WO2011098104A1

WO2011098104A1 - Brennkraftmaschine mit verlängertem expansionshub und ausgleichsgewichten auf der exzenterwelle

Info

Publication number: WO2011098104A1
Application number: PCT/EP2010/007374
Authority: WO
Inventors: Matthias Brendel
Original assignee: Audi Ag
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-12-04
Publication date: 2011-08-18
Also published as: DE102010004588B4; DE102010004588A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einer Kurbelwelle (3) und einer von der Kurbelwelle (3) angetriebenen Exzenterwelle (13), die zur Verlängerung eines Expansionshubs von Kolben (2) der Brennkraftmaschine (1) durch Pleuel (19) und Koppelglieder (8) mit der Kurbelwelle (3) verbunden ist. Um mit einfachen Mitteln ein freies Moment M_L 0,5. -Ordnung der Kurbelwelle (3) auszugleichen, das durch den von der Kurbelwelle (3), der Exzenterwelle (13), den Pleueln (19) und den Koppelgliedem (8) gebildeten Mehrgelenkkurbeltrieb (16) verursacht wird, wird erfindungsgemäß mindestens ein Ausgleichsgewicht (24, 25) an der Exzenterwelle (13) angebracht.

Description

Brennkraftmaschine mit verlängertem Expansionshub und Ausgleichsgewichten auf der Exzenterwelle

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennkraftmaschinen dieser Art sind zum Beispiel aus der EP-B-1359303, der EP-A- 1760290, der EP-A-1760289 und aus der US-A-4517931 bekannt und werden häufig als Brennkraftmaschinen mit verlängertem Expansionshub oder wie in der US-A-4517931 bzw. der EP-A-1760289 als Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Kolbenhub (stroke variable engine) bezeichnet.

Diese Brennkraftmaschinen weisen eine auch als Verstellwelle bezeichnete Exzenterwelle auf, die von der Kurbelwelle über ein Stirnradgetriebe mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle und mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben wird und gleichzeitig über einen Kurbeltrieb mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, der die Koppelglieder und die auch als Anlenkpleuel bezeichneten Pleuel um- fasst und wegen der Anlenkung der Koppelglieder an die Kurbelwelle, der Anlenkung der Pleuel an die Exzenterwelle und der gelenkigen Verbindung zwischen jedem Koppelglied und dem benachbarten Pleuel im folgenden auch als Mehrgelenkkurbeltrieb bezeichnet wird.

Durch diese Anordnung kann bei Viertakt-Brennkraftmaschinen der Expansions- und Ausstoßhub, d.h. der Kolbenhub beim Expansions- und Ausstoßtakt, gegenüber dem Ansaug- und Verdichtungshub, d.h. dem Kolbenhub beim Ansaug- und Verdichtungstakt, vergrößert werden. Jedoch wird durch den Mehrgelenkkurbeltrieb bei Reihen- Vierzylinder-Brennkraftmaschinen ein bei derartigen Reihen-Brennkraftmaschinen ansonsten nicht auftretendes freies Moment 0,5. -Ordnung verursacht, wodurch bei den Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art die Laufruhe oder Laufkultur erheblich beeinträchtigt wird.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass dieses freie Moment 0,5.- Ordnung zumindest verkleinert oder ganz beseitigt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch mindestens zwei an der Exzenterwelle angebrachte Ausgleichsgewichte gelöst.

Durch die Anbringung von vorzugsweise zwei oder mehr Ausgleichsgewichten an der Exzenterwelle kann zumindest der dominante Anteil des freien Moments 0,5.-Ordnung der zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Drehrichtung vollständig ausgeglichen werden. Weiter entstehen durch diese Maßnahme nur minimale Mehrkosten und ein minimales Mehrgewicht, jedoch keine zusätzlichen Reibungsverluste.

Das erfindungsgemäße Ausgleichsgewicht oder die erfindungsgemäßen Ausgleichsgewichte dienen ausschließlich zur Verkleinerung oder Beseitigung des freien Moments 0,5.-Ordnung. Sie dienen hingegen nicht zum Ausgleich der rotierenden Massen der Anlenkpleuel und sind wegen der unterschiedlichen Drehzahl der Exzenterwelle und der Kurbelwelle auch nicht zum Ausgleich der rotierenden Massen der Pleuel zwischen den Kolben und der Kurbelwelle bzw. den Koppelgliedern geeignet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ausgleichsgewichte in der Nähe der beiden entgegengesetzten Stirnenden der Exzenterwelle angeordnet sind, am besten zwischen dem jeweiligen Stirnende und einem zu dem Stirnende benachbarten, zur Drehachse der Exzenterwelle exzentrischen Wellenzapfen, an dem der Anlenkpleuel des 1. Zylinders bzw. des 4. Zylinders befestigt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden Ausgleichsgewichte eine identische Gestalt, vorzugsweise in Form eines Winkelsegments, und eine identische Masse auf, deren Massenschwerpunkte in Bezug zueinander vorteilhaft um 80 Grad gegeneinander versetzt sind.

Es wurde festgestellt, dass ein besonders guter Ausgleich des freien Moments 0,5.- Ordnung erreicht werden kann, wenn ein Winkelversatz zwischen den Massenschwerpunkten der Ausgleichsgewichte und einer von der Drehachse der Exzenterwelle und einer Längsmittelachse des benachbarten Wellenzapfens aufgespannten Ebene zwischen 25 und 40 Grad und vorzugsweise etwa 32 Grad beträgt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von zusammenwirkenden Teilen einer Brennkraftmaschine mit verlängertem Expansionshub;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Exzenterwelle mit Antriebsrad und Ausgleichsgewichten aus Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Stirnseitenansicht der Exzenterwelle in Richtung der Pfeile III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine andere perspektivische Ansicht der Exzenterwelle mit den Ausgleichsgewichten und ohne Antriebsrad;

Fig. 5a und 5b Balkendiagramme von freien Momenten unterschiedlicher Ordnung und Richtung in der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vor bzw. nach der Anbringung von Ausgleichsgewichten an der Exzenterwelle.

Wie am besten in Fig. 1 dargestellt, umfasst die in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Viertakt-4-Zylinder-Brennkraftmaschine 1 in Reihenanordnung mit verlängertem Expanisonshub vier Kolben 2 und eine Kurbelwelle 3. Jeder der Kolben 2 ist in einem der vier Zylinder (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 auf und ab beweglich und ist durch ein Kolbenpleuel 4 mit der Kurbelwelle 3 verbunden. Die Kurbelwelle 3 ist in Hauptlagerstühlen eines Zylinderkurbelgehäuses (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagert und weist fünf zur Lagerung dienende zentrische Wellenzapfen 5 sowie vier Hubzapfen 6 (jeweils nur einer sichtbar) auf, deren Längsmittelachsen in unterschiedlichen Winkelausrichtungen parallel zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 3 versetzt sind.

Auf jedem der Hubzapfen 6 der Kurbelwelle 3 ist ein Koppelglied 8 um die Längsmittelachse des Hubzapfens 6 drehbar befestigt. An jedem Koppelglied 8 ist eines der Kolbenpleuel 4 angelenkt, das ein unteres gabelförmiges Stirnende 9 mit zwei mit Augen versehenen Schenkeln aufweist. Zwischen die beiden Schenkel des gabelförmigen Stirnendes 9 des Kolbenpleuels 4 greift das freie Ende eines über eine Seite der Kurbelwelle 3 überstehenden kurzen Hubarms 10 des zweiarmigen Koppelgliedes 8 ein, der zwischen den Schenkeln mit einer Lagerbuchse (nicht sichtbar) versehen ist. Durch die Augen der Schenkel und die Lagerbuchse erstreckt sich ein Lagerbolzen 11, der in der Lagerbuchse des Hubarms 10 drehbar gelagert ist. Im Unterschied zu konventionellen Brennkraftmaschinen, bei denen der Kolbenhub über sämtliche Takte hinweg dieselbe Länge besitzt, ist bei der dargestellten Brennkraftmaschine 1 die Hubhöhe der Kolben 2 während des Expansions- und Ausstoßtaktes länger als während des Ansaug- und Verdichtungstaktes. Zu diesem Zweck wird der durch die Drehung der Kurbelwelle 3 hervorgerufenen Bewegung der Kolbenpleuel 4 eine zusätzliche Bewegungskomponente überlagert.

Dies erfolgt mit Hilfe einer Exzenterwelle 13, die eine zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 3 parallele Drehachse 14 aufweist, neben der Kurbelwelle 3 und etwas unterhalb von dieser im Zylinderkurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Die Exzenterwelle 13 wird von der Kurbelwelle 3 über ein Untersetzungsgetriebe 15 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 3 sowie mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle 3 entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben. Außerdem ist die Exzenterwelle 13 über einen Mehrgelenkkurbeltrieb 16 mit der Kurbelwelle 3 gekoppelt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst das Untersetzungsgetriebe 15 ein erstes, drehfest auf der Kurbelwelle 3 montiertes Zahnrad 17 und ein zweites drehfest auf der Exzenterwelle 13 montiertes Zahnrad 18, die miteinander im Zahneingriff stehen. Um das gewünschte Untersetzungsverhältnis von 2 : 1 zu erzielen, beträgt die Zähnezahl des zweiten Zahnrades 18 das Doppelte der Zähnezahl des ersten Zahnrades 17.

Der Mehrgelenkkurbeltrieb 16 umfasst neben den Koppelgliedern 8 eine der Anzahl der Kolbenpleuel 4 entsprechende Anzahl von Anlenkpleueln 19, die ungefähr parallel zu den Kolbenpleueln 4 ausgerichtet und in axialer Richtung der Kurbelwelle 3 und der Exzenterwelle 13 jeweils etwa in derselben Ebene wie der zugehörige Kolbenpleuel 4 angeordnet sind. Das untere Ende von jedem Anlenkpleuel 19 ist schwenkbar auf einem Wellenabschnitt 20 der Exzenterwelle 13 angebracht, der in Bezug zur Drehachse 14 der Exzenterwelle 13 exzentrisch ist. Das obere Ende von jedem Anlenkpleuel 19 ist oberhalb von der Exzenterwelle 13 an einem längeren Koppelarm 21 des zweiarmigen Koppelgliedes 8 angelenkt. Der Koppelarm 21 weist dazu ein gabelförmiges Stirnende 22 mit zwei mit Augen versehenen Schenkeln auf, zwischen die das mit einer Lagerbuchse versehene obere Ende des Anlenkpleuels 19 eingreift. Durch die Augen der Schenkel und die fluchtende Lagerbuchse des Anlenkpleuels 19 erstreckt sich ein Lagerbolzen 23, auf dem die Lagerbuchse drehbar gelagert ist.

Die zu den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugehörigen exzentrischen Wellenabschnitte 20 sind in Umfangsrichtung der Exzenterwelle 13 um einen Splitwinkel gegeneinander versetzt, um der Zündfolge der Zylinder Rechnung zu tragen. Dadurch wird erreicht, dass derjenige Zylinder, in dem das Kraftstoff/Luft-Gemisch gerade gezündet wird, den Expansionshub länger macht.

Abgesehen von dem verlängerten Expansionshub kann durch die zuvor beschriebene Anordnung auch die Neigung der Kolbenpleuel 4 in Bezug zur Zylinderachse der zugehörigen Zylinder während der Drehung der Kurbelwelle 3 verringert werden, was zu einer Verringerung der Kolbenseitenkräfte und damit der Reibkräfte zwischen den Kolben 2 und Zylinderwänden der Zylinder führt.

Allerdings verursacht der Mehrgelenkkurbeltrieb 16 ein freies Moment M, das in zwei Anteile zerlegt werden kann, deren Richtung zum Teil der Drehrichtung der Kurbelwelle

3 und zum Teil der Drehrichtung der Exzenterwelle 13 entspricht, wie in Fig. 5a und 5b in Balkendiagrammen dargestellt, wo der jeweils rechts dargestellte Balken jedes Balkenpaares das durch den Mehrgelenkkurbeltrieb 16 verursachte freie Moment M_R mit einer der Drehrichtung der Kurbelwelle 3 entsprechenden Richtung und der jeweils links dargestellte Balken jedes Balkenpaares das freie Moment M_L mit einer der Drehrichtung der Exzenterwelle 13 entsprechenden, zur Drehrichtung der Kurbelwelle 3 entgegengesetzten Richtung über der jeweiligen Ordnung des Moments anzeigt.

Wie sich aus Fig. 5a entnehmen lässt, wird vor allem ein großes freies Moment M_L 0,5.- Ordnung mit einer zur Drehrichtung der Kurbelwelle 3 entgegengesetzten Richtung erzeugt. Dieses freie Moment M_L 0,5. -Ordnung führt ohne Gegenmaßnahmen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Laufruhe der Brennkraftmaschine 1 , während die freien Momente1 ,5.-Ordnung, 2, 5. -Ordnung, 3,5.-Ordnung und 4,5. -Ordnung wegen ihrer höheren Frequenzen und ihrer kleineren Amplituden akustisch weniger kritisch sind,.

Um eine solche Beeinträchtigung zu vermeiden, sind als Gegenmaßnahme zwei Ausgleichsgewichte 24, 25 auf der Exzenterwelle 13 angebracht, wie am besten in Fig. 1 bis

4 dargestellt. Wie am besten in Fig. 1 dargestellt, ist das erste Ausgleichsgewicht 24 in der Nähe eines zur Antriebsseite entgegengesetzten Stirnendes 26 der Exzenterwelle 13 zwischen einem zur Lagerung der Exzenterwelle dienenden stirnseitigen Wellenzapfen 27 und dem zum Stirnende 26 benachbarten ersten exzentrischen Wellenabschnitt 20 angeordnet, dessen Position in axialer Richtung der Kurbelwelle 3 und der Exzenterwelle 13 derjenigen des 1. Zylinders in der Reihe von vier Zylindern der Brennkraftmaschine 1 entspricht. Das zweite Ausgleichsgewicht 25 ist in der Nähe des antriebsseitigen Stirnendes 28 der Exzenterwelle 13 zwischen dem Zahnrad 18 und dem zum Zahnrad 18 benachbarten letzten exzentrischen Wellenabschnitt 20 angeordnet, dessen Position in axialer Richtung der Kurbelwelle 3 und der Exzenterwelle 13 derjenigen des 4. Zylinders der Brennkraftmaschine 1 entspricht.

Die beiden Ausgleichsgewichte 24, 25 besitzen beide die Gestalt eines Winkelsegments, das sich über einen Winkel von etwa 100 Grad um die Exzenterwelle 13 herum erstreckt. Die beiden Winkelsegmente besitzen jeweils dieselben Abmessungen und dieselbe Masse. Wie am besten in Fig. 3 dargestellt, sind die beiden Winkelsegmente bzw. Ausgleichsgewichte 24, 25 mit einer diametral entgegengesetzen Ausrichtung auf der Exzenterwelle 13 angeordnet, so dass ihre Massenschwerpunkte S₂ , S₂₅ in Umfangsrichtung der Exzenterwelle um 180 Grad gegeneinander versetzt sind. Die Anordnung ist so gewählt, dass der Massenschwerpunkt S2₄ des Winkelsegments des ersten Ausgleichsgewichts 24 in Umfangsrichtung der Exzenterwelle 13 einen Winkelabstand von 32 Grad zu einer Ebene E aufweist, die von der Drehachse 14 der Exzenterwelle 13 und der Längsmittelachse des zum Ausgleichsgewicht 24 benachbarten ersten exzentrischen Wellenabschnitts 20 aufgespannt wird, und dass der Massenschwerpunkt S₂₅ des Winkelsegments des zweiten Ausgleichsgewichts 25 in Umfangsrichtung der Exzenterwelle 13 einen Winkelabstand von 32 Grad zu der Ebene E aufweist, durch die sich auch die Längsmittelachse des zum Zahnrad 18 bzw. zum Ausgleichsgewicht 25 benachbarten letzten exzentrischen Wellenabschnitts 20 (in Fig. 3 nicht sichtbar) erstreckt, da die Längsmittelachsen des ersten und des letzten exzentrischen Wellenabschnitts 20 in Umfangsrichtung der Exzenterwelle 13 um 180 Grad gegeneinander versetzt sind.

Durch die Anbringung der beiden Ausgleichsgewichte 24, 25 auf der mit halber Kurbelwellendrehzahl rotierenden Exzenterwelle 13 wird im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 in der Kurbelwelle 3 ein Moment M_A 0,5. -ter Ordnung erzeugt, das wie das Moment M_R 0,5. -ter Ordnung eine der Drehrichtung der Kurbelwelle 3 entsprechende Richtung besitzt und daher dem durch den Mehrgelenkkurbeltrieb 16 verursachten Moment M_L 0,5.- ter Ordnung entgegenwirkt. Durch eine geeignete Dimensionierung der Winkelsegmente der Ausgleichsgewichte 24, 25 kann das Moment M_A 0,5. -ter Ordnung so eingestellt werden, dass es den gegenläufig zur Kurbelwelle 3 rotierenden Anteil des freien Moments M_L 0,5.-ter Ordnung, das durch den Mehrgelenkkurbeltrieb 16 verursacht wird, vollständig ausgleicht, wie in Fig. 5b dargestellt. BEZUGSZEICHENLISTE

Brennkraftmaschine

Kolben

Kurbelwelle

Kolbenpleuel

Wellenzapfen Kurbelwelle

Hubzapfen Kurbelwelle

Drehachse Kurbelwelle

Koppelglied

gabelförmiges Stirnende Kolbenpleuel

Hubarm Koppelglied

Lagerbolzen

Exzenterwelle

Drehachse Exzenterwelle

Untersetzungsgetriebe

Mehrgelenkkurbeltrieb

Zahnrad Kurbelwelle

Zahnrad Exzenterwelle

Anlenkpleuel

exzentrische Wellenzapfen Exzenterwelle

Koppelarm Koppelglied

gabelförmiges Stirnende Koppelarm

Lagerbolzen

Ausgleichsgewicht

Stirnende Exzenterwelle

stirnseitiger Wellenzapfen Exzenterwelle

Stirnende Exzenterwelle

Claims

P A T E N TA N S P R Ü C H E

1. Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einer Exzenterwelle, die zur Verlängerung eines Expansionshubs von Kolben der Brennkraftmaschine durch Pleuel und Koppelglieder mit der Kurbelwelle verbunden ist, gekennzeichnet durch mindestens zwei an der Exzenterwelle (13) angebrachte Ausgleichsgewichte (24, 25).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch genau zwei an der Exzenterwelle (13) angebrachte Ausgleichsgewichte (24, 25).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsgewichte (24, 25) in der Nähe von entgegengesetzten Stirnenden (26, 28) der Exzenterwelle (13) angeordnet sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausgleichsgewichte (24, 25) dieselbe Form und Masse besitzen.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Massenschwerpunkte (S2 , S25) der beiden Ausgleichsgewichte (24, 25) um 180 Grad gegeneinander versetzt sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausgleichsgewichte (24, 25) jeweils zwischen einem der entgegengesetzten Stirnenden (26, 28) der Exzenterwelle (13) und einem zu dem jeweiligen Stirnende (26 bzw. 28) benachbarten exzentrischen Wellenabschnitt (20) angeordnet ist, an dem einer der Pleuel (19) schwenkbar befestigt ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelversatz zwischen einem Massenschwerpunkt (S₂4 , S₂s) von mindestens einem der beiden Ausgleichsgewichte (24, 25) und einer Ebene (E), die von einer Drehachse (14) der Exzenterwelle (13) und einer Längsmittelachse des zum Ausgleichsgewicht (24, 25) benachbarten exzentrischen Wellenabschnitts (20) aufgespannt wird, zwischen 25 und 40 Grad beträgt.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelversatz etwa 32 Grad beträgt.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsgewicht (24, 25) zur Tilgung eines freien Moments M_L 0,5.-Ordnung der Kurbelwelle (3) ausgebildet ist.