DE102004051012A1

DE102004051012A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004051012A1
Application number: DE200410051012
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Duesmann; Dietmar Dipl.-Ing. Schröer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Die Erfindung geht von einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (10) aus, deren Verdichtungsverhältnis variiert werden kann, indem eine Lagerung einer Kurbelwelle (12) in einem Kurbelgehäuse (11) der Hubkolbenbrennkraftmaschine relativ zu Zylindern verstellbar ist, wobei mit dem Kurbelgehäuse ein Getriebe über eine Einrichtung verbunden ist, die einen durch die Verlagerung der Kurbelwelle entstehenden radialen Achsversatz (27) zwischen der Kurbelwellenachse (25) und der Achse der Getriebeeingangswelle (26) ausgleicht. Es wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung ein Zweimassenschwungrad (15) ist, dessen Primärseite (13) mit der Kurbelwelle und dessen Sekundärseite (14) mit dem Getriebe verbunden ist und dass die Verlagerung der Kurbelwelle durch eine Federanordnung (16) ermöglicht wird, die zwischen der Primärseite und der Sekundärseite angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 1 245 803 A1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer variablen Verdichtung bekannt. Sie besitzt eine Kurbelwelle, die in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagert ist, und deren Kurbeln mittels Pleuelstangen triebmäßig mit Kolben verbunden sind, die in zugeordneten Zylindern eine Hubbewegung ausführen. Zwischen den Kolben und einem Zylinderkopf, der die Zylinder zum freien Ende hin verschließt, wird jeweils ein Arbeitsraum gebildet. Zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses ist die Kurbelwelle in einstellbaren Exzentern im Kurbelgehäuse gelagert. Dadurch kann der obere Totpunkt mehr oder weniger zum Zylinderkopf hin verlagert werden, wodurch das Verdichtungsverhältnis durch das sich ändernde Totvolumen variiert.

Mit der Hubkolbenbrennkraftmaschine ist in der Regel ein Getriebe verbunden, dessen Eingangswelle koaxial zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist. Bei der Verlagerung der Drehachse der Kurbelwelle fluchtet diese nicht mehr mit der Eingangswelle des Getriebes, sodass besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen, um den radialen Achsversatz zu ermöglichen. Bei der bekannten Hubkolbenbrennkraftmaschine wird dies dadurch erreicht, dass die Kurbelwelle und das Getriebe in gleicher Weise verstellt werden, sodass die Eingangswelle des Getriebes weiterhin koaxial zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft. Dies wird dadurch erreicht, dass der Motorblock im Wesentlichen fest steht und das Getriebegehäuse operativ mit den Exzentern gekoppelt ist. Das Drehmoment stützt sich über das Getriebegehäuse mittels Lenkern ab. Eine solche Lösung ist sehr aufwändig und beansprucht für die Stellmittel und für die Stellbewegungen einen zusätzlichen, ausreichenden Bauraum, der in Fahrzeugen selten zur Verfügung steht.

Aus der DE 31 27 760 A1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit regelbarem, veränderlichem Verdichtungsverhältnis bekannt, bei der die Kurbelwelle u.a. ebenfalls in Exzentern gelagert ist. Dabei erfolgt der Abtrieb zum Getriebe hin über eine Gelenkwelle, was ebenfalls einen erhöhten Bauaufwand bedeutet.

Aus der WO 00/77368 A1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis bekannt, bei dem die Kurbelwelle ebenfalls in verstellbaren Exzentern drehbar gelagert ist. Die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine zum Getriebe hin ist über eine Kupplung mit der Drehachse der Kurbelwelle verbunden, wobei die Kupplung durch ein Hohlrad gebildet wird, das mit einer der Wellen verbunden ist, und durch ein Stirnrad, das mit der anderen Welle verbunden ist, und das mit dem Hohlrad im Eingriff steht. Diese Lösung erfordert eine zusätzliche Getriebestufe in Form der Kupplung, über die das gesamte Motordrehmoment geleitet wird.

Ferner sind zahlreiche Kupplungen bekannt, die einen radialen Achsversatz zwischen dem Antriebsglied und Abtriebsglied zulassen. So bietet die Schmidt-Kupplung GmbH, D-38304 Wolfenbüttel, unter der Bezeichnung Schmidt-Kupplung^® eine Kupplung an, bei der die Übertragung der Drehbewegung über zwei identische, durch eine Mittelscheibe verbundene Lenkergruppen erfolgt. Diese Lenkergruppen bestehen aus je drei oder mehr Lenkern, die stets untereinander parallel bleiben. Bei der Drehung lösen sich die Lenker, die alle als Kurbeln wirken mit Zug- und Druckkräften ab. Bei Änderung des Wellenabstands verlagert sich die Mittelscheibe nach außen. Trotzdem rotieren die Lenkergruppen wie auch die Mittelscheibe stets zentrisch. Wegen der parallelen Anordnung kann keine Phasenverschiebung eintreten. Der Einsatz einer solchen Kupplung bedeutet jedoch ebenfalls einen erhöhten Bauaufwand, außerdem sind die Lenker ungünstig ausgelastet, da sie in einer 90-Grad-Stellung keine Momente übertragen können.

Schließlich ist aus der DE 101 62 162 A1 ein Drehschwingungsdämpfer, insbesondere ein Zweimassenschwungrad bekannt, das eine Primär- und eine Sekundärseite aufweist, die relativ zur Primärseite um eine Drehachse verdrehbar ist. Zweimassenschwungräder werden insbesondere zwischen einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und einem Getriebe eingesetzt, um von der Hubkolbenbrennkraftmaschine verursachte Drehschwingungen vom Getriebe fernzuhalten. Zwischen der Primärseite, die der Kurbelwelle zugeordnet ist und eine erste Schwungmasse mit einem Anlasserzahnkranz umfasst, und der Sekundärseite, die dem Getriebe zugeordnet ist und eine Sekundärmasse umfasst, befindet sich eine Federanordnung, deren Federn in Umfangsrichtung angeordnet sind und sich einerseits über eine primäre Federführung an der Primärseite und andererseits über eine sekundäre Federführung an der Sekundärseite abstützen. Die Resonanzfrequenz dieses Federmassesystems liegt unterhalb der Erregerfrequenz des Leerlaufs der Hubkolbenbrennkraftmaschine und damit außerhalb des Betriebsdrehzahlbereichs. Es wirkt als schwingungsisolierendes Element gegenüber den der Hubkolbenbrennkraftmaschine nachgeschalteten Triebwerkskomponenten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne großen Aufwand einen radialen Achsversatz zu ermöglichen, der bei einer Verlagerung einer Kurbelwelle zwischen der Kurbelwelle und einer Getriebeeingangswelle auftritt. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung ist die Einrichtung, die einen durch Verlagerung der Kurbelwelle entstehenden radialen Achsversatz zwischen der Kurbelwellenachse und der Achse der Getriebeeingangswelle ausgleicht, ein Zweimassenschwungrad. Die Primärseite des Zweimassenschwungrads ist mit der Kurbelwelle und die Sekundärseite mit dem Getriebe verbunden, wobei eine Federanordnung, die zwischen der Primärseite und der Sekundärseite vorgesehen ist, die Verlagerung der Kurbelwelle ermöglicht. Die Federn der Federanordnung, die sich einerseits an der Primärseite und andererseits an der Sekundärseite abstützen, sind so elastisch, dass sie einen radialen Achsversatz zwischen der Primärseite und der Sekundärseite zulassen, ohne dass ihre Funktion beeinträchtigt ist. Dadurch sind keine zusätzlichen Aufwendungen erforderlich, z.B. Kupplungen, Gelenkwellen oder Einrichtungen, die das Getriebegehäuse zum Gehäuse der Brennkraftmaschine verlagern.

Grundsätzlich ist es möglich, die Lagerung der Kurbelwelle durch beliebige Stelleinrichtungen zu verstellen, wobei die Stelleinrichtungen in Abhängigkeit relevanter Betriebsparameter der Hubkolbenbrennkraftmaschine von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden. Diese kann z.B. die Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine oder eine damit verbundene separate Steuereinrichtung sein. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Kurbelwelle in Exzentern oder einer exzentrischen Lagerbrücke gelagert ist, die durch eine Stellvorrichtung gemeinsam verstellbar sind. Dies ist eine einfache, betriebssichere Lösung.

Es ist zum Beispiel möglich die Getriebeeingangsachse so anzuordnen, dass sie mit einer Schwenkachse des Exzenters oder der exzentrischen Lagerbrücke geometrisch zusammenfällt. Auf diese Weise ist eine konstante und einfache Koppelung der Kurbelwelle mit der Getriebeeingangswelle möglich. Bei einer derartigen Anordnung weisen der Exzenter oder die exzentrische Lagerbrücke eine konstante Exzentrizität auf, die auf einfache Weise mit einem Lagerkörper gebildet werden kann, der ein Außenlager zur getriebeeingangswellenzentrierten Lagerung im Gehäuse und eine dazu exzentrisches Innenlager zur Lagerung der Kurbelwelle aufweist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand einer Schwenkachse des Exzenters zu der Getriebeeingangswelle ungefähr gleich groß wie der Abstand der Schwenkachse des Exzenters zur Kurbelwellenachse. Auf diese Weise ist es möglich, den Achsversatz zwischen der Kurbelwelle und der Getriebeeingangswelle bei einer Exzenterstellung und damit bei einer Einstellung der Verdichtung zu minimieren. Es ist beispielsweise möglich, die geometrischen Verhältnisse und Lagen der Kurbelwelle, der Getriebeeingangswelle und der Exzentrizität so abzustimmen, dass in einem häufig genutzten Betriebsbereich kein oder nur ein minimaler Achsversatz auftritt. Dies bietet den Vorteil, dass über die Federn im Zweimassenschwungrad der Achsversatz nur in den wenig genutzten Betriebsbereichen ausgeglichen werden muss.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Dabei zeigen:
1: eine schematische, perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine,
2: das geometrische Schema einer Anordnung, bei der in gewissen Betriebspunkten der Achsversatz minimiert ist und
3: eine weitere Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei der die Schwenkachse des Exzenters geometrisch mit der Getriebeeingangsachse identisch ist.
1 zeigt in einer schematischen, perspektivischen Teilansicht eine erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine. In einem Kurbelgehäuse 11 einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 ist eine Kurbelwelle 12 drehbar in nicht sichtbaren Exzentern gelagert. Diese können in bekannter Weise durch Stelleinrichtungen in Abhängigkeit relevanter Betriebsparameter der Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 relativ zu deren Zylindern verstellt werden. Mit einem Abtriebsende der Kurbelwelle 12 ist eine Primärseite 13 eines Zweimassenschwungrads 15 drehfest verbunden. Zu den Massen der Primärseite 13 zählt neben einem Schwungrad ein damit verbundener Anlasserzahnkranz 28, eine Antriebsscheibe 19 und primäre Federführungen 17. Zur Sekundärseite 14 gehören u.a. eine Abtriebsscheibe 20 und eine damit verbundene sekundäre Federführung 18. Zwischen der Primärseite 13 und der Sekundärseite 14 ist eine Federanordnung 16 vorgesehen, deren Federn 21 in Umfangsrichtung angeordnet sind und sich einerseits an der primären Federführung 17 und andererseits an der sekundären Federführung 18 abstützen.
Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 besitzt einen Verbindungsflansch 22 mit Schraubenlöchern 23, an dem ein Getriebegehäuse befestigt wird. Die Eingangswelle des nicht dargestellten Getriebes, das eine Anfahrkupplung umfassen kann, ist koaxial mit der Abtriebsscheibe 20 fest verbunden, die zu diesem Zweck Schraubenlöcher 24 aufweist. Die Antriebsachse 25, um die sich die Kurbelwelle 12 mit der Primärseite 13 des Zweimassenschwungrads 15 dreht, verläuft in einer Ausgangsstellung koaxial zu einer Abtriebsachse 26, um die sich die Getriebeeingangswelle mit der Sekundärseite 14 des Zweimassen schwungrads 15 dreht. Werden nun die Exzenter, in denen die Kurbelwelle 12 gelagert ist, verstellt, ergibt sich zwischen der Antriebsachse 25 und der Abtriebsachse 26 je nach Verstellung ein mehr oder weniger großer radialer Versatz 27, der durch die Elastizität der Federn 21 ausgeglichen wird, die eine entsprechende Verlagerung der Federführungen 17, 18 zueinander ermöglichen, ohne dass zusätzliche Einrichtungen erforderlich wären.
In 2 ist das geometrische Schema einer Anordnung gezeigt, bei der in gewissen Betriebspunkten der Achsversatz minimiert ist. Die raumfeste Abtriebsachse 26 wird durch die Getriebeachse gebildet und ist mit einem Abstand 29 von einer Schwenkachse 30 beabstandet. Diese Schwenkachse 30 bildet die Mittelachse des nicht gezeigten Exzenters mit einer Exzentrizität beziehungsweise radialem Versatz 27. Der Abstand 29 von einer Schwenkachse 30 zur raumfesten Abtriebsachse 26 ist ungefähr gleich groß wie die Exzentrizität beziehungsweise der radiale Versatz 27. Es ist ebenfalls denkbar die beiden genannten Abmessungen genau gleich groß oder die Exzentrizität 27 größer als den Abstand 29 zu wählen. Vorteilhafterweise entspricht die Exzentrizität 27 dem Wert des Abstandes 29 mit einer Varianz von plus/minus 20% des Wertes des Abstandes 29. Die Mitte der nicht gezeigten Kurbelwelle bildet die Antriebsachse 25 und bewegt sich aufgrund der exzentrischen Lagerung auf einer Kreisbahn 31 um die Schwenkachse 30. Dabei kann die Mitte der Kurbelwelle neben dem Endpunkten für größte Verdichtung 31 und dem Endpunkt für niedrigste Verdichtung 32 beliebige Zwischenwerte annehmen. Je nach Lage der Schwenkachse 30 zur Abtriebsachse 26 ist der Abstand 33 zwischen der Antriebsachse 25 und der Abtriebsachse 26 beim Verstellen des Exzenters unterschiedlich. Auf diese Weise lässt sich konstruktiv eine Lage der Antriebsachse 25 und der Abtriebsachse 26 so festlegen, dass der Abstand 33 bei einem bestimmten Verdichtungsverhältnis minimal wird und damit nur ein geringer Achsversatz ausgeglichen werden muss. Im gezeigten Beispiel wäre das bei einer mittleren Einstellung der Verdichtung der Fall, d.h. die Antriebsachse 25 liegt ungefähr auf der Höhe der Schwenkachse 30, der Abstand 33 minimal.
In 3 ist zeigt eine Teilansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei der die Schwenkachse des Exzenters geometrisch mit der Getriebeeingangswelle 26 identisch ist. Die Getriebeeingangswelle 26 entspricht der Abtriebsachse. Die Kurbelwelle ist in einem den Exzenter bildenden Distanzlager 34 gelagert und durch die Kurbelwellenachse 25 dargestellt. Das Distanzlager 34 dreht sich um eine Schwenkachse, die durch die Getriebeeingangswelle 26 gebildet ist. Somit dreht sich der Exzenter um die Getriebeeingangswelle 26. Bei einer Verstellung der Verdichtung der Hubkolbenbrennkraftmaschine wird das den Exzenter bildende Distanzlager 34 um die die Abtriebsachse bildende Getriebeeingangswelle 26 verdreht und damit die Kurbelwellenachse 25 in ihrer räumlichen Lage verschoben.
Das Distanzlager 34 weist einen inneren Lagerkörper 35 für die Kurbelwellenlagerung und einen äußeren Lagerkörper 36 für die Lagerung im Kurbelgehäuse 11 auf. Der Abstand der Mitten der beiden Lagerkörper entspricht der Exzentrizität des Exzenters.

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Verdichtungsverhältnis variiert werden kann, indem eine Lagerung einer Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine relativ zu Zylindern verstellbar ist, wobei mit dem Kurbelgehäuse ein Getriebe über eine Einrichtung verbunden ist, die einen durch die Verlagerung der Kurbelwelle entstehenden radialen Achsversatz zwischen der Kurbelwellenachse und der Achse der Getriebeeingangswelle ausgleicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein Zweimassenschwungrad (15) ist, dessen Primärseite (13) mit der Kurbelwelle (12) und dessen Sekundärseite (14) mit dem Getriebe verbunden ist und dass die Verlagerung (27) der Kurbelwelle (12) durch eine Federanordnung (16) ermöglicht wird, die zwischen der Primärseite (13) und der Sekundärseite (14) angeordnet ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (12) in Exzentern oder eine exzentrischen Lagerbrücke gelagert ist, die durch eine Stellvorrichtung gemeinsam verstellbar sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwenkachse des Exzenters oder der exzentri schen Lagerbrücke geometrisch mit der Getriebeeingangswelle identisch ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand einer Schwenkachse (30) des Exzenters zu der Getriebeeingangswelle (26) ungefähr gleich groß ist wie der Abstand der Schwenkachse des Exzenters zur Kurbelwellenachse (25).