung, teilweise aufgrund der Auswuchtung und des Abtriebs mit einer einzigen Welle.
Nach den 3, 4, 5 und 9 überträgt das Zahnrad 14, das auf der Kurbelwelle angebracht ist, die Leistung von der Kurbelwelle auf ein zweites Zahnrad 18, das auf der Abtriebswelle angebracht ist, die im Gehäuse der Brennkraftmaschine gelagert ist. Die Kurbelwelle dreht sich um eine Achse A und die Abtriebswelle um eine Achse P. Die Achse A und die Achse P sind durch einen Mittellinienabstand getrennt. Gemäß vorliegender Erfindung wird durch eine Drehung der Kurbelwellen-Wiege um die Schwenkachse E die Lage bzw. Kurbelwelle eingestellt, das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine eingestellt und der Mittellinienabstand zwischen der Achse A und der Achse P geändert, so daß sich das Spiel zwischen dem Zahnrad 14 und dem Zahnrad 18 ändert. Ein kleines maximales Spiel ergibt sich durch Anordnung der Drehachse des Zahnrads 18 in oder in der Nähe einer Ebene, die durch die Drehachse der Kurbelwelle verläuft und im wesentlichen senkrecht zur Translations- oder Mittellinie des ersten Kolbens oder der Kolben steht.
Die erfindungsgemäße Abtriebsanordnung ist erheblich kleiner, leichter und weniger kostspielig als bekannte Systeme von Brennkraftmaschinen mit exzentrischen Hauptlagerböcken. Außerdem ergibt sich erfindungsgemäß eine reibungsarme, kompakte und leichte Kombination aus Auswuchtwelle und Abtriebs-Zahnradsatz. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses hält die Kurbelwellen-Hauptlager starr ausgerichtet und hat eine lange Lebensdauer. Genauer gesagt, die Steifigkeit der Kurbelwellen-Wiege hält die Lager ausgerichtet und verhindert eine durch eine Lagerfehlausrichtung und Vibration bewirkte Beschädigung. Die vorliegende Erfindung ist zuverlässig und haltbar. Die vorliegende Erfindung kann aus üblichen Materialien und in Massenfertigungsverfahren hergestellt werden und ist kostengünstig. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Hauptlager nach herkömmlichen Herstellungsverfahren in Reihe gebohrt werden können, um einen genaue Hauptlagerausrichtung zu erzielen. Die Einrichtung zur Einstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses hat eine geringe Trägheitsmasse und spricht schnell an, um das Verdichtungsverhältnis rasch zu ändern.
Gemäß vorliegender Erfindung bewirkt eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses, daß die Einlaßventile früher öffnen und die Auslaßventile später schließen, so daß ein Zusammenstoßen der Ventile und Kolben bei hohem Verdichtungsverhältnis vermieden wird, und ermöglicht eine hohe Leistung der Brennkraftmaschine bei geringem Verdichtungsverhältnis. Gemäß vorliegender Erfindung steht auf der Kurbelwelle ein Antriebszahnrad mit einem angetriebenen Zahnrad auf einer zweiten Welle in Eingriff. Die Eingriffsrichtung der beiden Zahnräder ist im wesentlichen vom Kolben weg gerichtet. Die sekundäre Welle treibt einen Nockenwellenantrieb an, der die Einlaßventile öffnet und schließt. Durch eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses wird das angetriebene Zahnrad vorwärts gedreht, wodurch bewirkt wird, daß die Einlaßventile früher öffnen. In ähnlicher Weise steht ein Antriebszahnrad auf der Kurbelwelle mit einem angetriebenen Zahnrad auf einer dritten Welle in Eingriff. Die beiden Zahnräder stehen in Eingriff und haben eine im wesentlichen zum Kolben hin gerichtete Eingriffsrichtung. Die Kurbelwelle ist zwischen der zweiten und der dritten Welle angeordnet. Die dritte Welle treibt einen Nockenwellenantrieb an, der die Auslaßventile öffnet und schließt. Bei Verringerung des Verdichtungsverhältnisses wird das angetriebene Zahnrad auf der dritten Welle rückwärts gedreht, so daß die Auslaßventile später schließen und die Ventilüberlappungsdauer zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen vergrößert wird, so daß die Leistung der Brennkraftmaschine zunimmt. Die vorliegende Erfindung verhindert einen Ventil-Kolben-Zusammenstoß, wenn das Verdichtungsverhältnis auf einen hohen Wert eingestellt ist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sich die Ansprechgeschwindigkeit der Ventilphasenverschiebung nicht mit zunehmendem Alter der Brennkraftmaschine verringert. Die vorliegende Erfindung ist sehr ro bust und zuverlässig. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie erheblich kostengünstiger als derzeit verfügbare variable Ventilsteuervorrichtungen ist. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie keine Aktuator-Leistungsverluste hat.
Die hauptsächliche Auswuchtung der Brennkraftmaschine erfolgt mittels einer einzigen Auswuchtwelle durch Versetzung der Zylinderachse in Richtung auf die Hauptausgleichwelle. Die Verschiebung der Zylinder-Mittellinienachse in Richtung auf die Auswuchtwelle verringert den Versetzungsmoment-Hebelarm und verbessert erheblich das Auswuchten von Hauptkräften durch die einzige Auswuchtwelle. Gemäß vorliegender Erfindung dreht sich der Kurbelzapfen während des Arbeitshubs zwischen die Drehachse der Kurbelwelle und die Drehachse der Auswuchtwelle nach unten, was zu einer Verringerung der Reibungsverluste des Kolbens in der Zylinderbohrung, zu einer verbesserten Kraftstoffökonomie und höheren Leistung führt. Die vorliegende Erfindung ist von besonderem Vorteil für Motorräder mit Einzylinder-Motor und führt zu einer besseren Auswuchtung und höheren Leistung ohne zusätzliche Kosten bei höherer Zuverlässigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 stellt den Schnitt F1-F1 der 1 einer Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis dar, bei der die Erfindung anwendbar ist.
2 stellt den Schnitt F2-F2 der 1 mit der Kurbelwelle, Wiege, Abtriebswelle und Abtriebskupplung dar.
3 stellt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit drei Zylindern dar.
4 stellt eine ausführlichere Ansicht der in. 3 dargestellten Kurbelwellen-Wiege dar.
5 stellt den Partialquerschnitt F5-F5 der 3 dar.
6 ist eine detaillierte Ansicht einer in den 1 und 2 dargestellten Fluidkammer 72.
7 ist eine ähnliche Ansicht wie die nach 1, jedoch von einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern, die eine Ölkammer 108, eine Ölkammer 110 und eine Kurbelwellen-Wiege 112 aufweist (7 fehlt).
8 stellt einen Partialquerschnitt einer Brennkraftmaschine dar, bei der die Erfindung anwendbar ist.
9 stellt den Partialquerschnitt F9-F9 nach 8 durch eine Brennkraftmaschine 136 dar, bei der die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
10 stellt einen Querschnitt einer Brennkraftmaschine dar, bei der die Erfindung anwendbar ist und die einen ersten Aktuator mit einem Verbindungsarm und einen zweiten Aktuator mit einem Verbindungsarm zur Einstellung und Einhaltung der Position der Kurbelwellen-Wiege aufweist.
11 ähnelt der 3 und stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, bei dem vorliegende Erfindung anwendbar ist.
12 ist ein Partialschnitt durch eine Brennkraftmaschine, bei der die vorliegende Erfindung anwendbar ist und die einen geringen Abstand zwischen der Kurbelwelle und der Abtriebswelle aufweist.
14 stellt einen Querschnitt einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer einstellbaren Ventilsteuerung dar.
14b ist ein körperloses Vektordiagramm der auf die Kurbelwelle wirkenden Kräfte.
14c stellt eine Ratsche mit Hydraulikventilen zur schrittweisen Bewegung der Kurbelwellen-Wiege dar.
15 ist eine detaillierte Ansicht der in 14 dargestellten Nockenwellen.
15b stellt eine Einlaß-Nockenwelle mit einem Phaseneinsteller dar.
17 stellt einen Querschnitt eines Teils der in 14 dargestellten Brennkraftmaschine dar.
17b stellt eine Abwandlung eines Teils der in 17 dargestellten Brennkraftmaschine dar.
Die 1 und 2 stellen einen Teil einer Brennkraftmaschine 2 mit variablem Verdichtungsverhältnis dar, bei der die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Die Brennkraftmaschine 2 hat einen Kolben 4, eine Pleuelstange 6, eine Kurbelwelle 8 mit einer Drehachse A und mit ein oder mehreren Kurbelkröpfungen mit einer Kurbelkröpfungsmittellinie B, Kurbelwellen-Hauptlagern 12, einem Kurbelwellen-Abtriebszahnrad 14, einer Leistungswelle 16 mit einer Drehachse P, vorzugsweise parallel zur Kurbelwellenachse A, einem Antriebs- oder Abtriebswellenzahnrad 18, einem Zylinder 20 mit Kühlmitteln, zum Beispiel einem wassergekühlten Mantel 22, einem Gehäuse 24, einem Zylinderkopf 26, einem oder mehreren Einlaßventilen 28, einem oder mehreren Auslaßventilen 30, Kraftstoffeinspritz- oder -vergasungsmitteln 32 und einer oder mehreren Zündkerzen 34. Die Kröpfung 10 hat einen Hub 2L, der gleich dem zweifachen des Abstands der Achsen A und B ist. Die Kurbelwelle 8 ist in einer starren Kurbelwellen-Wiege 36 mit ein oder mehreren Exzentern, z. B. Exzentern 38 und 40, drehbar gelagert. Die Brennkraftmaschine 2 hat einen Aktua tor 42 (der in 6 dargestellt ist) zur Einstellung der Drehwinkellage der Kurbelwellen-Wiege 36 auf einer Achse der Kurbelwellen-Wiege oder Schwenkachse E und zur Einstellung der Position bzw. Lage der Kurbelwellen-Drehachse A relativ zum Gehäuse 24. Genauer gesagt, die Wiege ist in der Brennkraftmaschine relativ zur Brennkraftmaschine um die Schwenkachse schwenkbar, wobei die Schwenkachse vorzugsweise weitgehend parallel zu und in einem Abstand von der Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist, und der Aktuator ändert die Position der Wiege um die Schwenkachse und stellt das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine ein. Der Aktuator 42 kann ein Hydraulik-Aktuator, ein elektromechanischer Aktuator, ein drehbarer Aktuator, ein gerader Hydraulikzylinder-Aktuator oder eine andere Art von Aktuator sein. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 2 ein Viertakt-Otto-Motor mit Kraftstoffeinspritzung. Dem Fachmann ist klar, daß die Brennkraftmaschine 2 ein Otto-Motor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, ein Diesel-Motor, ein Zweitakt-Motor oder eine andere Art von Brennkraftmaschine mit hin und her gehendem Kolben oder eine Brennkraftmaschine mit variablem Volumen, z. B. ein Stirling-Motor, eine Dampfmaschine, eine Pumpe, ein Kompressor oder ein Expander (die alle nicht dargestellt sind), sein kann, und daß andere effektive Ventilanordnungen, Kraftstoffzuführ- und Zündeinrichtungen vorgesehen und/oder weggelassen sein können. Dem Fachmann ist klar, daß das Gehäuse 24 und der Zylinderkopf 26 trennbar, ein einziges Gußteil oder eine andere funktionale Anordnung sein können. Der Kolben 4 ist in dem Zylinder 20 verschiebbar, in den Luft über ein Einlaßventil 28 eingelassen wird. Das Einlaßventil 28 kann eine einstellbare Ventilbetätigungseinrichtung 44 umfassen.
Die Brennkraftmaschine 2 hat einen oder mehrere Zylinder 20. Bei Mehrzylindermaschinen gemäß vorliegender Erfindung sind die Zylinder vorzugsweise in Reihe oder V-förmig angeordnet, wie es in 7 dargestellt ist, doch sind auch andere Anordnungen möglich. Nachstehend sei auf den in den 1 und 2 dargestellten einzigen Zylinder Bezug genommen. In der Brennkraftmaschine 2 ist die geometrische Zylinder-Verdrängung D des Zylinders in der Maschine 2 gleich dem Produkt aus dem Gesamthub des Kolbens 4 im Zylinder 2 und der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung 20. Die Verdrängung einer Brennkraftmaschine oder Zylinderverdrängung von Brennkraftmaschinen mit einem oder mehreren Zylindern ist gleich der Summe der geometrischen Zylinderverdrängungen aller Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine. Der imaginäre Punkt X liegt in der geometrischen Mitte der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung 20 und unmittelbar über dem Kolben 4 (gerade außerhalb seiner Reichweite), wenn der Kolben 4 den größten Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle A hat und die Brennkraftmaschine 2 auf das größte Verdichtungsverhältnis eingestellt ist. Vorzugsweise ist die Zylinderbohrung 20 rund, doch kann die Zylinderbohrung 20 auch andere Querschnittsflächenformen haben, z. B. eine ovale, quadratische oder andere Form. Dem Fachmann ist klar, daß die Oberseite des Kolbens 4 eben oder uneben sein kann. Der Zylinder in der Brennkraftmaschine 2 hat ein Brennraumvolumen oder Endraumvolumen d mit einem Minimum d_min und einem Maximum d_max Das Brennraumvolumen d ist das Volumen zwischen dem Zylinderkopf 26 und dem Kolben 4, wenn der Kolben 4 den maximalen Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle hat. Die Drehachse A der Kurbelwelle hat eine erste Position auf einer Achse F, die das kleinste Brennraumvolumen d_min ergibt. Das Brennraumvolumen d_min ist das Volumen zwischen dem Zylinderkopf 26 und dem Kolben 4, wenn sich der Kolben 4 den maximalen Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle hat und sich die Drehachse A auf der Achse F befindet (wenn die Drehachse A beispielsweise den geringsten Abstand von dem imaginären Punkt X hat). Die Drehachse A der Kurbelwelle hat eine zweite Position, die auf der Achse G liegt und das größte Brennraumvolumen d_max ergibt. Das Brennraumvolumen d_max ist das Volumen zwischen dem Zylinderkopf 26 und dem Kolben 4, wenn der Kolben 4 den größten Abstand von der Kurbelwellendrehachse A hat und die Kurbelwellenachse A sich auf der Achse G befindet (z. B., wenn die Drehachse A den größten Abstand vom imaginären Punkt x hat). Das Verdichtungsverhältnis C des Zylinders in der Brennkraftmaschine 2 ist gleich C = (D + d)/d
Das maximale Verdichtungsverhältnis C_max des Zylinders in der Brennkraftmaschine ist gleich Cmax = (D + dmin)/dmin
Das minimale Verdichtungsverhältnis C_min des Zylinders in der Brennkraftmaschine 2 ist gleich Cmin = (D + dmax)/dmax
Die Kurbelwellen-Wiege 36 ist in einer Bohrung 46 des Gehäuses 24 drehbar gelagert. Die Kurbelwellen-Wiege 36 kann ein erstes exzentrisches Teil, den Hauptlagerbock oder Abschnitt 48, und ein zweites exzentrisches Teil, den Hauptlagerbock oder Abschnitt 50 aufweisen. Die Kurbelwellen-Wiege 36 hat einen oder mehrere Exzenter, z. B. Exzenter 38 und 40. Der Exzenter 38 ist im Abschnitt 48 und der Exzenter 48 im Abschnitt 50 ausgebildet. Der Abschnitt 48 hat eine Aussteifung 52 und der Abschnitt 50 hat eine Aussteifung 54. Die Aussteifungen 52 und 54 bilden eine starre Verbindung der exzentrischen Teile 48 und 50. Genauer gesagt, die Exzenter 38 und 40 sind starr durch die Aussteifungen 52 und 54 verbunden und können durch ein Befestigungselement, z. B. einen Stift, Clip, eine Schraube oder einen Bolzen 56 in der Einbaulage gehalten werden, und allgemeiner gesagt, die Exzenterteilabschnitte 48 und 50 sind starr und vorzugsweise durch ein oder mehrere Befestigungselemente lösbar verbunden.
Bei dem in den 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Kurbelwellen-Wiege 60 exzentri sche Teile oder Abschnitte 62. Die benachbarten exzentrischen Teile oder Abschnitte 62 sind starr durch eine Aussteifung 64 verbunden. Die benachbarten exzentrischen Teile oder Abschnitte 62, die durch die Aussteifung verbunden sind, können ein einstückiges Gußteil sein (wie dargestellt) oder aus Einzelteilen zusammengesetzt sein, insbesondere kann die Kurbelwellen-Wiege zwei oder mehr exzentrische Teile 62 aufweisen und die Aussteifung 64 ein einstückiges Gußteil oder aus Einzelteilen zusammengebaut sein. Die 4 und 5 stellen vier exzentrische Teile 62 und Aussteifungen 64 dar, die als ein einstückiges starres Teil gegossen sind und vier Hauptlager 66 tragen. Die Abschnitte 68 können als Hauptlagerkappen der Kurbelwelle dienen. Die Lagerkappen 68 sind durch Lagerkappenbolzen oder Befestigungselemente 70 starr und vorzugsweise lösbar mit den exzentrischen Teilen oder Abschnitten 62 verbunden. Nach den 1–5 sind benachbarte exzentrische Teile starr durch eine Aussteifung verbunden, so daß die exzentrischen Teile und die Kurbelwellen-Hauptlager starr und geradlinig ausgerichtet auf der Kurbelwellen-Mittelachse A gehalten werden.
Nach den 1 und 2 sind die Hauptlager 12 in den Exzentern 38 und 40 zur Abstützung der Kurbelwelle 8 montiert oder ausgebildet. Die Lager 12 können Gleitlager, Rollen-, Nadel-, Kegel-, Pendelrollen- oder Kugellager oder irgendein anderes funktionales Lagermittel zur Abstützung der Kurbelwelle 8 in den Exzentern 38 und 40 sein. Vorzugsweise sind die Lager 12 trennbar, so daß sie den Einbau der Kurbelwelle 8 in der Kurbelwellen-Wiege 36 ermöglichen. Die Lager 12 können durch Auseinanderschieben der Abschnitte 48 und 50 längs der Achse E trennbar sein. Nach den 3, 4 und 5 sind die Lager 66 durch Entfernen der Bolzen 70 und Trennen des exzentrischen Teils oder Abschnitts 62 und der Lagerkappe oder des Abschnitts 68 trennbar.
Nach den 1 und 2 sind die Kurbelwellen-Wiege 36 und die Exzenter 38 und 40 um die Schwenkachse E drehbar. Zwischen dem Gehäuse 24 (und/oder dem Gehäuse 24 und einer oder mehreren Endflächen 74 und 76) und der Kurbelwellen-Wiege 36 sind eine oder mehrere Fluidkammern 72 ausgebildet. Dem Fachmann ist klar, daß andere Oberflächen benutzt werden können, um Fluid in der Kammer 72 zu halten. Das Fluid in der Kammer 72 ist Öl oder ein ähnliches Hydraulikarbeitsfluid. Die Drehwinkellage der Kurbelwellen-Wiege 36 und Exzenter 38 und 40 auf der Schwenkachse E wird durch die Einstellung des Volumens der Kammer 72 eingestellt. Vorzugsweise übt das Fluid in der Kammer 72 eine Kraft direkt auf die Kurbelwellen-Wiege 36 aus, so daß die Kurbelwellen-Wiege 36 um die Schwenkachse E gedreht wird und dadurch die Position (Lage) der Kurbelwellen-Drehachse A eingestellt wird. Das Volumen der Kammer 72 wird durch Ein- oder Ablassen von Fluid in die bzw. aus der Kammer 72 eingestellt, genauer gesagt, durch Einpumpen von Fluid in die Kammer 72 oder Ablassen von Fluid aus der Kammer 72. Die Kammer 72 steht mit einem oder mehreren Fluidkanälen 78 in Fluidverbindung. Der Durchfluß des Fluids durch die Kanäle 78 (oder andere Kanäle, die mit der Kammer 72 in Fluidverbindung stehen) und mithin die Steuerung des Durchflusses des Fluids in die und aus der Kammer 72 wird durch ein oder mehrere Ventile 80 gesteuert. Das Ventil 80 wird durch ein Steuergerät oder einen Regler 82 oder andere Steuer- oder Regelmittel gesteuert und/oder geregelt. Die Kurbelwellen-Wiege 36 und Exzenter 38 und 40 können sich bis zu einem Winkel θ aus einer ersten Position in eine zweite Position drehen. In der ersten Position liegt die Kurbelwellen-Drehachse A auf der Achse F, und in der zweiten Position liegt die Kurbelwellen-Drehachse A auf der Achse G. Nachstehend sei auf das Brennraumvolumen d in der Brennkraftmaschine 2 Bezug genommen: Das Ablassen von Fluid aus der Kammer 72 über das Ventil 80 bewirkt, daß die Kurbelwellen-Wiege 36 (im Uhrzeigersinn) um den Winkel θ um die Schwenkachse E (durch einen nach unten auf die exzentrischen Abschnitte 38 und 40 und auf die Kurbelwellen-Wiege 36 von der Kurbelwelle 8 und/oder andere ausgeübte Kräfte) gedreht wird, so daß sich die Kurbelwelle 8 aus der Mittelli nie F in die Mittellinie G bewegt und sich das Volumen d von d_min auf d_max vergrößert und das Verdichtungsverhältnis C des Zylinders in der Brennkraftmaschine 2 von C_max auf C_min verringert wird. Um das Verdichtungsverhältnis zu vergrößern, kann die Kurbelwellen-Wiege 36 entgegen dem Uhrzeigersinn durch Zurückpumpen von Fluid in die Kammer 72 gedreht werden. Dem Fachmann ist klar, daß die Kurbelwellen-Drehachse A in irgendeine Lage zwischen der Achse F und der Achse G und mithin das Verdichtungsverhältnis C auf irgendeinen Wert zwischen C_max und C_min eingestellt werden kann. Das Volumen der Kammer 72 wird eingestellt, um die Drehwinkellage der Kurbelwellen-Wiege 36 und Exzenter 38 und 40 einzustellen. Die Einstellung der Drehwinkellage der Kurbelwellen-Wiege 36 und Exzenter 38 und 40 bewirkt die Einstellung der Position der Kurbelwellen-Drehachse A (z. B. die Drehwinkellage der Kurbelwelle 8 um ihre mittlere Achse) relativ zum Gehäuse 24 und die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses C der Brennkraftmaschine 2. Dem Fachmann ist klar, daß die Brennkraftmaschine 2 einen oder mehrere Zylinder haben kann und das Verdichtungsverhältnis C, die Verdrängung D und das Brennraumvolumen d bei allen Zylindern gleich oder verschieden sein kann.
6 stellt eine detaillierte Ansicht der Kammer 72 dar, genereller einen drehbaren Aktuator 42 zum Drehen der Kurbelwellen-Wiege 36 und Exzenter 38 und 40 relativ zum Gehäuse 24. Nach den 1, 2 und 6 hat die Kurbelwellen-Wiege 36 eine Oberfläche 84 mit dem Radius R1 von der Schwenkachse E aus. Die Oberfläche 84 liegt gleitend an einer ersten Kammerendfläche 86 an, die sich von der Bohrung 46 weg erstreckt. Die Oberfläche ist vorzugsweise auf der Aussteifung 52 und 54 angeordnet. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die Oberfläche 84 die Endfläche 86 berühren oder von der Endfläche 86 durch ein kleines Spiel (z. B. durch eine kleine Herstellungstoleranz zwischen den Teilen) getrennt sein kann. Die Kammer 72 hat eine zweite Kammerendfläche 88, die sich von der Oberfläche 84 weg erstreckt, die an der Boh rungsoberfläche 46 gleitend anliegt. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die Endfläche 88 die Bohrung 46 berühren oder durch ein kleines Spiel (z. B. eine kleine Fertigungstoleranz zwischen den Teilen) von der Bohrung 46 getrennt sein kann. Die Kammer 72 wird durch die Oberfläche 84, die Bohrungsoberfläche 46, die Endfläche 88, die Endfläche 86 und eine obere Oberfläche 74 sowie eine untere Oberfläche 76 gebildet. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die Oberflächen 46, 84, 88 und/oder 86 kontinuierlich oder über einen Radius in die obere Oberfläche 74 und/oder untere Oberfläche 76 übergehen können.
Zur Abdichtung der Kammer 72 gegen einen Fluidaustritt können eine oder mehrere Dichtungen vorgesehen sein, z. B. Plandichtungen 94 und 96, Liniendichtungen 98 und 100 und Endflächendichtungen 102 und 104. Dem Fachmann ist klar, daß auch andere Dichtungsarten und -anordnungen zur Abdichtung der Kammer 72 verwenden werden können. Das Hydraulik-Fluid in der Kammer 72 drückt auf die Kurbelwellen-Wiege 36. Allgemeiner gesagt, die Kurbelwelle 8 ist in den Exzentern 38 und 40 in der Kurbelwellen-Wiege 36 gelagert, und die Kurbelwellen-Wiege 36 ist das drehbare Element oder der drehbare Aktuator 42, wobei die Kurbelwelle 8 beispielsweise in dem drehbaren Element oder drehbaren Aktuator gelagert ist. Diese Ausbildung ist kompakt und ergibt eine starre Abstützung (einen starren Lagerbock) der Kurbelwelle 8, was die Lebensdauer der Kurbelwelle erhöht und die Vibration und Geräusche vermindert. Ferner ist sie einfach und kostengünstig herzustellen, und sie hat eine sehr hohe Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit.
Während des Betriebs steht das Fluid in der Kammer 72 zeitweise unter hohem Druck, z. B. während des Arbeitshubs der Brennkraftmaschine 2, wenn der Kolben 4 nach unten auf die Pleuelstange 6 drückt. Während des Einlaßhubs der Brennkraftmaschine 2 kann die Abwärtsbewegung des Kolbens 4 und der Pleuelstange 6 bewirken, daß die Kurbelwelle 8 eine nach oben gerichtete Kraft auf die Exzenter 38 und 40 ausübt, so daß sich die Kurbelwellen-Wiege 36 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und der Fluiddruck in der Kammer 72 abnimmt. Die Kurbelwellen-Wiege 36 kann durch Halterungsmittel, z. B. eine Vorspannungsfeder 106 (siehe 9), eine zweite Hydraulikfluid-Kammer (siehe 7, 10 und 12), eine Reibungsbremse, einen gleitenden Zapfen oder andere Mittel, die die Position der Kurbelwellen-Wiege 36 relativ zum Gehäuse 24 fixieren oder im wesentlichen zurückhalten und/oder festhalten, in Position gehalten werden. Die Vorspannungsfeder 106 kann verwendet werden, um ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf die Kurbelwellen-Wiege 36 auszuüben (z. B. verschiebt die Feder 106 die Kurbelwellen-Achse A in einer im wesentlichen von dem Kolben 4 weg gerichteten Richtung, so daß das Verdichtungsverhältnis verringert wird), um eine Bewegung der Kurbelwellen-Wiege 36 im Gegenuhrzeigersinn zu minimieren und/oder zu verhindern, wenn keine Änderung des Verdichtungsverhältnisses beabsichtigt ist. Die Feder 106 minimiert und/oder verhindert im wesentlichen eine Rotationsvibration oder ein Schlagen der Kurbelwellen-Wiege 36 in der Bohrung 46.
7 ähnelt 1, nur daß 7 eine erste Fluidkammer 108, eine zweite Fluidkammer 110, eine Kurbelwellen-Wiege 112 und eine Aussteifung 111 zeigt. Die Kammer 108 ähnelt der Kammer 72 (die in den 1 und 6 dargestellt ist) darin, daß die Kurbelwellen-Wiege 112 durch Erhöhung des Volumens der Kammer 108 (z. B. durch Einpumpen von Hydraulikfluid in die Kammer 108) im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, so daß die Kurbelwelle 8 angehoben und das Verdichtungsverhältnis C erhöht wird. Die Kammer 110 wird mit Fluid gefüllt, um die Kurbelwellen-Wiege 112 in einer festen oder nahezu festen Position zu halten und zu verhindern, daß sich die Kurbelwellen-Wiege 112 unter der zyklischen (und in einigen Fällen umgekehrten) Belastung der Kurbelwellen-Wiege 112 durch die Kurbelwelle 8 merklich dreht oder vibriert, genauer gesagt, um die Kurbelwellen-Wiege 112 in einer festen oder nahezu festen Lage zu halten, ausgenommen während der Zeiten, in denen die Ventile 114 und/oder 116 eingestellt werden, um die Position der Kurbelwellen-Wiege 112 und der Hauptlager 12 relativ zum Gehäuse 24 einzustellen. Die Kammer 110 kann auch dazu benutzt werden, die Kurbelwellen-Wiege 112 zwangsweise im Uhrzeigersinn zu drehen, so daß die Kurbelwelle 8 abgesenkt wird, und zu bewirken, daß das Verdichtungsverhältnis C verringert wird. Die Steuerung 82 und die Ventile 114 und 116 dienen der Steuerung der Zufuhr des Fluids in die oder dessen Abfluß aus den Kammern 108 und 110 über Fluidkanäle 118 und 120. Es können aber auch andere Fluide und Fluidkanäle und andere Ventil- und Fluidkanalanordnungen zur Steuerung des Fluidvolumens in den Kammern 108 und 110 verwendet werden.
Nach den 1 und 2 wird die Leistung von der Kurbelwelle 8 auf die Abtriebswelle 16 über eine Abtriebskupplung 58, die die Zahnräder 14 und 18 aufweist, übertragen. Der Abstand zwischen der Kurbelwellen-Drehachse A und der Abtriebs-Drehachse P ändert sich bei einer Bewegung der Kurbelwellen-Drehachse A, so daß das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine geändert wird. Genauer gesagt, die Abtriebskupplung hat wenigstens ein externes Abtriebszahnrad 14 auf der Kurbelwelle 8, und die Abtriebswelle 16 hat eine Drehachse P und ein externes Antriebszahnrad 18. Das externe Abtriebszahnrad 14 steht mit dem externen Antriebszahnrad 18 in Verbindung, und die Kurbelwelle 8 hat eine erste axiale Position mit einem ersten Abstand von der Abtriebswellenachse P in der erwähnten ersten Schwenklage der Wiege 36, und die Kurbelwelle 8 hat eine zweite axiale Position mit einem zweiten Abstand von der Abtriebswellenachse P in einer zweiten Schwenklage der Wiege 36, und der zweite Abstand ist größer als der erste Abstand. Die Zahnräder 14 und 18 sind externe Zahnräder (keine Innen- oder Ring-Zahnräder) und haben Involventen-, Epizykloid- oder geeignete Zahnformen, so daß die Haltbarkeit der Zahnräder nicht wesentlich durch kleinere Änderungen des Mittellinienabstands zwischen der Kurbelwelle 8 und der Abtriebswelle 16 beeinflußt wird. Vorzugsweise sind die Zahnräder 14 und 18 schräg verzahnte Zahnräder mit parallelen Drehachsen, so daß sie ein höheres Belastungsvermögen haben, mit höheren Drehzahlen betreibbar und geräuscharmer sind.
Nach den 1 und 7 hat jeder Kolben 4 in der Brennkraftmaschine eine Translationsachse 91. Brennkraftmaschinen haben eine mittlere Translationsachse oder Mittellinienachse 92, wobei die Mittellinienachse 92 in Einzylinder-Brennkraftmaschinen als die Translationsachse 91 und die Halbierungs- oder Mittelwert-Translationsachse bei V- oder W-Motoren mit mehreren Zylindern definiert ist.
Um eine Änderung des Abstands zwischen der Kurbelwellen-Wiege 14 und dem Abtriebswellenzahnrad 18 bei einer Änderung des Verdichtungsverhältnisses zu minimieren, ist die Achse P bei vorliegendem Ausführungsbeispiel in einem Bereich von ±45° in einer ersten Ebene angeordnet. Dabei verläuft eine erste Ebene 90 durch die Schwenkachse E und steht senkrecht zur Mittellinienachse 92. Eine erste Kurbelwellenachse liegt ungefähr in der ersten Ebene, wobei die Mittellinienachse und die Kurbelwellenachse auf der gleichen Seite der Schwenkachse liegen. Eine zweite Ebene 90b verläuft durch die erste Kurbelwellenachse, die zweite Ebene und die erste Ebene sind um 45° getrennt, eine dritte Ebene 90c verläuft durch die erste Kurbelwellenachse, die dritte Ebene und die erste Ebene sind um 45° getrennt, und die zweite Ebene und die dritte Ebene sind um 90° getrennt. Die Achse P liegt zwischen der zweiten Ebene und der dritten Ebene, wodurch das maximale Spiel zwischen dem externen Abtriebszahnrad und dem externen Antriebszahnrad minimiert wird. Dem Fachmann ist klar, daß die Achse P auf der rechten oder linken Seite der Kurbelwelle 8 angeordnet sein kann. Alternativ hat die erste Achse ihren Nullpunkt in und steht senkrecht auf einer zweiten Ebene, die durch die Achsen F und G verläuft. Die Achse P liegt in einem Bereich von ±45° in der ersten Ebe ne, wobei die Winkel von ±45° vom Nullpunkt der ersten Ebene aus gemessen werden. Dem Fachmann ist klar, daß die Anordnung der Achse P im Bereich von ±45° der ersten Ebene ein minimales Zahnradspiel bei Brennkraftmaschinen ergibt, die sowohl starr als auch nicht starr verbundene Hauptlagerböcke haben.
Um zu verhindern, daß die Zahnräder rattern und sich abnutzen, kann ein Spielausgleichzahnrad 112 vorgesehen sein. Das Spielausgleichzahnrad 112 ist federbelastet, um das die größere Belastung aufweisende Zahnrad 118 ständig oder nahezu ständig mit dem mit ihm in Eingriff stehenden Kurbelwellenzahnrad 14 in Berührung zu halten. Alternativ kann auf der Kurbelwelle 8 ein Spielausgleichzahnrad angebracht sein. Die Abtriebswelle 16 kann ein oder mehrere Auswuchtgewichte 124 aufweisen. Dem Fachmann ist klar, daß das Auswuchtgewicht 124 optional ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Leistung der Brennkraftmaschine über die Abtriebswelle abgenommen, da die Mittellinie längs der Achse P ortsfest ist, so daß die Abtriebswelle 16 auf einfache Weise mit einer Kupplung, einem Transmissions- oder einem anderen drehbaren Element (was nicht dargestellt ist) verbunden werden kann. Bei Booten, Luftfahrzeugen und anderen Anwendungen kann der Abtrieb unmittelbar über die Kurbelwelle 8 erfolgen, weil die Einstellung der Mittellinie der Kurbelwelle 8 das Betriebsverhalten nicht wesentlich beeinflussen kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 1, 2 und 6 wird die Brennkraftmaschine durch Verschiebung der Kurbelwellen-Wiege 36 in der Bohrung 46 längs der Achse E zusammengebaut. Die Bohrung 46 kann in dem Gehäuse 24 kostengünstig ausgebildet werden und ermöglicht eine starre Abstützung der Kurbelwellen-Wiege 36. In der Bohrung 46 können ein oder mehrere Teile 126 durch eine Schraube 128 oder andere Befestigungsmittel, z. B. einen Bolzen, einen Schlitz, eine Nut oder Klebstoff befestigt (oder angeformt) werden. Dem Fachmann ist klar, daß auch andere Teile in der Bohrung 46 ange bracht oder angeformt werden können. Das Anbringen von Teilen in der Bohrung 46 (in Gegensatz zum Herausarbeiten von Formen, die sich nach innen vom Radius R2 aus erstrecken) ermöglicht es, die Bohrung 46 kostengünstig auszubilden. Um Bolzen zugänglich zu machen und Öl abzulassen, kann eine (durch gestrichelte Linien dargestellte) Öffnung 130 vorgesehen sein.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Kurbelwellen-Wiege 36 und das Gehäuse 24 die Kurbelwellen-Hauptlager 12 (bei Ein- und Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen) ausgerichtet halten. Eine starre Abstützung oder Lagerung der Kurbelwellen-Hauptlager 12 in geradliniger Ausrichtung verbessert die Haltbarkeit der Kurbelwelle erheblich und verringert Geräusche und Vibrationen. Dem Fachmann ist klar, daß eine Kurbelwelle bei einer Mehrzylinder- bzw. Mehrkolben-Brennkraftmaschine nach vorliegender Erfindung starr gelagert werden kann, z. B. mit einem Exzenter, der mehr als zwei starre Kurbelwellen-Lagerböcke aufweist.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Einzylinder-Brennkraftmaschine gleiten die Abschnitte 48 und 50 der Kurbelwellen-Wiege auf die Enden der Kurbelwelle B. Sie können aber auch in die Bohrung 46 gleiten. Die Abschnitte 48 und 50 der Kurbelwellen-Wiege 36 können durch eine Schraube 56 oder andere Befestigungsmittel, z. B. einen Bolzen, Zapfen, durch Löten oder mit Klebstoff fest verbunden sein. Vorzugsweise sind am Gehäuse 24 Endplatten 132 und 134 mittels Bolzen befestigt, um die Abschnitte 48 und 50 der Kurbelwellen-Wiege in der Einbaulage zu befestigen. Die Endplatten 132 und 134 können verwendet werden, um die Abschnitte 48 und 50 der Kurbelwellen-Wiege in der erforderlichen Position zu halten. Die Befestigung der Endplatten 132 und 134 am Gehäuse mittels Bolzen ermöglicht eine Befestigung der Dichtungen 102 und 104 unter Druck. Dem Fachmann ist klar, daß eine oder beide Endplatten im Gehäuse 24 ausgebildet sein können (beispielsweise können die eine oder beide Endflächen 76 und 74 aus dem Gehäuse 24 herausgearbeitet sein), und/oder es können andere Mittel benutzt werden, um die Abschnitte 48 und 50 der Kurbelwellen-Wiege in Position bzw. Einbaulage zu halten.
11 stellt perspektivische Schnittansichten eines Teils einer erfindungsgemäßen Dreizylinder-Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis dar. Die Brennkraftmaschine hat einen Kolben 4, eine Pleuelstange 6, eine Kurbelwelle 61 mit einer Drehachse A und Kurbelwellen-Lagern 66, einen Zylinder 20, ein Gehäuse 59, eine Kurbelwellen-Wiege 60 und eine exzentrische Hauptkappe 71. Die Kurbelwellen-Wiege 60 weist exzentrische Teile oder Abschnitte 62 und eine Aussteifung 64 auf, die zwei oder mehrere der exzentrischen Teile 62 verbindet. Die exzentrischen Teile 62 und Lagerkappen oder Lagerabschnitte 68 haben eine Trennfläche 63. Dem Fachmann ist klar, daß die Trennfläche 63 eine imaginäre flache Ebene, die die Achse A schneidet, eine gekrümmte Fläche, die die Achse A schneidet, oder eine andere imaginäre Fläche sein kann, die den Einbau der Kurbelwelle 61 in der Kurbelwellen-Wiege 60 ermöglicht. Die Abschnitte 62 und 68 sind durch Bolzen oder Befestigungselemente 70 oder andere funktionale Mittel verbunden. Die Kurbelwellen-Wiege 60 ist im Gehäuse 59 durch die exzentrische Hauptkappe 71 drehbar abgestützt. Die Hauptkappe 71 ist abnehmbar und ermöglicht es, die Kurbelwellen-Wiege 60 alternativ zu dem Zusammenbau durch Einschieben in das Gehäuse, wie oben beschrieben, in das Gehäuse einzulegen. Insbesondere zeigt 1 eine starre Brennkraftmaschinenkonstruktion mit einem Gehäuse 24, das einen oberen Gehäuseteil 24a und einen unteren Teil 24b aufweist, wobei der obere Gehäuseteil 24a und der untere Teil 24b einstückig aus Metall gegossen und die exzentrischen Teile 48 und 50 auf der Achse E in das Gehäuse 24 gleitend einschiebbar sind. Die Bohrung 46 kann in dem unteren Teil 24b ausgebildet sein, oder der untere Teil 24b kann ein Lagerelement mit einer Bohrung 46 zur Lagerung der (nicht dar gestellten) Wiege abstützen. Nach 11 wird den Kurbelwellenlagern 66 über eine Ölzufuhrleitung 65 im Abschnitt 62 und eine Ölversorgungskammer 67 Öl zugeführt. Die Kammer 67 ist vorzugsweise etwa ebenso breit wie tief. Nach den 3 und 5 befindet sich die Ölzufuhrleitung 77 in der Aussteifung 64 und die Ölzufuhrleitung 65 in dem exzentrischen Teil 62.
4 stellt eine detaillierte Ansicht der Wiege oder Kurbelwellen-Wiege 60 dar. Die Kurbelwellen-Wiege 60 hat exzentrische Teile oder Abschnitte 62 zur starren Lagerung der Kurbelwellen-Lager 66. Die exzentrischen Teile oder Abschnitte 62 sind starr verbunden oder durch eine Queraussteifungsstruktur 64 miteinander verbunden. Nach den 1 und 2 sind die exzentrischen Teile oder Abschnitte 48 und 50 starr verbunden oder durch Queraussteifungen 52 und 54 miteinander verbunden. Erfindungsgemäß weist die Kurbelwellen-Wiege 36 die Queraussteifungen 52 und 54 zur starr geradlinig ausgerichteten Halterung der Kurbelwellen-Hauptlager 12 und die Kurbelwellen-Wiege 60 die Queraussteifung 64 zur starr geradlinig ausgerichteten Halterung der Kurbelwellen-Hauptlager 66 auf.
Nach den 3, 4 und 11 hat die Queraussteifung 64 eine äußere Oberfläche 69a, die auf eine Bohrungsoberfläche im Gehäuse 59, das eine innere Gehäuseoberfläche 69b hat, und auf eine innere Hauptkappen-Oberfläche 69c drückt. Die Kurbelwellen-Wiege 60, die die äußere Oberfläche 69a aufweist, ist in der Bohrungsoberfläche im Gehäuse 59 und/oder exzentrischen Hauptkappe 71 drehbar gelagert. Die äußere Oberfläche 79a kann sich bis auf die äußere Oberfläche der Aussteifung 64 erstrecken und eine kontinuierliche Oberfläche zwischen den benachbarten exzentrischen Teilen oder Abschnitten 62 (wie dargestellt) bilden. Die Kurbelwellen-Wiege 60 kann längs der gesamten oder eines Teils der Lageroberfläche 69a abgestützt sein.
8 stellt eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 136 dar. 8 ähnelt der 1, nur das 8 einen Kolben-Hydraulikaktuator 138 mit einem Hydraulikkolben 140 zeigt, der in einem Hydraulikzylinder 142 zur Durchführung einer geradlinigen Translationsbewegung gleitend verschiebbar ist. Der Kolben 140 ist mit einem Aktuatorverbindungsglied oder Arm 144 schwenkbar verbunden, und der Arm 144 ist mit einer Kurbelwellen-Wiege 146 schwenkbar verbunden. Der Kolben 140 kann mit der Wiege 146 durch das Verbindungsglied oder den Arm 144 oder durch eine andere Art von Verbindung, z. B. ein Getriebe aus Zahnstange und Ritzel, eine exzentrische Buchse oder Büchse zwischen dem Arm 144 und einem Bolzen oder Zapfen 146 oder eine andere funktionale Einrichtung, verbunden sein. Durch einen oder mehrere Kanäle 148 tritt Fluid in den Zylinder 142 ein oder aus, und die Fluidströmung in den oder aus dem Zylinder 142 wird durch ein oder mehrere (nicht dargestellte) Ventile gesteuert. Das durch die Kanäle 148 unter Druck in den Zylinder 142 eintretende Fluid drückt den Kolben 140 und den Arm 144 in einer im wesentlichen nach unten gehenden Richtung (im Bezug auf die in 8 dargestellte Lage der Brennkraftmaschine 136), so daß die Kurbelwellen-Wiege 146 im Gegenuhrzeigersinn um die Achse E gedreht, die Kurbelwellen-Mittellinie A angehoben und das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine 136 erhöht wird.
Der Aktuator stellt zunächst die Drehwinkellage der Kurbelwellen-Wiege um ihre Schwenkachse E ein und arretiert dann die Drehwinkellage der Wiege. Nach den 2, 5 und 9 ist der Aktuator vorzugsweise mit der Mitte der Kurbelwellen-Wiege verbunden, z. B. zwischen dem vorderen und dem hinteren Hauptlager (z. B. zwischen den beiden Hauptlagern, die am weitesten voneinander entfernt angeordnet sind) und allgemeiner gesagt, zwischen den vorderen und hinteren exzentrischen Teilen oder Hauptlager (z. B. zwischen den beiden exzentrischen Teilen, die am weitesten voneinander entfernt angeordnet sind), so daß auf die Mitte der Wiege eine Kraft ausgeübt und dadurch eine Verdrehung der Kurbelwellen-Wiege und Fehlausrichtung der Hauptlager minimiert wird. 9 stellt die Anordnung des Aktuatorarms 144 zwischen den Hauptlagern 12, allgemeiner gesagt, zwischen den exzentrischen Teile 160 und 162, dar, so daß die Kurbelwellen-Wiege 146 durch eine im Gleichgewicht stehende Aktuatorkraft belastet wird. 5 zeigt die Anordnung des Aktuatorarms 144 zwischen den Hauptlagern 66, allgemeiner gesagt, zwischen den beiden exzentrischen Teilen 62, die am weitesten voneinander entfernt angeordnet sind, so daß die Kurbelwellen-Wiege 61 durch eine im Gleichgewicht stehende Aktuatorkraft belastet wird. 2 stellt die Fluidkammer eines Aktuators 42 dar, der einen über die Länge der Kurbelwellen-Wiege 36 gleichmäßig verteilten Druck ausübt, genauer gesagt, zwischen den exzentrischen Teilen 48 und 50. Daher bleiben die exzentrischen Teile starr geradlinig ausgerichtet, so daß die Hauptlager eine lange Lebensdauer haben.
9 zeigt einen Teil der Schnittansicht F9-F9 nach 8 von der Brennkraftmaschine 136. Nach den 8 und 9 hat die Brennkraftmaschine 136 ein Gehäuse 150, einen Kolben 4, eine Pleuelstange 6, eine Kurbelwelle 152 in Lager 12 mit einem Innendurchmesser 154 zur Abstützung der Kurbelwelle 152, wobei die Lager 12 in einer Kurbelwellen-Wiege 146 sitzen. Der Hydraulikzylinder 142 ist in dem Gehäuse 150 ausgebildet oder mit diesem starr geradlinig ausgerichtet. Die Pleuelstange 6 hat ein Lager 156 mit einem großen Ende und ist auf der Kurbelwelle 152 auf einer Kröpfung 158 mit einer Lagerachse B gelagert. Die Kurbelwellen-Wiege 146 hat vorzugsweise einen ersten exzentrischen Abschnitt 160 und einen zweiten exzentrischen Abschnitt 162, die auf den entgegengesetzten Enden der Kurbelwelle 152 gleiten und starr durch ein oder mehrere Befestigungsmittel, z. B. Bolzen 164 und 166 oder andere Mittel, z. B. einen Zapfen oder eine Schraube, zusammengehalten werden. Der Abschnitt 160 hat eine erste Struktur 168 zur Aufnahme der Bolzen 164 und 166, und der Abschnitt 162 hat eine zweite Struktur 170 zur Aufnahme der Bolzen 164 und 166. Der Bolzen 164 kann als Verbindungszapfen dienen, der den Verbindungsarm 144 und die Kurbelwellen-Wiege 146 schwenkbar verbindet. Der Bolzen 164 dient vorzugsweise als Verbindungszapfen und ist zwischen den Abschnitten 160 und 162 im wesentlichen zentriert, so daß die Kraft des Arms 144 weitgehend gleichmäßig auf die Abschnitte 160 und 162 ausgeübt wird, um eine Fehlausrichtung der Lager 12 zu minimieren. Genauer gesagt, der Verbindungszapfenteil des Bolzens 164 erstreckt sich in axialer Richtung längs der Achse E zwischen den Abschnitten 160 und 162 und liegt in radialer Richtung außerhalb des Hubwegs der Kurbelwelle 152, wobei er die Pleuelstange 6 (einschließlich der Lagerkappe des großen Endes der Pleuelstange) mit Gegen- oder Ausgleichgewichten 172, die in 9 dargestellt sind, verbindet. Die Kurbelwelle 152 kann die Gegengewichte 172 aufweisen. In 8 sind die Gegengewichte 172 nicht dargestellt (d.h. weggeschnitten), um das Lager 156 am großen Ende der Pleuelstange 6 und die Kurbelwellen-Hauptlager 12 sehen zu können. Wie 9 zeigt, übt ein Vorspannungsmittel in Form einer Feder 106 ein Drehmoment auf die Kurbelwellen-Wiege 146 aus. Die Feder 106 kann unmittelbar an der Kurbelwellen-Wiege 146 und dem Gehäuse 150 befestigt sein. Vorzugsweise ist die Feder 106 um die Achse E herumgewickelt und an einem Ende der Kurbelwellen-Wiege 146 angebracht. Nach den 8 und 9 übt die Feder 106 ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf die Kurbelwellen-Wiege 146 aus und unterstützt oder bewirkt eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine 136. Genauer gesagt, die Feder 106 übt ein Drehmoment auf die Kurbelwellen-Wiege 146 aus und bewirkt (oder unterstützt) eine Drehung der Kurbelwellen-Wiege 146, so daß sich die Kurbelwelle 152 vom Kolben 4 wegbewegt (wobei sie beispielsweise eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine 136 bewirkt oder unterstützt). Der Hydraulikdruck im Zylinder 152 wirkt dem durch die Feder 106 auf die Kurbelwellen-Wiege 146 ausgeübten Drehmoment entgegen (indem sie z. B. einen dem Drehmoment entgegenwirkenden Widerstand ausübt) und unterstützt oder bewirkt eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine 136.
Über einen Ölzufuhranschluß 176, der vorzugsweise koaxial zur Achse E ist und einen Ölzufuhrkanal 178 aufweist, der mit Ölzufuhrleitungen (z. B. die Kurbelwelle durchsetzenden Kanälen 180 und 182) in Fluidverbindung steht, wird den Lagern 12 und 156 Öl zugeführt. Vorzugsweise ist die Ölzufuhrleitung 180 koaxial zur Achse A, der Ölzufuhranschluß 176 koaxial zur Achse E und der Ölzufuhranschluß 176 direkt am Anschluß 160 angebracht. Die Zufuhrleitung 180 und der Ölzufuhrkanal 178 im Anschluß 176 sind durch einen versetzten Kanal oder exzentrischen Übergangsraum 184 verbunden. Der Ölzufuhranschluß 176 kann eine drehbare Einrichtung oder Verbindung aufweisen, so daß der Ölzufuhrkanal 178 ortsfest bleiben kann, wenn sich der Abschnitt 160 und die Kurbelwellen-Wiege 146 drehen. Während des Betriebs strömt das Öl in den Kanal 178 und den versetzten Kanal 184. Dann strömt das Öl durch den Kanal 180, einen Abzweigkanal 186 und einen Kanal 182 zu den Lagern 12 und 156. Dem Fachmann ist klar, daß auch andere Fluidkanalanordnungen erfindungsgemäß verwendet werden können, um die Lager 12 und 156 zu ölen. Über eine Zufuhrleitung 192 und/oder 194 können die Oberflächen 188 und 190 geschmiert werden.
Das Zahnrad 14 kann eine schräge oder kegelförmige Verzahnung 196 haben, die die Kurbelwellen-Wiege 146 zum Anschluß 176 hin drückt. Die Kurbelwellen-Wiege 146 kann ein Axiallager 198 aufweisen oder gegen ein Axiallager 198 drücken, das den durch das Zahnrad 14 oder dem von anderen Quellen ausgeübten Druck standhält. Dem Fachmann ist klar, daß auch andere Arten von Lagern statt Axiallagern benutzt werden können.
Die nach unten auf das Abtriebswellen-Zahnrad 18 drückenden Zähne 196 des Zahnrads 14 haben eine nach oben auf das Zahnrad 14 und die Kurbelwelle 152 wirkende Reaktionskraft zur Folge. Die Ausführungsform hat eine starre Kurbelwellen- Wiege 146 und ein steifes Gehäuse 150 um zu verhindern, daß die Kurbelwellen-Wiege 146 durch diese und andere Kräfte und Belastungen tordiert und verbogen wird.
Die Kurbelwellen-Wiege kann aus Gußeisen, Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan oder einem anderen Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt sein, um die Kurbelwellen-Hauptlager starr abzustützen. Die Achse B und die Achse A haben den Abstand L. Der Hub des Kurbelwellen-Zapfens ist gleich 2L. Der Hub der Brennkraftmaschine 136 ist annähernd gleich 2L und ändert sich etwas, weil die Zylinderachse die Kurbelwellenachse nicht bei allen Verdichtungsverhältnis-Einstellungen schneidet. Es sei daher angenommen, daß der Hub der Brennkraftmaschine 136 im wesentlichen gleich 2L ist, wobei kleinere Änderungen der Hubhöhe ignoriert werden.
Nachstehend wird auf die 7 und 12 Bezug genommen. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine beschreibt die Pleuelstange einen Hubweg oder eine Laufbahn. Die Aussteifung und exzentrischen Teile sind vollständig außerhalb des Hubwegs der Pleuelstange angeordnet, um eine mechanische Störung zu vermeiden. Die Brennkraftmaschine kann eine Toleranzzone haben, um die Masse der Kurbelwellen-Wiege zu minimieren und/oder dafür zu sorgen, daß um eine Auswuchtwelle 200 und/oder die Abtriebswelle 5 ein Spiel vorhanden ist. Genauer gesagt, jeder Kolben hat eine Translationsachse, und die Brennkraftmaschine hat eine mittlere Translationsachse oder Mittellinienachse, die bei Einzylinder-Brennkraftmaschinen als Translationsachse und bei Mehrzylinder-V- oder -W-Motoren als Halbierungs- oder mittlere Translationsachse definiert ist. Die Brennkraftmaschine 258 hat eine Wiege 260, eine Aussteifung 262 und eine erste Ebene 90, die von der Schwenkachse E ausgeht und durch die Mittellinienachse 92 verläuft, wobei die erste Ebene und die Mittellinienachse zueinander senkrecht stehen. Die Brennkraftmaschine hat eine zweite Ebene 250, die von der Schwenkachse E ausgeht, wobei die zweite Ebene von der Ebene 90 um 20° getrennt ist, und die Brennkraftmaschine hat eine dritte Ebene 252, die von der Schwenkachse E ausgeht, wobei die dritte Ebene und die erste Ebene um 20° getrennt sind und die zweite Ebene 250 und die dritte Ebene 252 um 40° getrennt sind. Der Hubweg der Pleuelstange ist durch eine vierte Ebene 254 und eine fünfte Ebene 256 (siehe 9) begrenzt, wobei die vierte und die fünfte Ebene senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle stehen. Die Brennkraftmaschine 258 hat eine Spielzone, die durch die zweite Ebene 250 und die dritte Ebene 252 sowie durch die vierte Ebene 254 und die fünfte Ebene 256 begrenzt ist, wobei die Aussteifung 262 bei allen Verdichtungsverhältnis-Einstellungen ausschließlich außerhalb der Spielzone liegt, so daß sich ein mechanisches Spiel zwischen der Kurbelwellen-Wiege und der Auswuchtwelle 200, der Abtriebswelle 5 und/oder anderen Maschinenbauteilen ergibt.
Nachstehend wird auf 9 Bezug genommen. Um für eine starre Abstützung der Kurbelwellenlager 12 zu sorgen, hat die Kurbelwellen-Wiege 146 zwischen einem ersten Kreis oder Zylinder 147 und einem zweiten Kreis oder Zylinder 149 eine maximale Dicke t. Der Mittelpunkt des ersten Kreises 147 liegt auf der Drehachse der Kurbelwelle A, und der Durchmesser des Kreises beträgt das 1,2-fache des Hubs der Kurbelwellenkröpfung, und der Mittelpunkt des zweiten Kreises 149 liegt auf der Drehachse der Kurbelwelle A. Der Kreis 149 hat einen Durchmesser, der gleich dem 2-fachen des Hubs der Kurbelwellenkröpfung ist. Vorzugsweise ist die maximale Dicke zwischen dem ersten und dem zweiten Kreis wenigstens gleich dem 0,1-fachen der Dicke des Hubs der Kurbelwellenkröpfung, so daß sich eine starre Wiege ergibt. Vorzugsweise ist die maximale Dicke längs des ersten Kreises ebenfalls gleich dem 0,1-fachen der Länge des Hubs der Kurbelwellenkröpfung. Das Verhältnis des dicksten Querschnitts t der Kurbelwellen-Wiege 146 zwischen den Kreisen 147 und 149 zur Länge L ist größer als 0,10 (d.h., t/L > 0,10), so daß sich eine starre Abstützung der Hauptlager 12 ergibt.
In ähnlicher Weise hat die Kurbelwellen-Wiege eine zweite maximale Dicke t2 in einer Ebene 151, die senkrecht zur Drehachse A der Kurbelwelle steht und durch die Kurbelwellenkröpfung 158 hindurchgeht. Die zweite maximale Dicke t2 ist wenigstens gleich dem 0,1-fachen der Länge des Hubs, so daß sich eine starre Wiege ergibt (d.h., t2/L > 0,10).
Wie schon erwähnt wurde, kann die Kurbelwellen-Wiege ein einstückiges Gußteil oder aus Einzelteilen zusammengebaut sein. Vorzugsweise hat die Aussteifung einen ersten Teil und der erste Teil eine radiale Dicke in einem Abstand von der Drehachse der Kurbelwelle, die größer als der Hub ist, wobei ein erstes exzentrisches Teil und der erste Teil einstückig aus Metall gegossen sind, so daß sich eine starre Struktur zwischen dem exzentrischen Teil und der Aussteifung ergibt, die dazu dient, die benachbarten exzentrischen Teile zu verbinden.
Um niedrige mechanische Kräfte auf die Wiege auszuüben und zu erreichen, daß die Wiege eine hohe Vibrations-Eigenfrequenz hat (die höher als die maximale Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine ist) ist der Abstand zwischen der Schwenkachse und der Kurbelwellenachse vorzugsweise so klein wie möglich. Insbesondere verläuft die Schwenkachse vorzugsweise durch den Hubweg der Pleuelstange.
In jedem Fall sorgt die Kurbelwellen-Wiege 146 für eine starre Abstützung der Lager 12. Insbesondere hält die Kurbelwellen-Wiege 146 die Lager 12 mit enger Toleranz geradlinig ausgerichtet, wobei die enge Toleranz hinreichend klein ist, um einen Ausfall der Lager 12 oder der Kurbelwelle 152 zu verhindert. Brennkraftmaschinen, bei denen vorliegende Erfindung anwendbar ist und die zwei oder mehr Hauptlagerböcke haben, vorzugsweise Brennkraftmaschinen mit erfindungsgemäßen Gleitlagern, entspricht die enge Toleranz vorzugsweise einer radialen Abweichung von weniger als 0,08 Zoll bzw. 0,2032 mm (und vorzugsweise weniger als 0,004 Zoll bzw. 0,1016 mm) der Mittellinie irgendeines Lagers 12 von der Mittellinie der Kurbelwellen-Wiege 146, und noch spezieller, von einer Grundlinie ohne Abweichung oder Auslenkung aus gemessen, wobei die Kurbelwellenlager 12 auf einer ersten geraden Drehachse liegen und die Kurbelwellen auf einer zweiten geraden Drehachse liegen, die konzentrisch zur ersten Drehachse ist. Dem Fachmann ist klar, daß das Ausführungsbeispiel eine enge Toleranz bei Kurbelwellen-Wiegen ergibt, die Kurbelwellen von Ein- oder Mehrzylinder- Brennkraftmaschinen abstützen. Im Falle der Anwendung der vorliegenden Erfindung bei Fahrzeugen (z. B. Personenkraftwagen mit geringer Beanspruchung und leichten Lastkraftwagen wie sie von der US Environmental Protection Agency definiert sind), hat die Kurbelwellen-Wiege 146 eine so große Steifigkeit, daß ein Ausfall der Lager 12 nach einer Fahrstrecke von mindestens 100.000 Meilen bzw. 161.000 km des Fahrzeugs verhindert wird. Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen und Lastkraftwagen mit geringer Beanspruchung werden die meiste Zeit über mit Teillast betrieben. Die Lagerausrichtung wird bei einer ersten Brennkraftmaschineneinstellung mit einer Kurbelwellendrehzahl zwischen 1.200 Umdrehungen pro Minute (UPM) und 6.000 UPM und einem mittleren effektiven Druck (mep) der Brennkraftmaschine von weniger als 500 Kilopascal (500 kPa) gemessen. Der mittlere effektive Druck mep ist auf Seite 50 International Combustion Engine Fundamentals, John B. Heywood, McGraw-Hill Book Company, 1988, wie folgt definiert: mep(kPa) = P(kW)nR·103/Vd(dm3)N(U/s)wobei n_R bei Viertakt-Motoren gleich (2) und bei Zweitakt-Motoren gleich (1) ist. V_d ist der Hubraum der Brennkraftmaschine, N die Drehzahl der Brennkraftmaschine in Umdrehungen pro Sekunde und P die Leistung in Kilowatt. Genauer gesagt, das erste Lager hat eine erste Mittellinienachse und das zweite Lager eine zweite Mittellinienachse, und die Kurbelwellen-Wiege hat eine hinreichende Steifigkeit, um die erste und die zweite Mittellinie während des Betriebs der Brennkraftmaschine bei der ersten Brennkraftmaschinen-Einstellung innerhalb von 0,008 Zoll bzw. 0,2032 mm relativ zueinander zu halten.
Brennkraftmaschinen mit nicht mehr als zwei Hauptlagerböcken erfordern eine weniger genaue Ausrichtung der Hauptlager, weil eine geringfügige Fehlausrichtung der Lager kein Biegemoment über die Länge der Kurbelwelle bewirkt (d.h. eine gerade Kurbelwellenachse kann in einigen Fällen zwischen zwei fehlausgerichteten Lagerböcken, aber nicht zwischen drei fehlausgerichteten Lagerböcken liegen). Für Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Kurbelwellen-Hauptlagerböcken hat die Kurbelwellen-Wiege eine hinreichende Steifigkeit, um die erste und die zweite Mittellinienachse während des Betriebs der Brennkraftmaschine bei der ersten Brennkraftmaschinen-Einstellung innerhalb von 0,040 Zoll bzw. 1,016 mm relativ zueinander zu halten. Es sei angenommen, daß die Brennkraftmaschine zwei Kurbelwellen-Hauptlager hat, wenn die Lagerböcke mehr als 85% der radialen Kurbelwellenlast abstützen. In ähnlicher Weise hat die Kurbelwellen-Wiege bei der ersten Brennkraftmaschinen-Einstellung eine hinreichende Steifigkeit, um eine Drehung des ersten Lagerbocks oder exzentrischen Teils relativ zum zweiten Lagerbock oder exzentrischen Teils um die Schwenkachse der Kurbelwelle auf einen Drehwinkel von 1° um die Schwenkachse E zu begrenzen. Kurbelwellen-Wiegen mit Wälzlagern, zum Beispiel Kugellagern, erfordern ebenfalls eine weniger genaue geradlinige Ausrichtung der exzentrischen Hauptlagerböcke.
Nachstehend wird auf die 8 und 9 Bezug genommen. Die Kurbelwellen-Wiege 146 hat ein geringes Beharrungsmoment, so daß der Aktuator 138 die Kurbelwellen-Wiege 146 rasch um die Achse E drehen kann und die Position der Kurbelwellen-Mittellinienachse A rasch eingestellt werden kann. Der exzentrische Abschnitt 160 hat einen Außen- oder Lagerdurchmesser 202, der in einer Bohrung 204 des Gehäuses 150 drehbar gela gert ist, und einen exzentrischen Abschnitt 162 mit einem Außen- oder Lagerdurchmesser 190, der in einer Bohrung 188 des Gehäuse 150 drehbar gelagert ist. Um bei einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung ein geringes Beharrungsmoment und ein rasches Ansprechen zu erreichen, ist das Verhältnis des Innendurchmessers 154 zum Außendurchmesser 202 größer als 0,40 und vorzugsweise größer als 0,30. Der Innerdurchmesser 154 des Lagers hängt vom effektiven Durchmesser und insbesondere dem Durchmesser des Hydraulikfilms ab, der die Kurbelwellenkröpfung vom Gleitlagerelement 12 trennt. Bei Kurbelwellen-Wiegen mit Wälzlagern, die die radialen Belastungen der Kurbelwelle abstützen, zum Beispiel Kugel-, Zylinder- (einschließlich Nadel-), Kegel- und Pendelrollenlagern, ist der effektive Durchmesser die Kreisbahn der einzelnen Drehachsen der rollenden Elemente. Bei Kegel-, Kugel-, Mehrreihenlagern und anderen Wälzlagern mit einem Bereich von Kreisbahndurchmessern, wird die kreisförmige Bahn von der größten Kreisbahn der einzelnen Drehachsen der rollenden Elemente aus gemessen. (Dämpfer, z. B. Dämpfer 210 und 212, können zur Dämpfung der Verlangsamung (Abbremsung) der Kurbelwellen-Wiege 214 verwendet werden, wie es in 10 dargestellt ist.)
10 zeigt eine Teilschnittansicht einer Brennkraftmaschine 216, bei der vorliegende Erfindung anwendbar ist. 10 ähnelt der 8, nur daß 10 einen zweiten Hydraulik-Aktuator 218 mit einem im Zylinder 222 verschiebbaren Kolben 220 zeigt. Der Kolben 220 ist mit einem Arm 224 schwenkbar verbunden, und der Arm 224 ist mit Kurbelwellen-Wiege 214 schwenkbar verbunden. Der Zylinder 222 hat eine Fluidleitung 226, die mit einem ersten Ventil 228 und einem zweiten Ventil 230 in Fluidverbindung steht. Das zweite Ventil 230 kann ein erstes Rückschlagventil 232 aufweisen. Das Rückschlagventil 232 steht mit einer Druckölzufuhrleitung 234 in Verbindung, der Drucköl von der Ölpumpe der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Der Zylinder 142 hat eine Fluidleitung 236, die mit einem dritten Ventil 238 und einem vierten Ventil 240 in Fluidverbindung steht. Da vierte Ventil 240 kann ein zweites Rückschlagventil 242 aufweisen. Das Rückschlagventil 242 steht mit einer Druckölzufuhrleitung 244 in Fluidverbindung, die Drucköl von der Ölpumpe der Brennkraftmaschine erhält. Das die Ventile 228 und 238 durchströmende Öl kehrt zum Maschinensumpf zurück, so daß es durch die Ölpumpe der Brennkraftmaschine umgewälzt werden kann.
Die Kurbelwellen-Wiege 214 wird im Gegenuhrzeigersinn gedreht und die Kurbelwellen-Mittelachse A durch Öffnen des ersten Ventils 228, Öffnen des vierten Ventils 240, Schließen des zweiten Ventils 230 und Schließen des dritten Ventils 238 zum Kolben 4 hin bewegt. Die Kurbelwelle 214 und Kurbelwellen-Mittellinienachse A werden durch Schließen des ersten Ventils 228, Geschlossenhalten des zweiten Ventils 230 (optional), Geschlossenhalten des dritten Ventils 238 und Geöffnethalten des Ventils 240 in einer ortsfesten oder nahezu ortsfesten Position gehalten. Das durch die Zufuhrleitung 244, das Rückschlagventil 242, das vierte Ventil 240 und die Fluidleitung 236 in den Zylinder 142 strömende Drucköl bewirkt, daß sich die Kurbelwellen-Wiege 214 im Gegenuhrzeigersinn dreht und der Kolben 220 das Öl im Zylinder 220 komprimiert, so daß der Kolben der Kurbelwellen-Wiege 214 ortsfest oder nahezu ortsfest wird, wenn das über die Zuführleitung 236 in den Zylinder 142 strömende Drucköl die Kurbelwellen-Wiege 214 infolge des Drucks des Öls im Zylinder 222 nicht länger im Gegenuhrzeigersinn drehen kann und das Rückschlagventil 242 weitgehend verhindert, daß sich die Kurbelwellen-Wiege 214 im Uhrzeigersinn dreht. Durch Schließen des ersten Ventils 228, Schließen des vierten Ventils 240, Öffnen des zweiten Ventils 230 und Öffnen des dritten Ventils 238 wird die Kurbelwellen-Wiege 214 im Uhrzeigersinn gedreht und die Kurbelwellen-Mittellinienachse A vom Kolben 4 weg bewegt. Die Position der Kurbelwellen-Wiege 214 und Kurbelwellen-Mittellinienachse A wird in einer ortsfesten oder nahezu ortsfesten Lage gehalten, wie vorstehend be schrieben wurde, oder dadurch, daß das erste Ventil 228 geschlossen gehalten, das vierte Ventil 240 geschlossen gehalten und das dritte Ventil 238 geschlossen wird. Dem Fachmann ist klar, daß die Ventilöffnungs- und -Schließfolgen, die zur Einstellung und Fixierung der Position der Kurbelwellen-Wiege 214 in der Brennkraftmaschine 216 angewandt werden, auch zur Einstellung der Lage der Kurbelwellen-Wiege 112, die in 7 dargestellt ist, angewandt werden können. Andere Ventilöffnungs- und Ventilschließfolgen können ebenfalls zur Einstellung und Fixierung der Position der Kurbelwellen-Wiege 214 in der Brennkraftmaschine 216 angewandt werden, und es können auch andere Arten von Ventilen zur Steuerung des Fluidstroms in die Zylinder und aus den Zylindern 142 und 222 verwendet werden. Auch durch Schließen des ersten Ventils 228, Öffnen des zweiten Ventils 230, Schließen des dritten Ventils 238 und Öffnen des vierten Ventils 240 kann die Position der Kurbelwellen-Wiege 214 und der Kurbelwellen-Mittellinienachse A ortsfest oder nahezu ortsfest gehalten werden.
Nachstehend wird auf 10 Bezug genommen (das Ausführungsbeispiel nach 7 kann in ähnlicher Weise betrieben werden). Gemäß vorliegender Erfindung werden die Zufuhrleitungen 244 und 234 unter Druck gesetzt. Vorzugsweise wird normaler Öldruck aus der Brennkraftmaschine 216 (z. B. weniger als 100 psi bzw. 6,89 bar) verwendet, um die Kurbelwellen-Wiege 214 zu drehen und die Position der Kurbelwellen-Mittellinienachse A einzustellen. Die reversierende Belastung der Kurbelwellen-Wiege 214 durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 4 und der Pleuelstange 6 kann zur Drehung der Kurbelwellen-Wiege 214 entgehen dem Uhrzeigersinn um die Achse E und zur Verschiebung der Kurbelwellen-Mittellinienachse A im wesentlichen in Richtung auf den Kolben 4 benutzt werden, und bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zur Ermöglichung des Betriebs der vorliegenden Erfindung mit Hydraulikkolben 140 und 220 mit kleinem Durchmesser und einem normalen oder nahezu normalen Öldruck. Der Kolben und die Pleuelstange üben während der Ansaug- und Arbeitshübe der Brennkraftmaschine sich ändernde Kräfte auf die Kurbelwellen-Wiege aus, und das Rückschlagventil läßt während des Ansaughubs des Kolbens Fluid in den Aktuator ein und hält es darin fest, so daß das Verdichtungsverhältnis schrittweise erhöht wird. Insbesondere wird die Kurbelwellen-Wiege 214 entgegen dem Uhrzeigersinn um die Achse E gedreht und die Kurbelwellen-Mittellinienachse A durch Schließen des Ventils 203, Öffnen des Ventils 228, Schließen des Ventils 238 und Öffnen des Ventils 240 im wesentlichen in Richtung auf den Kolben 4 verschoben. Während des Einlaß- oder Ansaughubs der Brennkraftmaschine 216 bewirkt die Abwärtsbewegung des Kolbens 4 und der Pleuelstange 6, daß die Kurbelwelle 152 auf die Kurbelwellen-Wiege 214 eine aufwärts gerichtete Kraft ausübt, so daß sich die Kurbelwellen-Wiege 214 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und Fluid aus dem Zylinder 222 durch das Ventil 228 und durch das Ventil 240 in den Zylinder 142 strömt. Das Rückschlagventil 242 verhindert, daß das Fluid den Zylinder 142 während des Arbeitshubs des Kolbens 4 verläßt, wenn sich die auf die Kurbelwellen-Wiege 214 und die Kurbelwelle 152 ausgeübte Kraft des Kolbens 4 und der Pleuelstange 6 umkehrt und die Drehung der Kurbelwellen-Wiege 214 im Uhrzeigersinn um die Achse E unterstützt. Daher wird die Kurbelwellen-Mittellinienachse A schrittweise im wesentlichen in Richtung auf den Kolben 4 nach oben bewegt. Wenn die gewünschte Lage der Kurbelwellen-Mittellinienachse A erreicht ist, kann die Lage der Kurbelwellen-Wiege 214 durch Schließen des Ventils 228 (und optional durch Öffnen des Ventils 230) arretiert werden. Die gerade beschriebenen Ausführungsformen sind für Brennkraftmaschinen am geeignetsten, bei denen die auf die Kurbelwelle 152 ausgeübten Kräfte ihre Richtung umkehren, zum Beispiel bei Einzylinder- Brennkraftmaschinen und einigen Mehrzylinder- Brennkraftmaschinen, doch brauchen die auf die Kurbelwelle 152 ausgeübten Kräfte sich nicht umzukehren, um die Drehwinkellage der Kurbelwellen-Wiege einzustellen, da der Öldruck in der Zufuhrleitung 244 eine Drehung der Kurbelwellen-Wiege 214 entgegen dem Uhrzeigersinn unterstützt, wenn der Druck im Zylinder 142 unter den Druck in der Zufuhrleitung 244 fällt. Vorzugsweise ist der Druck in der Leitung 244 größer als im Zylinder 142, wenn sich die Kurbelwellen-Wiege 214 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, um die Drehung der Kurbelwellen-Wiege 214 zu unterstützen und eine Ölkavitation im Zylinder 142 zu verhindern. Eine im wesentliche vom Kolben 4 weg gerichtete Verschiebung der Kurbelwellen-Mittellinienachse A wird durch Schließen des Ventils 240, Öffnen des Ventils 238, Schließen des Ventils 228 und Öffnen des Ventils 230 bewirkt.
Nachstehend wird auf 12 Bezug genommen. Vorzugsweise hat der erste Hydraulikkolben 264 die gleiche Fläche wie der zweite Kolben 266, so daß das Fluid aus dem ersten Hydraulikzylinder direkt in den zweiten Hydraulikzylinder geleitet und eine Kavitation verhindert wird.
14 stellt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einstellbarer Ventilsteuerung dar. 14 zeigt eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 300 mit einem Gehäuse 302, einem Verbrennungsraum d, einer Zylinderbohrung 20, einer Zylinder-Mittellinienachse 304, einem Kolben 4, der im Zylinder 20 längs der Zylinder-Mittellinienachse 304 hin und her bewegbar ist, einer Kurbelwelle 306 mit einer Drehachse A und einem Kröpfungszapfen 308, die in einer starren Kurbelwellen-Wiege 310 gelagert ist, und einer Pleuelstange 6, die den Kolben 4 mit dem Kröpfungszapfen 308 verbindet. Das Hydraulikfluid in Kammern 312 und 314, das jeweils auf die Oberflächen 316 und 318 einwirkt, dreht die Kurbelwellen-Wiege 310 um die Achse E. Eine Drehung der Kurbelwellen-Wiege 310 aus einer ersten Lage in eine zweite Lage bewirkt eine Verschiebung der Drehachse A der Kurbelwelle von der Mittellinienachse F zur Mittellinienachse G und dadurch eine Zunahme des Volumens des Verbrennungsraums d und eine Abnahme des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine 300. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Kurbelwelle im Gehäuse 302 durch die Kurbelwellen-Wiege 310 oder andere funktionale exzentrische Hauptlagerböcke abgestützt sein, die im Gehäuse 302 um eine exzentrische Schwenkachse im Gehäuse 302 drehbar gelagert sind. Die Brennkraftmaschine 300 hat einen oder mehrere Kolben 4, eine oder mehrere Einlaß-Nockenwellen 320, einen Zylinderkopf 322, ein oder mehrere Einlaßventile 28, eine oder mehrere Einlaßöffnungen 324, eine oder mehrere Auslaßnockenwellen 326, ein oder mehrere Auslaßventile 30 und eine oder mehrere Auslaßöffnungen 328. Die Einlaßventile 28 und Auslaßventile 30 können durch unmittelbar einwirkende, umgekehrt eimerförmige Nockenstößel (wie dargestellt) oder durch andere funktionale Mittel, zum Beispiel Fingerstößel-Kipphebel (vorzugsweise vom Rollenstößel- oder Fühlerwalzentyp), in der Mitte schwenkbare Hebel (Schwenkhebel) oder andere funktionale Einrichtungen geöffnet werden.
Auf der Kurbelwelle 306 ist ein Antriebszahnrad 14 (bei allen Zahnrädern und Kettenrädern in 14 ist nur der Wälzkreis ohne die Zähne dargestellt) angebracht, das mit einem angetriebenen Zahnrad 18 in Eingriff steht, das auf einer sekundären Welle 330 angebracht ist. Das Antriebszahnrad 14 und das angetriebene Zahnrad 18 stehen in Eingriff und haben eine Eingriffsrichtung 332, die im wesentlichen von dem Einlaßventil 28 weg gerichtet ist, und eine Zahnrad-Eingriffsstelle 334. Die Zahnrad-Eingriffsstelle 334 liegt zwischen der exzentrischen Schwenkachse E und der Drehachse 336 der sekundären Welle. Die Welle 330 dreht sich um die Achse 336 im Gehäuse 302 und hat eine Rolle, ein Kettenrad oder ein anderes Antriebsmittel 338 zum Antreiben eines Riemens oder einer Kette 340. Die Kette 340 dreht eine Rolle oder ein Kettenrad 342 oder ein anderes Antriebsmittel, und das Kettenrad 342 dreht die Einlaßnockenwelle 320. Der Kurbelwellenantrieb, einschließlich Antriebsmittel 339, Kette 340 und Kettenrad 342 können auch durch einen anderen Nockenwellenantrieb ersetzt werden. Die sekundäre Welle 330 treibt den Nockenwellenantrieb an, und die Kurbelwelle 320 öffnet das Einlaßventil 28. Genauer gesagt, durch eine Drehung der Kurbelwelle 306 im Uhrzeigersinn wird das Zahnrad 14 im Uhrzeigersinn gedreht, und das Zahnrad 14 treibt dann das Zahnrad 18, die Welle 330 und das Kettenrad 338 entgegen dem Uhrzeigersinn an, und das Kettenrad 338 treibt dann die Kette 340 im wesentlichen entgegen dem Uhrzeigersinn an. Die Kette 340 treibt dann das Kettenrad 342 und die Nockenwelle 320 entgegen dem Uhrzeigersinn an, und die Nockenwelle 320 öffnet das (die) Einlaßventil(e) 28.
In ähnlicher Weise steht das auf der Kurbelwelle 306 montierte Zahnrad 14 mit einem zweiten angetriebenen Zahnrad 344 in Eingriff, das auf einer dritten Welle 346 montiert ist. Die Welle 346 dreht sich um die Achse 348 und hat eine Rolle, ein Kettenrad oder ein anderes Antriebsmittel 350 zum Antreiben eines Riemens oder einer Kette 352. Das Antriebszahnrad 14 und das angetriebene Zahnrad 344 stehen in Eingriff und haben eine Eingriffsrichtung 354, die im wesentlichen vom Einlaßventil 28 weg gerichtet ist, und eine Zahnradeingriffstelle 356. Die Zahnradeingriffstelle 356 liegt zwischen der exzentrischen Schwenkachse E und der Drehachse 348 der dritten Welle. Die Drehachse A der Kurbelwelle liegt im wesentlichen zwischen der Eingriffstelle 334 und der Eingriffstelle 356. Die Eingriffrichtung 354 ist im wesentlichen entgegengesetzt zur Eingriffrichtung 332 gerichtet. Die Kette 352 dreht eine Rolle oder ein Kettenrad 358 oder ein anderes Antriebsmittel, und das Kettenrad 358 dreht eine Auslaßnockenwelle 326. Der Nockenwellenantrieb, einschließlich Antriebsmitte 350, Kette 352 und Kettenrad 358, können durch einen anderen Nockenwellenantrieb ersetzt werden. Durch eine Drehung der Kurbelwelle 356 im Uhrzeigersinn wird das Zahnrad 14 im Uhrzeigersinn gedreht, das dann das Zahnrad 344, die Welle 346 und das Kettenrad 350 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, und das Kettenrad 350 treibt dann die Kette 352 im wesentlichen entgegen dem Uhrzeigersinn an. Die Kette 352 treibt dann das Kettenrad 342 und die Nockenwelle 326 entgegen dem Uhrzeigersinn an, und die Nockenwelle 326 öffnet das (die) Auslaßventil(e) 30.
Erfindungsgemäß kann das Auslaßventil 30 durch die Welle 330 und/oder den Einlaßnockenwellenantrieb angetrieben werden, wobei die Phasenlagen der Auslaß- und Einlaßnockenwellen in der gleichen Richtung verschoben werden, wenn das Verdichtungsverhältnis geändert wird. Bei dem in 15b dargestellten Ausführungsbeispiel hat der (in 14 nicht dargestellte) Zylinder 20 zwei Einlaßventile; die Einlaßnockenwelle 320 und die Auslaßnockenwelle 326 werden durch die Welle 330 und den Einlaßnockenwellenantrieb angetrieben, und die Einlaßnockenwelle 320 hat einen Phasenschieber 360 zur Einstellung der zeitlichen Phasensteuerung zwischen den beiden Einlaßventilen, so daß sich ein reibungsarmer Ventilzug mit einstellbarer Ventilsteuerung ergibt, um die Pumpenverluste der Brennkraftmaschine gering zu halten. Alternativ können die Einlaßnockenwelle 320 und die Auslaßnockenwelle 326 durch die Welle 346 und den Aunlaßnockenwellenantrieb angetrieben werden, wobei die Auslaß- und Einlaßnockenwellen in der gleichen Richtung phasenverschoben werden, wenn das Verdichtungsverhältnis geändert wird.
Erfindungsgemäß sind der Schließzeitpunkt des Auslaßventils und der Öffnungszeitpunkt des Einlaßventils so eingestellt, daß das Anstoßen der Ventile 28 und 30 am Kolben 4 verhindert und die Leerlaufstabilität verbessert wird (insbesondere, wenn die Kurbelwelle 306 auf der Achse F angeordnet ist und die Brennkraftmaschine 300 mit der maximalen Verdichtungsverhältniseinstellung arbeitet), und um einen verbesserten Auslaßstrom aus dem Raum d und in die Auslaßöffnung 328 sowie einen verbesserte Ströme der Einlaßluft durch die Öffnung 324 in den Raum d zu erreichen (insbesondere, wenn die Kurbelwelle 306 auf der Achse G liegt und die Brennkraftmaschine 300 mit maximaler Verdichtungsverhältniseinstellung arbeitet). Erfindungsgemäß wird die Dauer, während der die Ventile 28 und 30 beide geöffnet sind, die Ventil überlappungsdauer, durch Drehung der starren Kurbelwellen-Wiege 310 um die Achse E eingestellt. Eine Drehung der starren Kurbelwellen-Wiege 310 um die Achse E aus ihrer ersten Position (in der sie am nächsten bei dem Einlaßventil 28 liegt) in ihre zweite Position bewirkt, daß die Drehachse der Kurbelwelle 306 aus der Achsenposition F in die Achsenposition G verschoben und die relative Phasenlage der Zahnräder 14 und 18 eingestellt wird. Insbesondere bewirkt eine Drehung der starren Kurbelwellen-Wiege 310 um die Achse E aus ihrer ersten Position in ihre zweite Position, daß sich das Zahnrad 18 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und die Nockenwelle 320 das Ventil 28 relativ zum Zeitpunkt der Öffnung des Einlaßventils früher öffnet, wenn die Kurbelwelle 306 auf der Achse F liegt. Genauer gesagt, das Einlaßventil 28 hat einen späteren Einlaßzeitpunkt relativ zur Kurbelwelle 306 in der ersten Kurbelwellenposition F als in der zweiten Kurbelwellenachsenposition G. In ähnlicher Weise bewirkt eine Drehung der starren Kurbelwellen-Wiege 310 um die Achse E aus ihrer ersten Position in ihre zweite Position, daß die Drehachse der Kurbelwelle 306 aus der Achsenposition F in die Achsenposition G verschoben und die relative Phasenlage der Zahnräder 14 und 344 eingestellt wird. Insbesondere bewirkt eine Drehung der starren Kurbelwellen-Wiege 310 um die Achse E aus ihrer ersten Position in ihre zweite Position, daß sich das Zahnrad 344 im Uhrzeigersinn dreht und die Nockenwelle 326 das Ventil 30 relativ zum Schließzeitpunkt des Auslaßventils später schließt, wenn die Kurbelwelle 306 auf der Achse F liegt. Daher ist die Dauer, während der das Einlaßventil 28 und das Auslaßventil 30 geöffnet sind, der Ventilüberlappungsdauer, größer, wenn die Kurbelwelle 306 auf der Achse G liegt, als wenn die Kurbelwelle 306 auf der Achse F liegt.
Die Änderung der relativen Phasenlage der Zahnräder 14 und 18 bei einer Verschiebung der Kurbelwelle aus der ersten in die zweite Position ist, unter anderen Faktoren, eine Funktion des Abstands der Achse F von der Achse G sowie des Ab stands der Achse A von der Achse 336. In ähnlicher Weise ist die Änderung der relativen Phasenlage der Zahnräder 14 und 344 bei einer Verschiebung der Kurbelwelle aus der ersten Position in die zweite Position, unter anderen Faktoren, eine Funktion des Abstands der Achse F von der Achse G sowie des Abstands der Achse A von der Achse 348. Erfindungsgemäß kann die Größe der Änderung der Phasenlage des Zahnrads 18 die gleiche oder anders als die der Änderung der Phasenlage des Zahnrads 344 sein. Bei der in 14 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Mittellinienabstand der Achsen 348 und A kleiner als der Mittellinienabstand der Achsen 336 und A, so daß bei einer Verschiebung der Kurbelwelle aus der ersten Position in die zweite Position die Phasenänderung bei dem Zahnrad 344 größer als bei dem Zahnrad 18 ist.
Bei dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ändert sich der Abstand der Zahnräder 14 und 18 etwas, wenn die Achse A aus der Position F in die Position G verschoben wird. In ähnlicher Weise ändert sich der Abstand der Zahnräder 14 und 344 etwas, wenn die Achse A aus der Position F in die Position G verschoben wird. Gemäß vorliegender Erfindung hat die Brennkraftmaschine 300 ein Abtriebsmittel mit variablem Abstand des Zahnrads 14 vom Zahnrad 18 sowie des Zahnrads 14 vom Zahnrad 344 und ferner bewirkt eine Verschiebung der Kurbelwellen-Mittellinienachse aus der ersten Position in die zweite Position eine Einstellung der Phasenlage der Auslaßnockenwelle 326, der Phasenlage der Einlaßnockenwelle 320 und/oder der Dauer, während der die Einlaß- und Auslaßventile beide geöffnet sind. Dem Fachmann ist klar, daß die Phasenlage der Auslaßnockenwelle 326, die Phasenlage der Einlaßnockenwelle 320 und/oder die Dauer, während der die Einlaß- und Auslaßventile beide geöffnet sind, erfindungsgemäß auch mit einem anderen Abtriebskupplungsmittel eingestellt werden kann, zum Beispiel dem in 4 der Deutschen Patentanmeldung DE 36 44 721 A1 vom 30. Dezember 1986 und 14. Juli 1988 dargestellten.
Dem Fachmann ist klar, daß die Kette 340 und/oder 352 durch ein oder mehrere Zahnräder ersetzt werden kann, die die Nockenbuckel antreiben, und daß die Änderung der Phasenlage der Zahnräder 18 und/oder 344 erfindungsgemäß nicht beeinflußt wird.
Dem Fachmann ist klar, daß bei vorliegender Erfindung beide Nockenwellen durch eine einzige Kette oder einen einzigen Riemen (z. B. 340 oder 352) oder einen Zahnradsatz angetrieben werden können, wobei eine durch die Verschiebung der Mittellinienachse der Kurbelwelle 306 bewirkte Änderung der Phasenlage etwas vorteilhafter für wenigstens eine der Nockenwellen ist. Zur Einstellung der relativen Phasenlage der beiden Nockenwellen kann ein Phaseneinsteller verwendet werden. Ferner kann eine Steuereinrichtung verwendet werden, die so lange verhindert, daß die Kurbelwelle 306 aus der Position G in die Position F angehoben wird, bis einer oder mehrere Phasenschieber die Phasenlage einer oder beider (oder mehrerer) Nockenwellen eingestellt hat, um zu verhindern, daß die Ventile 28 und 30 an den Kolben 4 stoßen.
15 zeigt die Ansicht des in 14 dargestellten Schnitts S15-S15 der Auslaßnockenwelle 326 und der Einlaßnockenwelle 320. Die Auslaßnockenwelle 326 hat Nockenbuckel 382 und 384. Dem Fachmann ist klar, daß die Auslaßnockenwelle 326 einen oder mehrere Nockenbuckel aufweisen kann. Die Einlaßnockenwelle 320 hat Nockenbuckel 386 und 388. Dem Fachmann ist klar, daß die Einlaßnockenwelle 320 einen oder mehrere Nockenbuckel haben kann. Bei dem in 15 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat die Nockenwelle 320 eine primäre Antriebswelle 390 und einen Stößel 392 sowie eine optionalen Phasenschieber 360 zum Ändern der relativen Phasenlage der Nockenbuckel 386 und 388.
17 stellt die Schnittansicht S17-S17 (siehe 14) der Kurbelwelle 306, Welle 330 und starren Kurbelwellen- Wiege 310 dar. Bei dem in den 14 und 17 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient die Welle 330 als Auswuchtwelle. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Brennkraftmaschine 300 durch Minimierung des Abstands der Kurbelwellenachse A von der Auswuchtwellenachse 336 und durch Anordnung der Zylinder-Mittellinienachse 304 zwischen der Kurbelwellenachse A und der Auswuchtwellenachse 336 minimiert. Die Kurbelwelle 306 hat eine Drehzahl und eine Drehrichtung, und die Auswuchtwelle 330 hat eine Drehzahl und eine Drehrichtung. Die Auswuchtwelle 330 hat die gleiche Drehzahl wie die Kurbelwelle 306, und die Drehrichtung der Auswuchtwelle 330 ist zur Hauptauswuchtung zur Drehrichtung der Kurbelwelle 306 entgegengesetzt. Die Auswuchtwelle 330 hat eine Biegung 394, die nach innen über den Lagerdurchmesser 400 und die Mittellinie 336 der Auswuchtwelle 330 hinweg gebogen ist und ein Spiel für die Pleuelstange 6 während der Drehung der Kurbelwelle 306 und der Auswuchtwelle 330 schafft. Die Auswuchtwelle 330 und die Kurbelwelle 306 drehen sich mit gleicher Drehzahl, jedoch in entgegengesetzten Richtungen. Die Auswuchtwelle 330 hat Lager 396 und 398. Sie haben jeweils einen imaginär projizierten Lagerdurchmesserzylinder 400, der parallel zur Achse 336 verläuft (die Lagerdurchmesserzylinder der Lager 396 und 398 sind gestrichelt als imaginäre Linien 400 in 17 dargestellt). Bei Brennkraftmaschinen mit reibungsarmen Lagern, zum Beispiel Rollen- oder Kugellagern, wird der Lagerdurchmesserzylinder 400 von der inneren Laufbahn aus gemessen. Gemäß vorliegender Erfindung kreuzt die Pleuelstange 6 während der Drehung wenigstens einen Lagerdurchmesserzylinder 400, und vorzugsweise kreuzt die Pleuelstange 6 während der Drehung die Auswuchtwellen-Mittellinienachse 336. Die Auswuchtwelle 330 hat ferner Biegungen 402, die im wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung der Biegung 394 nach innen gebogen sind und ein Spiel für Gegengewichte 404 frei lassen. Vorzugsweise kreuzt die Biegung 402 wenigstens einen Lagerdurchmesserzylinder 400 nach innen, und um ein Spiel für die Gegengewichte 404 frei zu lassen, kann die Biegung 402 die Auswuchtwellenachse 336 (siehe 17b) nach innen kreuzen. Die Gegengewichte 404 haben einen Radius 406, so daß sie dicht an der Auswuchtwelle 330 vorbeigehen, ohne sie zu berühren, und die Auswuchtwelle 330 hat Radien 408, um dicht an den Gegengewichten 404 vorbeizugehen, ohne sie zu berühren. Die nach außen gerichtete Kraft der Gegengewichte 404 kann durch Anbringung eines Schwermetalls an den Gegengewichten 404, zum Beispiel Wolfram oder Blei, oder durch Vergrößerung der Länge 410 der Kurbelwelle erhöht werden. Bei dem in 17 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Länge 410 größer als 90% des Radius r der Bohrung 20 und vorzugsweise größer als der Radius der Bohrung 20, und die Biegung 394 kreuzt die Auswuchtwellen-Mittellinie 336 nach innen. Der Abstand 410 der Kurbelwellenachse A von der Auswuchtwellenachse 336 ist kürzer als der Hubweg des Kolbens 4, und vorzugsweise ist der Abstand der Kurbelwellenachse A von der Auswuchtwellenachse 336 geringer als 90% des Hubwegs des Kolbens 4, so daß sich ein geringerer Auswuchtwellenabstand oder Zwischenraum und eine verbesserte Auswuchtung der Brennkraftmaschine ergibt.
Nachstehend wird auf die 14 und 17 Bezug genommen. Der Abstand 412 der Kurbelwellenachse A von der Auswuchtwellenachse 336 hat einen Mittelpunkt 414. Der Abstand der Kurbelwellendrehachse A vom Mittelpunkt 414 ist gleich dem halben Abstand 412. Die Zylindermittellinienachse 304 hat von der Kurbelwellenachse A den Abstand 418. Die Zylindermittellinienachse 304 hat vom Mittelpunkt 414 den Abstand 420. Bei einer Änderung des Verdichtungsverhältnisses ändern sich die Abstände 412, 416, 418 und 420 nur um einen sehr kleinen Betrag. Die Längenänderung der Abstände 412, 416, 418 und 420 kann hinsichtlich der Auswuchtung der Brennkraftmaschine vernachlässigt werden. Die Zylindermittellinienachse 304 verläuft zwischen der Kurbelwellenachse A und der Auswuchtwellenachse 336. Die Brennkraftmaschine 300 hat ein Auswuchtversetzungsverhältnis des Abstands 420 zum Abstand 416 von nicht mehr als 0,90. Genauer gesagt, der Abstand der Zy lindermittellinienachse 304 vom Mittelpunkt 414 beträgt wenigstens 90% des Abstands der Kurbelwellenachse A vom Mittelpunkt 414, so daß sich eine bessere Hauptauswuchtung ergibt, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit nur einer Auswuchtwelle, die sich mit der Kurbelwellendrehzahl dreht. Vorzugsweise ist der Abstand 418 größer als 20% des Abstands der Kurbelwellenachse A von der Auswuchtwellenachse 336, und vorzugsweise ist der Abstand 418 größer als 25% des Abstands der Kurbelwellenachse A von der Auswuchtwellenachse 336. Der kleinste Abstand 418 ist größer als 15% des Abstands der Kurbelwellenachse A von der Auswuchtwellenachse 336. Mit B ist die Achse des Kurbelwellenzapfens 308 bezeichnet. Der Hubweg des Kolbens 4 ist etwa gleich dem Zweifachen des Abstands der Kurbelzapfenachse B von der Kurbelwellenachse A. Die Brennkraftmaschine 300 hat Zylinderversetzungsverhältnis (oder „Versetzungsverhältnis") des Abstands 418 zum Hubweg des Kolbens 4. Idealerweise beträgt der Abstand 418 der Kurbelwellenachse A von der Zylindermittellinienachse 304 wenigstens 10% des Hubwegs des Kolbens 4, so daß sich eine geringere Auswuchtversetzung und bessere Auswuchtung der Brennkraftmaschine ergibt. Vorzugsweise ist das Versetzungsverhältnis wenigstens gleich 0,03, so daß sich eine verbesserte primäre (Haupt-) oder sekundäre Brennkraftmaschinenauswuchtung ergibt. Gemäß vorliegender Erfindung treibt der Arbeitshub der Brennkraftmaschine 300 das große (dicke) Ende der Pleuelstange 6 nach unten zwischen die Kurbelwellenachse A und die Auswuchtwellenachse 336, genauer gesagt, die Eingriffsrichtung 332 zwischen dem Zahnrad 14 und dem Zahnrad 18 ist weitgehend vom Kolben 4 weg gerichtet, so daß sich zusätzlich zu einer besseren Auswuchtung eine geringere Reibung ergibt. Durch vorliegende Erfindung wird die Auswuchtung einer Brennkraftmaschine erheblich verbessert, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit weniger als drei Kolben, bei denen die Haupt- oder primäre Auswuchtung schlecht ist.
Auf der Kurbelwelle 306 ist das Gegengewicht 422 und auf der Welle 330 das Gegengewicht 424 angebracht. Vorzugsweise ist das Flächenträgheitsmoment des Gegengewichts 422 das gleiche oder nahezu das gleiche wie das Flächenträgheitsmoment des Gegengewichts 424. Das Gegengewicht 422 ist am vorderen Ende der Brennkraftmaschine 300 angebracht und kreuzt die Achse 336, und das Gegengewicht 424 ist am hinteren Ende der Brennkraftmaschine 300 angebracht und kreuzt die Achse A. Das Gegengewicht 424 ist auf demselben Ende der Welle 330 angeordnet wie das Zahnrad 118, und die Leistung der Brennkraftmaschine 300 wird am selben Ende der Welle 330 abgenommen und kann über das Wellenende 426, das Zahnrad 18 oder andere geeignete Mittel abgenommen werden. Die Kurbelwelle 306 ist hinreichend steif oder starr, um unannehmbare Vibrationspegel, insbesondere eine harmonische Schwingung zwischen dem Schwungrad 422 und dem Schwungrad 424 zu vermeiden. Dem Fachmann ist klar, daß die Brennkraftmaschine 300 andere erfindungsgemäße Anordnungen aufweisen kann.
Nachstehend wird auf die 14, 14b und 14c Bezug genommen. Die Kurbelwelle 306 wird durch die Kurbelwellen-Wiege 310 oder andere exzentrische Hauptlagerböcke während eines Teils des Arbeitshubs des Kolbens 4 zum Zylinderkopf 322 der Brennkraftmaschine 300 hin verschoben. 14b zeigt ein körperloses Diagramm der Kräfte, die auf die Kurbelwelle 306 einwirken, wenn sie um einen Kurbelwinkel von 90° im Uhrzeigersinn gegenüber dem oberen Todpunkt versetzt angeordnet ist, wie es in 14 dargestellt ist. Genauer gesagt, 14b zeigt die über die Kurbelzapfenachse B wirksame Gasdruckkraft des Kolbens (wenn die Kurbelzapfenachse B um einen Kurbelwinkel von 90° im Uhrzeigersinn nach dem oberen Todpunkt angeordnet ist), das an der Zahnrad-Eingriffstelle 334 auf die Kurbelwelle 306 wirkende Zahnrad-Drehmoment und eine in der Kurbelwellen-Drehachse A auf die Kurbelwellen-Wiege 310 wirkende Reaktionskraft. 14c stellt eine detaillierte Ansicht des Ratsche 444 dar. Die Ratsche 444 ist an der in 14 dargestellten Brennkraftmaschine 300 angebracht.
Nachstehend wird auf die 14 und 14b Bezug genommen. Gemäß der vorliegenden Erfindung dient die Kurbelwelle 306 als Hebel und die Zahnradeingriffstelle 334 als Drehpunkt. Der Kurbelzapfen 308 ist an einem ersten Ende des „Hebels" (z. B. der Kurbelwelle) angeordnet, und die Kurbelwellen-Hauptlager 395, die um die Kurbelwellenachse A herum angeordnet sind (siehe 17), sind am anderen Ende des „Hebels" angeordnet, wobei die zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des „Hebels" liegende Zahnradeingriffstelle 334 als Drehpunkt dient. Die Kraft des Arbeitshubs (bei einem Kurbelwinkel von etwa 90° nach dem oberen Todpunkt), die nach unten auf den Kurbelzapfen (das erste Ende des Hebels) drückt, bewirkt eine nach oben auf die Kurbelwellen-Wiege 310 über die Kurbelwellen-Hauptlager 395 (die z. B am zweiten Ende des Hebels angeordnet sind) gerichtete Kraft, wobei die Zahnradeingriffstelle 334 als Drehpunkt wirkt. Die Ratsche 444 ermöglicht eine Drehung der Kurbelwellen-Wiege 310 (im Uhrzeigersinn, in 14 gesehen), so daß die Mittellinie der Kurbelwelle 306 zum Zylinderkopf 322 hin verschoben wird. Die Ratsche 444 verhindert, daß sich die Kurbelwellen-Wiege 310 in entgegengesetzter Richtung dreht, wodurch bewirkt wird, daß die Kurbelwelle 306 schrittweise zum Zylinderkopf 322 hin verschoben wird.
Genauer gesagt, die Kurbelzapfen-Mittellinie B hat einen Orbitaldurchmesser (Umlaufbahn-Durchmesser) 446 und das Antriebszahnrad 14 einen Teilkreis- oder Wälzkreisdurchmesser 448. Die Kurbelwelle 306 wird während eines Teils des Arbeitshubs des Kolbens 4 dadurch zum Zylinderkopf 322 hin verschoben, daß der Orbitaldurchmesser 446 des Kurbelzapfens 308 außerhalb des Teilkreisdurchmessers 448 des Antriebszahnrads 14 angeordnet, das Antriebszahnrad 14 mit dem angetriebenen Zahnrad 18 in Eingriff gebracht, der Kurbelzapfen 308 während des Arbeitshubs des Kolbens 4 auf der der Zahnrad-Eingriffsstelle 334 von der Kurbelwellenachse A und den Kurbelwellen-Hauptlagern 395 aus gegenüberliegenden Seite angeordnet, die Brennkraftmaschine gezündet und die Kurbel wellen-Wiege 310 und Kurbelwelle 306 stufenweise durch die Ratsche zum Zylinderkopf 322 hin verschoben werden, wobei die Kurbelwellen-Hauptlager 395 und die Kurbelwelle 306 um die Zahnradeingriffstelle 334 herum durch die vom Zylinderkopf 322 weg gerichtete Kraft des Arbeitshubs, die auf den Kurbelzapfen 308 einwirkt, geschwenkt werden.
Bei vorliegender Erfindung kann die durch den Kolben während eines Teils des Arbeitshubs auf den Kurbelzapfen 308 ausgeübte Kraft unzureichend sein, um die Kurbelwelle zum Zylinderkopf 322 hin zu verschieben oder die Kurbelwelle schnell genug zum Zylinderkopf 322 hin zu verschieben. Gemäß vorliegender Erfindung kann der Öldruck in der Kammer bzw. dem Raum 312 hinreichend erhöht werden, um zu bewirken, daß die Kurbelwellen-Wiege 310 gedreht und die Kurbelwelle 306 durch die Gesamtkraft des Öldrucks in der Kammer 312 und des auf den Kurbelzapfen 308 während eines Teils des Arbeitshubs wirkenden Kraft des Kolbens zum Zylinderkopf 322 hin verschoben wird.
14c stellt die Ratsche 444 dar. Gemäß vorliegender Erfindung kann die Kurbelwellen-Wiege 310 schrittweise durch eine hydraulische Ratsche (wie sie in 14c dargestellt ist), eine mechanische Ratsche, eine elektrische Ratsche, eine hydromechanische, elektrische Ratsche oder eine andere Art von Ratsche verschoben werden. 14c stellt eine hydraulische Ratsche dar, die dem in 9 dargestellten Hydrauliksystem ähnlich ist, nur daß der Auslaßstrom aus der Kammer 314 als Einlaßstrom in die Kammer 312 und der Auslaßstrom aus der Kammer 312 als Einlaßstrom in die Kammer 314 geleitet wird, so daß die Aktuatorleistung verringert und eine Hydraulikkavitation verhindert wird.
Nach 14c wird die Kurbelwellen-Wiege 310 zur Wegbewegung der Kurbelwelle 306 vom Zylinderkopf 322 durch Schließen der Ventile 240 und 450 und Öffnen des Ventils 230 im Uhrzeigersinn gedreht. Die Drehung der Kurbelwellen-Wiege 310 im Uhrzeigersinn, die durch auf die Kurbelwelle 306 ausgeübte Kräfte bewirkt wird, bewirkt, daß das Fluid aus der Kammer 312 in den Kanal 236, in den Kanal 234, über das geöffnete Ventil 230, über das Einweg-Ventil 232 und über den Kanal 226 in die Kammer 314 gedrückt wird. Ein Rückfluß wird durch das Einweg- oder Rückschlagventil 232 verhindert.
Die Kurbelwellen-Wiege 310 wird durch Öffnen des Ventils 240 und Schließen des Ventils 230 zur Verschiebung der Kurbelwelle 306 zum Zylinderkopf 322 hin entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Die durch die auf die Kurbelwelle 306 ausgeübten Kräfte bewirkte Drehung der Kurbelwellen-Wiege 310 entgegen dem Uhrzeigersinn bewirkt, daß das Fluid aus der Kammer 314, in den Kanal 226, in den Kanal 214, durch das geöffnete Ventil 240, durch das Einweg-Ventil 242 und durch den Kanal 236 in die Kammer 312 gedrückt wird. Ein Rückfluß wird durch das Einweg- oder Rückschlagventil 242 verhindert. Die Drehung der Kurbelwellen-Wiege 310 und Verschiebung der Kurbelwelle 306 zum Zylinderkopf hin kann durch Öffnen des Ventils 450 unterstützt werden. Das Öffnen des Ventils ermöglicht das Eintreten des zugeführten Öls unter Druck über das Ventil 460 und den Kanal 236 in die Kammer 312, wodurch die Kurbelwellen-Wiege 310 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht und das Fluid aus der Kammer 314 durch den Kanal 226, durch den Kanal 452, durch das Ventil 450, durch das Einweg-Ventil 454 und durch ein Ablaufrohr 456 in eine Ölwanne 458 oder einen anderen Ablaufbehälter fließt. Das Ablaufrohr 456 mündet in der Ölwanne 458 unterhalb der Oberfläche des Öls in der Wanne, um zu verhindern, daß Luft in die Ölzufuhrleitungen 456, 452, 226 und schließlich in die Kammern 314 und 312 gelangt. Die Ventile 230 und 240 können auf dem gleichen Ventilschieber angeordnet sein und gemeinsam geöffnet werden. Bei Einrichtungen, in denen der Aktuator 444 bei geschlossenem Ventil 450 betätigt wird, muß das aus der Kammer 314 verdrängte Volumen gleich dem bei einem vorbestimmten Drehwinkel der Kurbelwellen-Wiege 310 zur Kammer 312 addierten Volumen sein. Als Alternative zu den Kammern 312 und 314 können Kolben-Kammern oder andere Hydraulikkammern mit ähnlicher Funktion benutzt werden.

Claims

Brennkraftmaschine (300) mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventilsteuerung, umfassend ein Maschinen-Gehäuse (302) und eine Kurbelwelle (306) mit einer Kurbelwellendrehachse (A), eine erste Position (F) der Kurbelwellenachse relativ zum Gehäuse (302) und eine zweite Position (G) der Kurbelwellenachse relativ zum Gehäuse (302), und ein oder mehrere in dem Gehäuse (302) um eine exzentrische Schwenkachse (E) drehbar angeordnete exzentrische Hauptlagerböcke (310) zur Einstellung der Kurbelwellenachse (A) von der ersten Position (F) der Kurbelwellenachse in die zweite Position (G) der Kurbelwellenachse, ein auf der Kurbelwelle (306) montiertes Antriebszahnrad (14) und ein auf einer sekundären Welle (330) mit einer zweiten Wellendrehachse (336) montiertes angetriebenes Zahnrad (18), wobei die zweite Wellendrehachse (336) in dem Gehäuse (302) ortsfest ist, wobei das Antriebszahnrad (14) mit dem angetriebenen Zahnrad (18) in Eingriff steht und das Antriebszahnrad (14) und das angetriebene Zahnrad (18) eine erste Eingriffsrichtung (332) und eine erste Eingriffsstelle (334) haben, ein erstes Einlaßventil (28) und eine Nockenwelle (320) mit einem Nockenwellenantrieb (338, 340, 342), wobei die sekundäre Welle (330) den Nockenwellenantrieb (338, 340, 342) antreibt und die Nockenwelle (320) das Einlaßventil (28) öffnet, wobei die erste Eingriffsrichtung (332) im wesentlichen von dem ersten Einlaßventil (28) weg gerichtet ist, wobei die erste Position (F) der Kurbelwellenachse näher bei dem ersten Ventil (28) liegt als die zweite Position (G) der Kurbelwellenachse, wobei die Nockenwelle (320) in der ersten Position (F) der Kurbelwellenachse eine erste Phasensteuerung relativ zur Kurbelwelle (306) und in der zweiten Position (G) der Kurbelwellenachse eine zweite Phasensteuerung relativ zur Kurbelwelle (306) hat, wobei das Einlaßventil (28) in der ersten Position (F) der Kurbelwellenachse eine spätere Öffnungszeit relativ zur Kurbelwelle (306) als in der zweiten Position (G) der Kurbelwellenachse hat, wobei sich die erste Eingriffsstelle (334) zwischen der exzentrischen Schwenkachse (E) und der zweiten Wellendrehachse (336) befindet.
Brennkraftmaschine (300) mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventilsteuerung nach Anspruch 1, wobei die Kurbelwellendrehachse (A) sich im wesentlichen zwischen der exzentrischen Schwenkachse (E) und der zweiten Wellendrehachse (336) befindet.
Brennkraftmaschine (300) mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventilsteuerung nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine ein erstes Auslaßventil (30) und einen Auslaßventilantrieb (350; 330) aufweist, wobei das erste Auslaßventil (30) und das erste Einlaßventil (28) in der ersten Position (F) der Kurbelwellenachse eine erste Ventilüberlappungsdauer und in der zweiten Position (G) der Kurbelwellenachse eine zweite Ventilüberlappungsdauer haben, wobei die erste Ventilüberlappungsdauer kürzer ist als die zweite Ventilüberlappungsdauer.
Brennkraftmaschine (300) mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventilsteuerung nach Anspruch 3, die zusätzlich ein zweites angetriebenes Zahnrad (344) aufweist, das auf einer dritten Welle (346) mit einer dritten Drehachse (348) montiert ist, wobei die dritte Drehachse (348) in dem Gehäuse (302) ortsfest ist, wobei das zweite angetriebene Zahnrad (344) mit einem Zahnrad (14) in Eingriff steht, das auf der Kurbelwelle (306) montiert ist und eine zweite Eingriffsrichtung (354) und eine zweite Eingriffsstelle (356) hat, wobei sich die Kurbelwellendrehachse (A) im wesentlichen zwischen der ersten Eingriffsstelle (334) und der zweiten Eingriffsstelle (356) befindet und die zweite Eingriffsrichtung (354) im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Eingriffsrichtung (332) ist.
Brennkraftmaschine (300) mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventilsteuerung nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (300) ein erstes Auslaßventil (30) aufweist und das Auslaßventil (30) von dem auf der sekundären Welle (330) montierten angetriebenen Zahnrad (18) angetrieben wird.
Brennkraftmaschine (300) mit variablem Verdichtungsverhältnis und einstellbarer Ventilsteuerung nach Anspruch 5, die zusätzlich ein zweites Einlaßventil (28) und einen Einlaßventilsteuerungs-Phasenverschieber zur Einstellung der Steuerung des zweiten Einlaßventils (28) relativ zum ersten Einlaßventils (28) aufweist.