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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
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Die
EP 1 245 803 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Motorblock mit zumindest einem Zylinder und mit einer Kurbelwelle, die mindestens eine Kurbel aufweist und drehbar in dem Motorblock gelagert ist. Die Kurbelwelle ist dabei über Lager gelagert, die in einstellbaren Exzentern angeordnet sind. Eine Drehung der Exzenter bewirkt eine relative Verstellung der Mittelachse der Kurbelwelle relativ zum Motorblock, um somit das Verdichtungsverhältnis eines Kolbens in dem Zylinder einzustellen.
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Diese derartige Einstellung des Verdichtungsverhältnisses birgt dabei den Nachteil, dass bewegende Teile beeinflusst werden, was einen hohen Aufwand und damit hohe Kosten bezüglich der Lagerung dieser Teile bedeutet. Dies beeinflusst auch die Zuverlässigkeit dieser Teile negativ. Zudem ist eine solche Einstellung des variablen Verdichtungsverhältnisses bei Verbrennungskraftmaschinen in V-Bauweise sehr nachteilig, da dann Zylinder einer Zylinderbank mit einem anderen Kompressionsverhältnis betrieben werden als Zylinder der anderen Zylinderbank.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine in V-Bauweise sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche eine verbesserte Einstellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine in V-Bauweise mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine in V-Bauweise mit einem Kurbelgehäuse und mit zwei, einen Winkel einschließenden und jeweils zumindest einen Arbeitsraum, insbesondere einen Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine aufweisenden Arbeitsraumgehäusen, insbesondere Zylindergehäusen, ist dadurch bereitgestellt, dass das jeweilige Arbeitsraumgehäuse relativ zu dem Kurbelgehäuse bewegbar ist.
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Durch diese Bewegbarkeit des jeweiligen Arbeitsraumgehäuses, beispielsweise parallel zur jeweiligen Längserstreckung des jeweiligen Arbeitsraums und damit zumindest im Wesentlichen entlang des durch die Zylindergehäuse eingeschlossenen Winkels, ist eine Einstellung von unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, ohne dabei sich bewegende Teile in ihrer Lage zu verändern, beziehungsweise in deren Lagerungen einzugreifen. Insbesondere die Drehachse der Kurbelwelle bleibt in ihrer Lage unverändert und somit beispielsweise immer koaxial zur Drehachse der Getriebeeingangswelle eines konventionell lagefest im Fahrzeug eingebauten Getriebes. Dadurch kann auf ein beweglich im Fahrzeug eingebautes Getriebe oder auf ein Versatzausgleichsgetriebe zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle verzichtet werden. Dies hält zum einen den Aufwand zur Darstellung der unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse in Grenzen, was mit geringen Kosten der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Getriebes einhergeht. Zum anderen weist die Verbrennungskraftmaschine mit dem variablen Verdichtungsverhältnis eine hohe Zuverlässigkeit beziehungsweise im Umkehrschluss eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit auf aufgrund der insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik geringen Komplexität.
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Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise eine Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine in dem Kurbelgehäuse derselbigen lagerbar beziehungsweise gelagert, wobei deren Relativposition zum Kurbelgehäuse und damit die Position ihrer entsprechenden Lager zur Darstellung des einstellbaren Verdichtungsverhältnisses nicht verändert wird.
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Das jeweilige Arbeitsraumgehäuse ist beispielsweise mittels zumindest einer dem jeweiligen Arbeitsraumgehäuse zugeordneten Exzentereinrichtung bewegbar, wobei die Exzentereinrichtungen entsprechend dem durch die Arbeitsraumgehäuse eingeschlossenen Winkel zueinander geschränkt sind. Dadurch werden die Arbeitsraumgehäuse bei einer Verstellung der Exzentereinrichtungen um im Wesentlichen gleiche Beträge relativ zu dem Kurbelgehäuse bewegt. In beiden Arbeitsraumgehäusen wird somit das gleiche Verdichtungsverhältnis eingestellt. Die Exzentereinrichtungen sind vorteilhafterweise koaxial zur Kurbelwelle angeordnet, was den Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine gering hält. Dies vermeidet Package-Probleme insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens.
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Vorteilhafterweise sind die Exzentereinrichtungen an der von dem Kurbelgehäuse zumindest bereichsweise aufgenommenen Kurbelwelle, insbesondere an entsprechenden Lagerzapfen der Kurbelwelle, abgestützt, wobei beispielsweise das jeweilige Arbeitsraumgehäuse einem jeweiligen Lagerzapfen der Kurbelwelle zugeordnet ist. Dies bedeutet also, dass die Exzentereinrichtungen zwischen der Kurbelwelle und den Arbeitsraumgehäusen angeordnet sind, wodurch ein direkter Kraftfluss zwischen der Kurbelwelle und den Arbeitsraumgehäusen dargestellt ist. Dieser direkte Kraftfluss bedeutet eine sehr günstige Kraftleitung durch die Verbrennungskraftmaschine, was der Zuverlässigkeit und damit der geringen Ausfallwahrscheinlichkeit zuträglich ist.
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Die erwähnten Exzentereinrichtungen sind dabei mittels eines entsprechenden Aktuators betätigbar, also drehbar, zur Darstellung der unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Exzentereinrichtungen an der Kurbelwelle, insbesondere an einem jeweiligen Lagerzapfen, gelagert sind zur Gestaltung einer definierten und festen Abstützung sowie zur Realisierung eines geringen Bauraumbedarfs der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.
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Zur Sicherstellung einer gleichförmigen Bewegung der Arbeitsraumgehäuse relativ zum Kurbelgehäuse ist zumindest eine Momentenabstützungseinrichtung zwischen den Arbeitsraumgehäusen und dem Kurbelgehäuse vorgesehen.
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Weist die Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Arbeitsraumgehäusekopfelement, insbesondere einen Zylinderkopf auf, mittels welchem die Arbeitsraumgehäuse überdeckt sind und welches mit diesen verbunden, beispielsweise verschraubt, ist, wobei jedem Arbeitsraumgehäuse ein jeweiliges Arbeitsraumgehäusekopfelement zugeordnet sein kann, so ist das Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine vorteilhafter Weise mit dem zumindest einen Arbeitsraumgehäusekopfelement unter Vermittlung mindestens eines Dichtungselements, insbesondere eines Faltenbalgs, verbunden, wobei das Dichtungselement derart flexibel ausgebildet ist, dass es auch bei der relativen Bewegung der Arbeitsraumgehäuse und damit des zumindest einen Arbeitsraumgehäusekopfelements relativ zu dem Kurbelgehäuse unter Beibehaltung der jeweiligen Verbindung des Arbeitsraumgehäusekopfelements mit dem Dichtungselement eine Abdichtung des Verbunds aus Arbeitsraumgehäusen und Kurbelgehäuse sicherstellt.
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Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Dichtungselement somit den besagten Verbund gegenüber einem Austreten vor beispielsweise Schmieröl und/oder Verbrennungsgasen abdichtet, und das bei allen möglichen, einstellbaren Verdichtungsverhältnissen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.
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Dies ist insbesondere durch den erwähnten Faltenbalg ermöglicht, der einerseits ein solides Dichtungselement darstellt und andererseits eine sehr hohe Flexibilität aufweist zur Darstellung der Abdichtung.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in V-Bauweise mit einem Kurbelgehäuse mit zwei, einen Winkel einschließenden und jeweils zumindest einen Arbeitsraum, insbesondere einen Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine aufweisenden Arbeitsraumgehäusen, insbesondere Zylindergehäusen, wobei das jeweilige Arbeitsraumgehäuse zur Einstellung variabler Verdichtungsverhältnisse relativ zu dem Kurbelgehäuse bewegt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine bedarfsgerecht auf einen entsprechenden Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine einzustellen, wobei beispielsweise ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Teillast ein anderes Verdichtungsverhältnis erfordert als ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Volllast zur Darstellung eines kraftstoffverbrauchsarmen Betriebs, was geringe CO2-Emissionen bedeutet.
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Gleichzeitig ist diese bedarfsgerechte und verbrauchsoptimale Einstellung des Verdichtungsverhältnisses auf einfache und damit kostengünstige Art und Weise möglich, ohne sich bewegende Teile und damit deren Lagerungen zu beeinflussen, was den Aufwand und damit die Kosten der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Verfahrens in unerwünschte Höhen treiben würde.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine sowie das erfindungsgemäße Verfahren bergen des Weiteren den Vorteil, dass die Relativbewegung der Arbeitsraumgehäuse beziehungsweise des zumindest einen Arbeitsraumkopfelements gering ist, was ebenso den Aufwand zur Abdichtung des beschriebenen Verbunds aus Arbeitsraumgehäuse und Kurbelgehäuse in einem geringen Rahmen hält. Zudem sind die jeweiligen Arbeitsraumgehäuse mit gleichem Verdichtungsverhältnis betreibbar, was also gleiche Verbrennungsbedingungen in den entsprechenden Arbeitsräumen ermöglicht. Dies erlaubt ebenso einen verbrauchs- sowie emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und vermeidet einen Kompromiss bei der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wie es bei unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen der Arbeitsräume der Fall wäre und einen kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen würde.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 zwei Querschnittsansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, wobei ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt ist; und
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2 zwei Querschnittsansichten der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1, wobei ein geringes Verdichtungsverhältnis eingestellt ist.
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Die 1 und 2 zeigen eine Verbrennungskraftmaschine 10 in V-Bauweise mit einem Kurbelgehäuse 12, in welchem eine Kurbelwelle 14 aufgenommen und über entsprechende Lagerzapfen gelagert ist.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist eine Mehrzahl von Zylindergehäusen 16 und 18 auf, wobei in den 1 und 2 zwei Zylindergehäuse 16 und 18 gezeigt sind. Das Zylindergehäuse 16 ist dabei einer ersten Zylinderbank 20, und das Zylindergehäuse 18 einer zweiten Zylinderbank 22 zugeordnet, wobei die Zylindergehäuse 16 und 18 jeweils einen Arbeitsraum in Form eines Zylinders 24 aufweisen, in welchen ein Kolben 26 gemäß Richtungspfeilen 28 und 30 bewegbar gehalten ist. Die Richtungspfeile 28 und 30 korrelieren dabei mit der Längserstreckung der Zylinder 24 der Zylindergehäuse 16 und 18.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass aufgrund der Wahl der Querschnittsebene in den 1 und 2 lediglich der Zylinder 24 des Zylindergehäuses 16 zu sehen ist.
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Wie den 1 und 2 ebenfalls zu entnehmen ist, schließen die Zylindergehäuse 16 und 18 und damit die Zylinderbänke 20 und 22 einen Winkel ein, wodurch die besagte V-Bauweise der Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt ist.
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Die Zylindergehäuse 16 und 18 sind jeweils durch einen Zylinderkopf 32 und 34 überdeckt und mit diesen verschraubt, wobei in den Zylinderköpfen 32 und 34 Gaswechselventile sowie entsprechende Nockenwellen zur Steuerung dieser Gaswechselventile gelagert sind.
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Die den Zylindergehäusen 16 und 18 zugeordneten Kolben 26, wobei aufgrund der Wahl der Querschnittsebene lediglich der den Zylindergehäuse 16 zugeordnete Kolben 26 in den 1 und 2 dargestellt ist, sind über Pleuel 36 mit der Kurbelwelle 14 verbunden, wobei die Pleuel 36 über ein kleines Pleuelauge sowie über einen entsprechenden Kolbenbolzen 38 mit den Kolben 26 und über ein großes Pleuelauge mit einem Hubzapfen 40 der Kurbelwelle 14 verbunden sind. Der Hubzapfen 40 ist exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle 14 angeordnet. Dadurch ist in bekannter Weise eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 14 in eine translatorische Bewegung der Kolben 26 in den Zylindern 24 transformierbar.
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Zur Darstellung variabler Verdichtungsverhältnisse der Verbrennungskraftmaschine 10 ist das jeweilige Zylindergehäuse 16 und 18 relativ zu dem Kurbelgehäuse 12 bewegbar, wobei diese Bewegbarkeit mittels Lagerzapfen 42 der Kurbelwelle 14 zugeordneten Exzentereinrichtungen 44 dargestellt ist. In der 1 ist dabei ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt, was bedeutet, dass ein Abstand s zwischen einem jeweiligen, durch die Zylinderköpfe 32 beziehungsweise 34 gebildeten Brennraumdach der Zylinder 24 und einer jeweiligen, den Zylinderköpfen 32 beziehungsweise 34 zugewandten Stirnseite der Kolben 26 sehr gering ist, wenn sich die Kolben 26 in ihren jeweiligen oberen Totpunkten befinden. Dies führt zu einer hohen Verdichtung eines in dem jeweiligen Zylinder 24 vorgesehenen Arbeitsgases.
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Zur Abdichtung des Verbunds aus Kurbelgehäuse 12 und Zylindergehäuse 16 und 18 ist das Kurbelgehäuse 12 mit den Zylinderköpfen 32 beziehungsweise 34 unter Vermittlung eines jeweiligen Faltenbalgs 46 verbunden, der die Verbrennungskraftmaschine 10 gegenüber einem Austritt von Schmieröl und in das Kurbelgehäuse 12 entwichenen Verbrennungsgasen abdichtet. Die Faltenbälge 46 befinden sich gemäß der 1 in einer zusammengezogenen Stellung.
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Durch eine Drehung der Exzentereinrichtungen 44 beispielsweise gemäß einem Richtungspfeil 48 ist ein geringeres Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10 realisierbar, was gemäß der 2 dargestellt ist.
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Die Zylindergehäuse 16 und 18 werden dabei parallel zu ihrer Längserstreckung gemäß den Richtungspfeilen 28 beziehungsweise 30 relativ zum Kurbelgehäuse 12 von dem Kurbelgehäuse 12 wegbewegt. Da die Relativposition der Kurbelwelle 14 aufgrund der festen Lagerung der Kurbelwelle 14 in dem Kurbelgehäuse 12 gleich bleibt, ergibt sich eine Vergrößerung des Abstands s zwischen der beschrieben Stirnseite des jeweiligen Kolbens 26 und dem jeweiligen Brennraumdach, woraus eine geringe Verdichtung des Arbeitsgases und damit ein geringes Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert.
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Wie anhand der 2 zudem deutlich wird, befinden sich nun die Faltenbälge 46 in einer gegenüber der 1 gestreckten Lage um die Abdichtung des Verbunds aus Kurbelgehäuse 12 und den Zylindergehäusen 16 und 18 zu gewährleisten.
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Ein weiterer Vorteil der Verbrennungskraftmaschine 10 ist, dass die Kurbelwelle 14 koaxial zu einer Eingangswelle eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordneten Getriebes angeordnet ist und auch angeordnet verbleiben kann und das auch bei unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen der Verbrennungskraftmaschine 10, da keine Änderung der Relativposition der Kurbelwelle 14 zum Kurbelgehäuse 12 erfolgt.
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Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, sind die Exzentereinrichtungen 44 koaxial zur Kurbelwelle 14 angeordnet und an dieser abgestützt und gelagert, was einen direkten Kraftfluss von der Kurbelwelle auf die Zylindergehäuse 16 und 18 beziehungsweise umgekehrt ermöglicht und damit einen komplizierten Kraftfluss verhindert. Dies ist der Zuverlässigkeit der Verbrennungskraftmaschine 10 zuträglich, da sich bewegende Teile und damit deren Lagerungen bei der Einstellung des entsprechenden Verdichtungsverhältnisses nicht beeinflusst werden beziehungsweise beeinflusst werden müssen, was den Aufwand der Verbrennungskraftmaschine 10 und ihre Komplexität in einem geringen Rahmen hält. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist daher bei optimaler und bedarfsgerechter Einstellbarkeit auf jeweilige Betriebszustände eine hohe Zuverlässigkeit und eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit auf. Zudem ist der Betrieb beider Zylinderbänke 20 und 22 mit gleichen Verdichtungsverhältnissen gewährleistet, was gleiche Verbrennungsverhältnisse in dem jeweiligen Zylinder 24 erlaubt zur Darstellung eines kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmen Betriebs.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Kurbelgehäuse
- 14
- Kurbelwelle
- 16
- Zylindergehäuse
- 18
- Zylindergehäuse
- 20
- Zylinderbank
- 22
- Zylinderbank
- 24
- Zylinder
- 26
- Kolben
- 28
- Richtungspfeil
- 30
- Richtungspfeil
- 32
- Zylinderkopf
- 34
- Zylinderkopf
- 36
- Pleuel
- 38
- Bolzen
- 40
- Hubzapfen
- 42
- Lagerzapfen
- 44
- Exzentereinrichtung
- 46
- Faltenbalg
- 48
- Richtungspfeil
- s
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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