Die Erfindung handelt von einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor,
bestehend aus einem einzigen Zylinderblock mit in zwei zueinander geneigten
Reihen angeordneten Zylinderbohrungen, einer gemeinsamen in
Grundlagern gelagerten Kurbelwelle, und mindestens einer in einem
Zylinderkopf angeordneten obenliegenden Nockenwelle.
Motoren mit Zylindern in enger V-Anordnung wurden bereits in den 50er -
Jahren von LANCIA gebaut (siehe BUSSIEN: Automobiltechnisches
Handbuch, 17 Auflage, 1953, Teil 2, Seiten 48,94) und sind durch den VR6
Motor von Volkswagen wieder bekannt geworden. Sie haben allgemein
den Vorteil geringen Raumbedarfes in Länge und Breite, bei gegebener
Zylinderzahl sogar eines wesentlich geringeren Raumbedarfes. Dieser hat
bei dem heute gebräuchlichen Quereinbau des Motors in Kraftfahrzeugen
große Bedeutung. Sie haben gegenüber echten V-Motoren auch den Vorteil,
mit einem gemeinsamen Zylinderkopf und somit mit einer einzigen
Zylinderkopfdichtung auszukommen.
Nachteilig ist bei Motoren mit Zylindern in enger V-Anordnung jedoch die
schwierige Gasführung im Zylinderkopf- vor allem wenn eine Seite des
Motors Einlassseite und die andere Auslassseite sein soll. Gleiche Verbrennungsverhältnisse
in allen Zylindern sind nur sehr schwer zu erzielen, weil
die geometrische Konstellation von Einlaßkanälen, Ventilen, Einspritzdüsen
und, gegebenenfalls Drallrichtung, in beiden Zylinderreihen verschieden
ist. Noch schwieriger ist die Führung des Kühlwassers. Die dichte
Packung der Zylinder in zwei Reihen bedingt eine höhere Energiedichte,
aus einem bestimmten Blockvolumen ist somit mehr Wärme abzuführen.
Abgesehen von der schwierigeren Wasserführung im Zylinderblock sind
die Durchgänge vom Zylinderblock in den Zylinderkopf ein schlimmer
Engpass. Durch die dichte Packung der Zylinder sind nämlich auch die
Zylinderkopfschrauben und deren zur besseren Krafteinleitung weit in die
Tiefe reichenden Einschraubputzen nur wenig voneinander entfernt, sodass
für den Kühlwasserdurchtritt nur sehr kleine Querschnitte zur Verfügung
stehen. Ein besonderes Problem sind dabei die Zylinderkopfschrauben auf
der Innenseite des Zylinderblockes. Die von ihnen eingeleiteten Kräfte
belasten den Zylinderblock einseitig und fließen in die Zylinderbüchsen ab,
was zu einer Beeinträchtigung der Rundheit der Zylinderbohrungen führt.
Ausserdem schränken die Zylinderkopfschrauben die Freiheit bei der an
sich schon schwierigen Gestaltung der Gaskanäle und der Anordnung der
die Verbrennung in Gang setzenden Organe (Einspritzdüse oder Zündkerze)
drastisch ein.
Der Vorteil des gemeinsamen Zylinderkopfes mit einer einzigen ebenen
Passfläche zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf birgt aber bei
modernen Motoren mit hoher Verdichtung, besonderen Verbrennungsverfahren
(Schichtladung) oder Brennstoffeinspritzung auch einen schweren
Nachteil in sich. Das umsomehr, als Minimierung von Brennstoffverbrauch
und Schadstoffemissionen heute eine grosse Rolle spielen. Die geneigten
Zylinderachsen und die gemeinsame ebene Passfläche zwingen nämlich zu
einer unsymmetrischen Gestaltung des Brennraumes. Damit sind aber
besondere Verbrennungsabläufe (Gaszufuhr mit Drall, Schichtladung,
Einspritzung) und hohe Verdichtungsverhältnisse nur mit Einbussen bei
Verbrauchs- und Emissionsverhalten realisierbar. In besonderem Maße
trifft das bei Dieselmotoren zu. Ausserdem erfordert die geneigte
Zylinderachse Kolben mit schrägem Boden, was statisch, dynamisch und
thermisch ungünstig ist. Der schräge Kolbenboden erzwingt eine tiefe Lage
des obersten Kolbenringes, was das Emissionsverhalten beeinträchtigt
Aus der DE 29 22 726 A ist ein Vorkammer-Dieselmotor in enger V-Anordnung
bekannt, bei dem der V-Winkel der Zylinder, vermutlich aus den
obigen Gründen, besonders klein ist. Dadurch wird der Motor nicht in dem
bei etwas größeren V-Winkel möglichen Maß verkürzt. Zu erkennen ist die
unsymmetrische Gestalt des Kolbens und die mittige Anordnung der Vorkammer
aus Gründen der Thermosymmetrie. An eine Ausführung für nach
dem Direkteinspritzverfahren arbeitende Motoren, insbesondere Dieselmotoren
ist mit den gegebenen konstruktiven Einschränkungen nicht zu
denken.
Ein weiterer Dieselmotor mit enger Zylinderanordnung ist bekannt aus dem
Zeitschriftenartikel "Sechszylindermotoren mit kleinem V-Winkel" (MTZ
51 (1990), Seite 415 und Bilder 12,15). Die Querstromanordnung bedingt
zur Motormittelebene (zum Unterschied von der Mittelebene der Zylinderreihen)
symmetrische Anordnung der Einspritzdüsen und damit stark
unterschiedliche Verbrennungsverhältnisse. Die Zylinderkopf-schrauben
behindern die Gestaltung der Gasführungskanäle mit gleichem Querschnittsverlauf,
der vor allem für die Ansaugkanäle wichtig ist. Dabei ist es
erschwerend, dass Dieselmotoren mit Direkteinspritzung eine Einlaßströmung
mit Drall brauchen.
Es ist Ziel der Erfindung, einen gattungsgemäßen Motor so zu gestalten,
dass die aufgezählten Nachteile vermieden werden. Es soll bei geringsten
Einbaumassen des Motors möglich sein, die Verbrennungsräume optimal
zu gestalten, ausreichende Kühlung zu gewährleisten und die Gasführung
und Brennstoffzufuhr so vorzunehmen, dass in allen Zylindern gleiche
Verbrennungsbedingungen herrschen.
Im Prinzip ist es bei Dieselmotoren in Reihenbauart etwa aus der AT-PS
389 740 bereits bekannt, Zylinderblock und Zylinderkopf einstückig
auszuführen, jedoch ist der Beitrag, den diese Maßnahme im Zusammenwirken
mit anderen konstruktiven Maßnahmen beim Erreichen dieses
Zieles leisten kann, bisher nicht erkannt worden. Es ist zu vermuten, dass
die Notwendigkeit, die Zylinderbohrungen von der Kurbelwellenseite zu
bearbeiten, die Anwendung dieser sogenannten Monoblockbauweise auf
gattungsgemäße Motoren, bei denen auch die Grundlager der Kurbelwelle
nur wenig beabstandet sind, unmöglich erscheinen ließ.
Erfindungsgemäß jedoch wird das gesteckte Ziel durch die Kombination
der kennzeichnenden Merkmale des 1. Anspruches erreicht. Die einstückige
Ausbildung von Zylinderblock und Zylinderkopf hat den hier
besonders ins Gewicht fallenden Vorteil, dass keine Zylinderkopfschrauben
mehr notwendig sind, somit große Gestaltungsfreiheit der Gaswechselkanäle,
der Kühlkanäle und auch der Gaskanäle und der Einspritzdüse bzw
Zündkerze herrscht. Für den Durchtritt des Kühlwassers stehen große und
strömungsgünstige Strömungswege zur Verfügung. Der Kühlwassermantel
kann sich weit über die Zylinderböden nach unten erstrecken. Insgesamt
kann der gesamte Zylinderblock durch den Wegfall der Zylinderkopf-schrauben
mit geringeren Wandstärken und somit kleiner und leichter
gebaut sein. In Extremfällen kann er sogar aus Leichtmetall hergestellt
sein.
Durch den Wegfall der den beiden Zylinderreihen gemeinsamen Teilungsebene
können die Zylinderböden achsnormal ausgebildet sein, sodaß
Brennräume und Kolben symmetrisch sind. Das erlaubt optimale Gestaltung
der Verbrennungsräume für hohe Verdichtung und minimale
Verbräuche und Emissionen. In besonders hohem Maße trifft das bei
Dieselmotoren mit Direkteinspritzung zu.
Das Problem der Bearbeitung der eng beisammen liegenden Zylinderbohrungen
und der kleinen Abstände zwischen den Grundlagern ist in
überraschend einfacher Weise dadurch gelöst, dass die Grundlager der
Kurbelwelle mittels Bolzen mit dem Zylinderblock verschraubte Lagerstühle
sind. Die Bearbeitung ist so nicht behindert und die Lagerstühle
werden erst nach der Bearbeitung angeschraubt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Bolzen parallel
zu den Achsen der Zylinderbohrungen ausgerichtet und durch die Lagerstühle
hindurch in den Zylinderblock eingeschraubt, wobei die einem
Lagerstuhl zugeordneten Bolzen gegensinnig geneigt und in ausserhalb der
Zylinderreihen liegende Wandteile des Zylinderblockes eingeschraubt sind
(Anspruch 2). Die geneigten Bolzen bedingen eine geradlinige Krafteinleitung
in den Zylinderblock, die Zylinderwände an der Aussenseite des
Zylinderblockes und die Bolzen werden nur auf Zug beansprucht, die
Zylinderwände an der Innenseite überhaupt nicht. Ausserdem wird die
Rundheit der Zylinder nicht beeinträchtigt. So können die Gewindebohrungen
der einem Lagerstuhl zugeordneten Bolzen auch weit auseinander,
eben in den äusseren Wänden angordnet sein, und trotzdem ist die
Entfernung zwischen ihren Angriffspunkten am Lagerstuhl wesentlich geringer,
dadurch kleine Biegelänge.
Wenn in Weiterführung dieses Gedankens die Bolzen der Reihe nach
zuerst die Lagerdeckel, dann die Lagerstühle durchsetzen und dann in den
Zylinderblock eingeschraubt sind (Anspruch 3), ist wegen der aufeinander
zu laufenden Bolzen die Biegelänge an den Lagerdeckeln noch kleiner, und
es sind für letztere keinen eigenen Bolzen erforderlich. Das spart insgesamt
Bauraum, Gewicht und Kosten.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist der Zylinderblock auf einem mit den
Lagerstühlen einstückig ausgeführten Kurbelgehäuseoberteil befestigt
(Anspruch 4). Damit bilden die Lagerstühle mit dem Kurbelgehäuseoberteil
ein Bauteil, was eine besonders präzise Lagerung der Kurbelwelle ergibt.
Auf dieses ist der Zylinderblock aufgesetzt und mittels der Bolzen, zu
denen zwischen den Lagerstühlen noch weitere kürzere Bolzen treten
können. So wird eine besonders leichte, einfache und für die automatisierte
Montage geeignete Bauweise geschaffen
Alle angeführten Vorteile fallen bei einem Dieselmotor besonders stark ins
Gewicht, ganz besonders bei Direkteinspritzung: Hohe Verdichtung und
symmetrischer Brennraum und Kolben mit Drallströmung möglich,
besonders intensive Wärmeabfuhr in der Umgebung des Brennraumes.
Sogar die Herstellung gleicher Verbrennungsbedingungen in beiden
Zylinderreihen ist auch bei einem Verbrennungsmotor, dessen Zylinderblock
zu einer Einlassseite führende Einlasskanäle und zu einer Auslassseite
führende Auslasskanäle für alle Zylinder und hat, erreichbar, wenn
die Einspritzdüsen bzw Zündkerzen in beiden Reihen auf dieselbe Seite
geneigt sind und wenn die Einlaßkanäle in allen Zylindern im Sinne
gleicher geometrischer Konstellation angeordnet und ausgebildet sind
(Anspruch 5).
Die in beiden Zylinderbänken in der gleichen Richtung geneigten Einspritzdüsen
bzw Zündkerzen ergeben zusammen mit der Querstromanordnung
der Gaskanäle identische Verbrennungsbedingungen in allen
Zylindern. Die Anordnung der Gaskanäle im Sinne gleicher geometrischer
Konstellation bedeutet für diese, zusammen mit der einstückigen Ausführung,
bessere Kühlung und größere Querschnitte. Wenn es sich um
einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung handelt, sind alle Einspritzdüsen
zur Einlaßseite hin geneigt. Dadurch können die Einspitzdüsen in der Nähe
der drallbedingten Einschnürung des Einlaßkanales angeordnet werden, wo
mehr Platz und die Schwächung des Zylinderbodens am geringsten ist.
Schließlich liegt es noch im Rahmen der Erfindung, dass der Endtrakt der
längeren Ansaugleitung und der Endtrakt der kürzeren Ansaugleitung (26)
formgleich sind. (Anspruch 6). Die durch die einstückige Bauweise
gegebene Gestaltungsfreiheit erleichtert die Unterbringung der relativ
großen Pumpedüseeinheiten. Durch deren Neigung in derselben Richtung
bedeutet das eine größere Anzahl von Gleichteilen für den Ventiltrieb und
die Einspritzung der beiden Zylinderbänke.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen eines Ausführungsbeispieles
erläutert. Es stellen dar:
Figur 1: den Erfindungsgegenstand im Querschnitt, Figur 2: einen schematischen Schnitt nach II-II in Fig.1, vergrößert.
Der in Fig. 1 in der für V-Motoren üblichen Weise geschnitten dargestellte
Motorblock 1 ist ein einziges Gußstück und besteht aus einer ersten 1' und
einer zweiten 1" Zylinderreihe mit Zylinderachsen 2', 2" und einem damit
einstückigen Kopfteil 3. Es handelt sich somit um einen Motor in der
sogenannten "Monoblock"-Bauweise, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
um einen Vier- oder Sechzylindermotor mit einem Winkel von bis zu
20° zwischen den Zylinderreihen 1'und 1".
Der Motorblock 1 besteht aus Zylinderwänden 4 mit jeweils einem zur
Zylinderachse 2 normalen Zylinderboden 5 und den die Aussenkontur des
Motorblockes 1 bildenden Blockwänden 6. Über den Zylinderboden 5 sind
Gasführungskanäle 7, jeweils ein Ansaugkanal und ein Auslasskanal,
ausgebildet. Um diese Kanäle 7 herum und zwischen den Zylinderwänden
4 und den Blockwänden 6 entsteht so ein Kühlwasserraum 8, der ohne
Einschnürungen die Gasführungskanäle 7 und die Zylinderwände 4 bis weit
hinunter umgibt. An seinem unteren Ende besitzt der Motorblock 1 eine
Passfläche 9, an die die Grundlager 10 anschließen. Diese bestehen aus
jeweils einem Lagerstuhl 11 und einem Lagerdeckel 12. Die Grundlager,
deren Anzahl und Anordnung von den Gegebenheiten abhängt, sind hier
einstückig mit dem Kurbelgehäuseoberteil 19 ausgeführt.
Lagerdeckel 12 und Lagerstuhl 11 sind beiderseits von Bolzen 13 (13',13")
durchsetzt, die in Sackbohrungen 14 in den Blockwänden 6 eingeschraubt
sind. Die Bolzen 13', 13" sind zueinander um denselben Winkel geneigt
wie die Zylinderachsen 2', 2". Die von ihnen in den Zylinderblock 1
eingeleitete Zugkraft wirkt somit genau in Richtung der achsparallelen
Blockwände. Durch die zueinander geneigte Anordnung sind die in die
Sackbohrungen 14 eingeschraubten Enden der Bolzen 13', 13" so weit
voneinander entfernt, dass sie in die Blockwände eingeschraubt werden
können. Es werden keine Biegemomente erzeugt. Trotzdem sind ihre
Kraftangriffspunkte am Lagerstuhl weniger weit und am Lagerdeckel (die
Bolzenköpfe 15', 15") noch viel weniger weit voneinander entfernt. Das
ergibt kurze Biegelängen für die Lagerdeckel. Die Bolzen können so sehr
nahe an der Kurbelwelle 16 vorbeigeführt sein. An der Kurbelwelle 16
greifen in der üblichen Weise Kolben 18 über Pleuelstangen 19 an. Die
Kolben 18 besitzen wieder achsnormale Kolbenböden, hier mit den bei
Diesel-Direkteinspritzem üblichen Verbrennungmulden. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel sind die Lagerstühle 11 der Grundlager 10 einstückig
mit einem Kurbelgehäuseoberteil 19 ausgeführt; mit anderen Worten: Der
Motorblock ist mittels der Bolzen 13', 13" mit dem Kurbelgehäuseoberteil
19 verbunden, das auch die Lagerstühle bildet.
Im Kopfteil 3 des Motorblockes sind hier zwei Nockenwellen 20',20"
angeordnet, die über Kipphebel 21 auf Pumpedüseeinheiten 31 und über
Schlepphebel 24 auf die Gaswechselventile 23 wirken. Aus Gründen
gleicher Verbrennungsbedingungen in beiden Zylinderreihen sind die
Achsen 22',22" der Pumpedüseeinheiten zu den Zylinderachsen 2',2" um
denselben Winkel in dieselbe Richtung geneigt. Im Falle eines Benzinmotors
sind die Zündkerzen in der beschriebenen Weise angeordnet. In
beiden Fällen werden so in den Zylindern der beiden Zylinderreihen
identische geometrische Konstellationen und damit identische Verbrennungsbedingungen
geschaffen.
Im Kopfteil 3 sind zwischen nicht einzeln bezeichneten Kühlkanälen ein
Einlaßkanal 25 zu einem Zylinder der ersten Reihe 1' und ein Einlaßkanal
26 zu einem Zylinder der zweiten Reihe 2" erkennbar. An den Motorblock
ist an einer Seite ein Einlaßkrümmer 27 und an der anderen Seite ein
Auslaßkrümmer 28 angeschraubt. Dadurch sind die Einlaßkanäle 25,26 und
auch die Auslaßkanäle 36,37 für die Zylinder der beiden Reihen verschieden
lang. Die vielen weiteren Details in diesem Schnitt sind nicht weiter
beschrieben, da sie dem Motorenbauer geläufig sind.
In Fig.2 sind die Gaswechselkanäle einer Ausführungsform als Dieselmotor
mit Direkteinspritzung stark vereinfacht für je zwei verschiedenen Reihen
angehörige Zylinder dargestellt, wobei mit 30 die Motorlängsachse und mit
31' bzw, je nach Zylinderreihe, 31" eine Einspritzdüse bezeichnet ist. Im
Falle eines Benzinmotors würde es sich um eine Zündkerze handeln. Vom
Ansaugkrümmer 27 (siehe Fig.1) erstrecken sich die verschieden langen
Einlaßkanäle 25,26, mit Einschnürungen 29 gegen Ende zu, ungefähr
horizontal bis über die Zylinderböden 5',5" und bilden dort Drallkammern
34, von denen aus die Verbrennungsluft durch die nur mit ihrem Mittelpunkt
angedeuteten Ventile 23',23" in den jeweiligen Zylinder strömt. So
wird in den Zylindern beider Zylinderreihen eine gleichgerichtete Drallströmung
erzeugt, durch Richtungspfeile 35',35" angedeutet. Die Einspritzdüsen
31',31" können durch diese Anordnung und die Einschnürung
29 relativ nahe an den Mittelpunkt der Zylinderböden 5 herangerückt und
steil aufgerichtet werden; beides ist für den Verbrennungsverlauf günstig.
Der Einlasskanal 25 ist wesentlich länger als der Einlasskanal 26 zur dem
Einlasskrümmer abgewandten Zylinderreihe. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die beiden Kanäle so gekrümmt, dass sie in gleichen Abständen
in den Einlasskrümmer münden. Ihre Endtrakte 40,41 sind aber
geometrisch gleich, sodaß in der für die Einströmung in den Brennraum
maßgebenden Strecke gleiche Strömungsbedingungen herrschen.
Die zum Auspuffkrümmer 28 auf der anderen Motorseite führenden
Auslaßkanäle 36,37 sind auch verschieden lang und können gerade sein, da
sie naturgemäß keine Drallkammern brauchen. Sie können aber auch
krumm sein, jedenfalls können sie durch Umsetzung der Lehre der
Erfindung in so großem Abstand voneinander angeordnet sein, daß sie
zwischen ihren Wänden 38 Kühlwasserräume 39 bilden, was die in der
Umgebung der Auslasskanäle besonders hohe thermische Belastung im
Kopfbereich vermindert.