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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Mehrgelenkskurbeltrieb, der eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle gelagerten Koppelgliedern und eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Exzenterwelle gelagerten Anlenkpleueln umfasst, wobei jedes der Koppelglieder schwenkbar mit einem Kolbenpleuel eines Kolbens der Brennkraftmaschine und einem der Anlenkpleuel verbunden ist, wobei die Exzenterwelle über ein Exzenterwellengetriebe von der Kurbelwelle angetrieben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art umfassen die Exzenterwelle, die mit der Kurbelwelle über den Mehrgelenkskurbeltrieb gekoppelt ist und somit von der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Kurbelwelle unmittelbar oder mittelbar angetrieben ist. Der Mehrgelenkskurbeltrieb verfügt über eine der Anzahl der Kolben der Brennkraftmaschine entsprechende Anzahl von Koppelgliedern, die jeweils drehbar auf dem entsprechenden Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert sind und zwei nach entgegengesetzten Seiten über die Kurbelwelle überstehende, an ihrem Ende jeweils mit einem Schwenkgelenk versehene Arme aufweisen. Eines der Schwenkgelenke dient zur schwenkbaren Verbindung mit dem Kolbenpleuel, der einen der Kolben der Brennkraftmaschine über das Koppelglied mit der Kurbelwelle verbindet. Ein anderes der Schwenkgelenke dient zur schwenkbaren Verbindung mit dem so genannten Anlenkpleuel, welcher mit seinem anderen Ende drehbar auf dem Hubzapfen der Exzenterwelle gelagert ist. Mittels des Mehrgelenkkurbeltriebs kann der Arbeitshub der Kolben der Brennkraftmaschine verstellt werden, sodass sich in unterschiedlichen Arbeitstakten der Brennkraftmaschine unterschiedliche Arbeitshübe des Kolbens ergeben. Unter dem Arbeitshub ist dabei die Entfernung zu verstehen, welche zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt des Kolbens liegt, also mithin der von dem Kolben während des Arbeitstakts maximal zurückgelegte Weg.
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Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise eine Zweitakt-Brennkraftmaschine oder eine Viertakt-Brennkraftmaschine. Bei der Viertakt-Brennkraftmaschine werden die Arbeitstakte Ansaugen (erster Arbeitstakt), Verdichten (zweiter Arbeitstakt), Arbeiten (dritter Arbeitstakt) und Ausstoßen (vierter Arbeitstakt) in dieser Reihenfolge periodisch durchgeführt. Dabei steht der Kolben zu Beginn des ersten Arbeitstakts am oberen Totpunkt. Gegen Ende des ersten Arbeitstakts und zu Beginn des zweiten Arbeitstakts liegt der Kolben im unteren Totpunkt vor. Während des zweiten Arbeitstakts bewegt er sich wiederum in Richtung des oberen Totpunkts und erreicht diesen gegen Ende des zweiten Arbeitstakts beziehungsweise zu Beginn des dritten Arbeitstakts. Während des dritten Arbeitstakts erfolgt eine Verbrennung eines in dem Zylinder vorliegenden beziehungsweise in diesen eingebrachten Brennstoff-Luft-Gemischs. Die Verbrennung bewirkt eine Verlagerung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunkts, der gegen Ende des dritten Arbeitstakts und damit zu Beginn des vierten Arbeitstakts erreicht wird. Während des vierten Arbeitstakts bewegt sich der Kolben in Richtung des oberen Totpunkts, sodass er am Ende des vierten Arbeitstakts beziehungsweise wiederum zu Beginn des ersten Arbeitstakts in diesem vorliegt. Sowohl während des ersten und des zweiten Arbeitstakts als auch während des dritten und des vierten Arbeitstakts bewegt sich der Kolben damit einmal von seinem oberen Totpunkt zu dem unteren Totpunkt und zurück. Dabei legt er jeweils den vorstehend genannten Arbeitshub zurück. Mittels des Mehrgelenkskurbeltriebs kann nun der Arbeitshub während der ersten beiden Arbeitstakte unterschiedlich zu dem Arbeitshub während der letzten beiden Arbeitstakte eingestellt werden.
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Beispielsweise kann auf diese Weise der Arbeitshub während des dritten Arbeitstakts, also des Arbeits- beziehungsweise Expansionstakts, gegenüber dem Arbeitshub während des ersten Arbeitstakts, also des Ansaugtakts, vergrößert werden. Auf diese Weise kann zumindest in einigen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine ein verbesserter thermodynamischer Wirkungsgrad erreicht werden. Dazu wird die Exzenterwelle beispielsweise mit der halben Kurbelwellendrehzahl, also mit einer Übersetzung von 2:1 angetrieben. Zu diesem Zweck ist das Koppelglied auf seiner ersten Seite schwenkbar mit dem Kolbenpleuel und auf seiner anderen Seite mit dem Anlenkpleuel verbunden. Zwischen den Verbindungen mit dem Kolbenpleuel und dem Anlenkpleuel ist das Koppelglied auf der Kurbelwelle beziehungsweise auf deren Hubzapfen gelagert.
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Bei einer solchen Ausgestaltung ist die Brennkraftmaschine jedoch dazu ausgebildet, während des Expansionstakts stets einen größeren Arbeitshub aufzuweisen als während des Ansaugtakts. Dies erhöht zwar in einigen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine den thermodynamischen Wirkungsgrad, ist unter Umständen jedoch in anderen Betriebsbereichen nachteilig. Aus diesem Grund wird beispielsweise in der
DE 10 2008 040 459 A1 eine Verstellvorrichtung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, dessen Kompressionsverhältnisse über einen an einer Verstellwelle der Verstellvorrichtung angeordneten Exzenter verstellbar sind. Dabei soll die Verstellvorrichtung von einem Verbrennungsmotor über ein Antriebselement einer Antriebswelle der Verstellvorrichtung antreibbar sein und schließlich zwischen dem Antriebselement und dem Exzenter ein Getriebe, eine schaltbare Kupplung und eine schaltbare Bremse angeordnet sein, wobei durch die Kupplung eine Verbindung zwischen dem Antriebselement und der Antriebswelle herstellbar ist und die Antriebswelle durch die schaltbare Bremse festhaltbar ist. Dabei soll die Verstellvorrichtung eine kombinierte Kupplungs- und Bremseinheit aufweisen, in welcher eine Kupplung mit einem ersten Teil und einem zweiten schaltbaren Teil und eine Bremse mit einem ersten Teil und einem zweiten schaltbaren Teil angeordnet sind. Der zweite Teil der Kupplung und der Bremse soll dabei aus einer für die Kupplung und die Bremse gemeinsamen Ankerscheibe bestehen, welche drehfest auf der Antriebswelle angeordnet ist. Auch mit einer solchen Verstellvorrichtung können die eingangs genannten Nachteile jedoch nicht vollständig beseitigt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind weiterhin die Druckschriften
DE 10 2005 047 203 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Brennkraftmaschine, die in einem Gehäuse angeordnete Zylinder, eine Kurbelwelle und Kolben aufweist, die sich in den Zylindern bewegen. Weiterhin verfügt die Brennkraftmaschine über eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses eines Brennraums der Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung weist dabei für wenigstens einen Zylinder einen Verstellhebel, der direkt oder über einen Zwischenhebel die Länge einer Pleuelstange des Kolbens, den Hub der Kurbelwelle und/oder eine Oberkante der Zylinder in ihrer Lage zur Mitte der Kurbelwelle verändert; einen dem wenigstens einen Zylinder zugeordneten Exzenter, der im Gehäuse gelagert ist und Lage und/oder Richtung des Verstellhebels durch Drehen ändert; und eine von der Kurbelwelle angetriebene Antriebsvorrichtung für eine Verstellwelle, auf der der Exzenter angeordnet ist, auf. Die Antriebsvorrichtung enthält eine Kopplungseinrichtung mit integrierter Bremsfunktion, mit welcher die Verstellwelle wahlweise mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung bringbar oder blockierbar ist.
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Zudem beschreibt die Druckschrift
DE 10 2007 038 299 A1 ein PLV-Triebwerk, bestehend aus einem klassischen Kurbeltrieb mit Pleuelstange und Kurbelwelle. Dabei ist vorgesehen, dass die klassische Pleuelstangenlänge durch einen Pleuellängenvariator mit vollvariabler Richtungs- und Längenvariation mittels eines Armes verlängert wird, sodass die Pleuelstangenkraft vom oberen Totpunkt a) bei einem PLV-Kurbeltrieb zum Tangentenpunkt, und b) bei einem PLV-Motor zum verlagerten oberen Totpunkt auf dem Kurbelkreis, in die Nähe vor dem Tangentenpunkt gelegt wird. Damit wird ein erheblich größeres Drehmoment auskoppelbar.
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Schließlich beschreibt die Druckschrift
DE 10 2005 020 270 A1 eine Brennkraftmaschine mit in einem Gehäuse angeordneten Zylindern, einer Kurbelwelle und Kolben, die sich in den Zylindern bewegen, sowie eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses eines Brennraums der Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung weist für wenigstens einen Zylinder folgende Elemente auf: Einen Verstellhebel, der direkt oder über Zwischenhebel die Länge der Pleuelstange, den Hub der Kurbelwelle und/oder eine Oberkante der Zylinder in ihrer Lage zur Mitte der Kurbelwelle verändert; einen Exzenter, der im Gehäuse gelagert ist und Lage und/oder Richtung des Verstellhebels durch Drehen verändert; und eine Antriebsvorrichtung für eine Verstellwelle, auf der ein dem wenigstens einen Zylinder zugeordneter Exzenter angeordnet ist. Dabei ist die Antriebsvorrichtung über eine Kupplung mit der Kurbelwelle und über eine Bremseinrichtung mit dem Gehäuse in Wirkverbindung bringbar.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist, sondern insbesondere in weitaus mehr Betriebsbereichen den optimalen Arbeitshub aufweist als bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Exzenterwelle über ein Exzenterwellengetriebe von der Kurbelwelle angetrieben ist, an dem mehrere Übersetzungsverhältnisse einstellbar sind, wobei ein Steuergerät dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein Übersetzungsverhältnis aus den mehreren Übersetzungsverhältnissen auszuwählen und an dem Exzenterwellengetriebe einzustellen. Das Exzenterwellengetriebe ist demnach kein einfaches, lediglich ein einziges Übersetzungsverhältnis bereitstellendes Getriebe. Vielmehr weist es mehrere, insbesondere unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse auf, mit welchen es betreibbar ist. Durch entsprechende Wahl des an dem Exzenterwellengetriebe eingestellten Übersetzungsverhältnisses kann somit die Drehzahl der Exzenterwelle in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle beeinflusst werden. Prinzipiell können die Übersetzungsverhältnisse dabei beliebig gewählt werden. Vorzugsweise werden die Übersetzungsverhältnisse jedoch derart ausgewählt, dass mit möglichst wenigen Übersetzungsverhältnissen in möglichst vielen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine der Arbeitshub optimal ist, sodass die Brennkraftmaschine einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist. Weil das Exzenterwellengetriebe üblicherweise umso schwerer wird und umso mehr Bauraum beansprucht, je mehr Übersetzungsverhältnisse vorgesehen werden, muss es dabei jedoch nicht vorgesehen sein, dass derart viele Übersetzungsverhältnisse vorliegen, das in möglichst vielen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine der optimalen Arbeitshub erzielt wird. Vielmehr wird eine Gewichtung zwischen der Anzahl der Übersetzungsverhältnisse und den damit einhergehenden Nachteilen wie Bauraum und Gewicht des Exzenterwellengetriebes und den erzielbaren Vorteilen für den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durchgeführt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Übersetzungsverhältnisse stufenlos oder in Schaltstufen einstellbar sind. Zu diesem Zweck ist das Exzenterwellengetriebe als stufenloses Getriebe beziehungsweise als diskrete Schaltstufen aufweisendes Getriebe ausgeführt. Unter dem stufenlosen Einstellen ist dabei zu verstehen, dass prinzipiell jedes beliebige Übersetzungsverhältnis einstellbar ist beziehungsweise dass der Übergang zwischen verschiedenen Übersetzungsverhältnissen stufenlos, also stetig beziehungsweise kontinuierlich, erfolgt. Im Gegensatz dazu ist bei dem Schaltstufen aufweisenden Getriebe jeder Schaltstufe ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis zugeordnet, welche insbesondere zueinander unterschiedlich sind. Die Übersetzungsverhältnisse sind somit zueinander diskret.
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Neben dem Übersetzungsverhältnis kann auch eine Phasenlage zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle mittels des Exzenterwellengetriebes einstellbar sein. Beispielsweise ist jedem Übersetzungsverhältnis eine bestimmte Phasenlage zugeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Exzenterwellengetriebe mehrere gleiche Übersetzungsverhältnisse aufweist, die sich jedoch jeweils in ihren Phasenlagen unterscheiden. Auf diese Weise liegen mehrere Schaltstufen vor, denen jeweils eines der Übersetzungsverhältnisse und/oder eine der Phasenlagen zugeordnet sind. Durch entsprechende Wahl der Schaltstufe beziehungsweise durch Einstellen der Schaltstufe an dem Exzenterwellengetriebe kann nun das entsprechende Übersetzungsverhältnis beziehungsweise die entsprechende Phasenlage ausgewählt und somit zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle realisiert werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Exzenterwellengetriebe eine schaltbare Kupplung umfasst, über welche die Exzenterwelle mit der Kurbelwelle wirkverbindbar ist. Mittels der Kupplung kann die Wirkverbindung zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle unterbrochen oder hergestellt werden. Die Kupplung kann dazu ausgebildet sein, entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen zu sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kupplung zumindest einen Zwischenzustand einnehmen kann, in welchem die Exzenterwelle mit der Kurbelwelle unter Schlupf wirkverbunden ist, sodass auch über die Kupplung die Drehzahl der Exzenterwelle im Verhältnis zu der Drehzahl der Kurbelwelle in gewissem Umfang einstellbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann dem Exzenterwellengetriebe auch eine schaltbare Bremse zugeordnet sein. Diese ist insbesondere dazu vorgesehen, die Exzenterwelle zu bremsen, wenn die Exzenterwelle mittels der schaltbaren Kupplung von der Kurbelwelle entkoppelt ist, also keine Wirkverbindung zwischen diesen vorliegt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Exzenterwelle eine der Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzte Drehrichtung aufweist. Bei einer solchen Ausgestaltung kann insbesondere der verlängerte Expansionstakt der Brennkraftmaschine im Vergleich zu dem Ansaugtakt realisiert werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an dem Exzenterwellengetriebe wenigstens eines der Übersetzungsverhältnisse 2:1, 1:1 und 1:2 zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle einstellbar ist. Bei dem Übersetzungsverhältnis von 2:1 dreht sich die Exzenterwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle. Bei dem Übersetzungsverhältnis von 1:1 entspricht die Drehzahl der Exzenterwelle derjenigen der Kurbelwelle und bei dem Übersetzungsverhältnis von 1:2 dreht sich die Exzenterwelle doppelt so schnell wie die Kurbelwelle. Prinzipiell können die Übersetzungsverhältnisse beliebig gewählt werden. Beispielsweise sind Übersetzungsverhältnisse zwischen n:1 und 1:n (mit n = 1, 2, 3, 4, 5 usw.) realisiert. Vorzugsweise sind mehrere der genannten Übersetzungsverhältnisse, insbesondere alle Übersetzungsverhältnisse, zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle einstellbar. Bei dem Übersetzungsverhältnis von 2:1 wird die Brennkraftmaschine in einer Betriebsart betrieben, in welcher der Arbeitshub des Expansionstakts im Vergleich zu dem des Ansaugtakts vergrößert ist. Bei dem Übersetzungsverhältnis von 1:1 entsprechen sich die Arbeitshübe des Expansionstakts und des Ansaugtakts, während bei dem Übersetzungsverhältnis von 1:2 der Arbeitshub, des Ansaugtakts im Vergleich zu dem Arbeitshub des Expansionstakts vergrößert ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Exzenterwellengetriebe ein Radgetriebe, insbesondere ein Stirnradgetriebe, oder ein stufenloses Getriebe, insbesondere ein mechanisches, elektrisches oder hydrodynamisches Getriebe, ist. Bei dem ersterem sind die Übersetzungsverhältnisse üblicherweise in Schaltstufen einstellbar, während sie bei letzterem stufenlos wählbar sind. Liegt das Exzenterwellengetriebe als Radgetriebe vor, weist es die notwendige Anzahl an Zahnrädern auf, um die gewünschte Anzahl der Übersetzungsverhältnisse zu realisieren. Dabei liegen die Zahnräder vorzugsweise als Stirnräder vor, sodass das Radgetriebe als Stirnradgetriebe ausgebildet ist. Das stufenlose Getriebe liegt beispielsweise als mechanisches, elektrisches oder hydrodynamisches Getriebe vor. Das mechanische stufenlose Getriebe ist beispielsweise von zwei axial verschiebbaren Kegelscheibenpaaren und einem zwischen diesen laufenden Zugmittel beziehungsweise Umschlingungsmittel gebildet. Das Umschlingungsmittel kann beispielsweise ein Schubgliederband, ein Keilriemen oder eine Kette, insbesondere eine Laschenkette, sein. Liegt das stufenlose Getriebe als elektrisches Getriebe vor, so besteht es beispielsweise aus einem mit der Kurbelwelle verbundenen Generator und einem an die Exzenterwelle angeschlossenen Motor, wobei der mittels des Generators erzeugte Strom zum Antreiben des Motors verwendet wird. Durch entsprechendes Einstellen der Spannung beziehungsweise der Stromstärke an dem Motor kann schlussendlich das gewünschte Übersetzungsverhältnis zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle bestimmt werden. Schließlich kann das stufenlose Getriebe auch als hydrodynamisches Getriebe vorliegen, bei welchem ein Drehmoment von der mit der Kurbelwelle verbundenen Seite des Getriebes durch strömende Bewegung eines Fluids auf die mit der Exzenterwelle verbundene Seite übertragen wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Phasensteller zwischen der Kurbelwelle und der Exzenterwelle zur Verstellung eines Winkelversatzes zwischen Kurbelwelle und Exzenterwelle vorgesehen ist oder das Exzenterwellengetriebe als Phasensteller dient. Der Phasensteller kann somit als separates Element vorliegen und ist beispielsweise in das Exzenterwellengetriebe integriert. Mittels des Phasenstellers kann der Winkelversatz beziehungsweise die Phasenlage zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle eingestellt werden, wobei eine Veränderung der Phasenlage zwischen einer ersten und einer zweiten Endphasenlage vorgesehen ist. Beispielsweise beträgt die Phasenlagendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Endphasenlage zwischen 0° und 45°, insbesondere zwischen 15° bis 20° und vorzugsweise 17° und 18°. Der separat vorliegende Phasensteller kann beispielsweise über einen hydraulischen oder elektromechanischen Stellantrieb zum Einstellen der Phasenlage verfügen. Alternativ kann jedoch auch das Exzenterwellengetriebe als Phasensteller dienen, beispielsweise indem den Übersetzungsverhältnissen zumindest teilweise unterschiedliche Phasenlagen zugeordnet sind, welche bei Einstellen des entsprechenden Übersetzungsverhältnisses zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle realisiert werden.
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Die Erfindung sieht das Steuergerät vor, das das Exzenterwellengetriebe von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einstellt. Zusätzlich kann das Steuergerät optional den Phasensteller in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einstellen. Wie vorstehend beschrieben, kann es sinnvoll sein, das Übersetzungsverhältnis beziehungsweise die Phasenlage zwischen Exzenterwelle und Kurbelwelle entsprechend dem momentan vorliegenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine auszuwählen. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät vorgesehen, welches beispielsweise Bestandteil eines Motorsteuergeräts der Brennkraftmaschine ist. Dieses Steuergerät bestimmt das einzustellende Übersetzungsverhältnis und - optional - die einzustellende Phasenlage. Anschließend stellt es diese entsprechend an dem Exzenterwellengetriebe beziehungsweise dem Phasensteller ein.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine von der Kurbelwelle über ein Ausgleichswellengetriebe angetriebene Ausgleichswelle vor, die zur wenigstens teilweisen Tilgung von in der Brennkraftmaschine entstehenden Massenkräften zweiter Ordnung ausgebildet ist. Ähnlich wie bei konventionellen Brennkraftmaschinen ohne über einen Mehrgelenkskurbeltrieb mit der Kurbelwelle gekoppelte Exzenterwelle, entstehen auch bei Brennkraftmaschinen mit einem Mehrgelenkskurbeltrieb Massenkräfte erster und zweiter Ordnung, die durch oszillierende Massen hervorgerufen werden und sich mit dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle verändern. Zur Erzielung einer gewünschten Laufruhe und zur Geräuschminderung müssen diese Massenkräfte soweit wie möglich ausgeglichen werden. Während die Massenkräfte erster Ordnung durch Ausgleichsgewichte auf der Kurbelwelle mit einer bestimmten Anordnung und mit einem bestimmten Gewicht sowie einer bestimmten Kurbelwellenkröpfungsfolge ausgeglichen werden können, erfolgt der Ausgleich von Massenkräften zweiter Ordnung häufig mithilfe von zwei gegenläufig rotierenden Ausgleichswellen, die mit der doppelten Drehzahl der; Kurbelwelle angetrieben werden.
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Genauer gesagt werden bei sämtlichen Brennkraftmaschinen durch oszillierende Massen freie Massenkräfte erster und zweiter Ordnung verursacht, die sich mit dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle verändern. Während Massenkräfte erster Ordnung durch die Ausgleichsgewichte auf der Kurbelwelle und die Kurbelwellenkröpfungsfolge ausgeglichen werden können, werden die freien Massenkräfte zweiter Ordnung bei bekannten Brennkraftmaschinen mit Mehrgelenkskurbeltrieb nicht vollständig ausgeglichen. Aus diesem Grund sind derartige Brennkraftmaschinen im Hinblick auf die Laufruhe beziehungsweise Laufkultur Brennkraftmaschinen ohne Mehrgelenkskurbeltrieb unterlegen, bei welchen der Ausgleich von Massenkräften zweiter Ordnung häufig mithilfe der beiden gegenläufig rotierenden Ausgleichswellen erfolgt. Diese Maßnahme lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres auf Brennkraftmaschinen mit Mehrgelenkskurbeltrieb übertragen, da dort zum einen die entstehenden Massenkräfte nicht rein oszillierend, sondern vielmehr rotierend verlaufen, und zum anderen die Reibungsverluste des Mehrgelenkskurbeltriebs bereits an sich höher sind als die Reibungsverluste konventioneller Brennkraftmaschinen und durch die zusätzlichen Reibungsverluste einer zusätzlichen Ausgleichswelle auf ein inakzeptables Maß vergrößert werden. Auch bei derartigen Brennkraftmaschinen kann jedoch durch gezielte Auslegung der Ausgleichswelle ein weitreichender Ausgleich der Massenkräfte erzielt werden.
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Der Mehrgelenkskurbeltrieb ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er eine kreisähnliche Massenkraftschleife zweiter Ordnung aufweist. Diese kann in einen in Kurbelwellendrehrichtung rotierenden und einen dazu gegenläufigen Anteil aufgeteilt werden. Weist der Mehrgelenkskurbeltrieb die kreisähnliche Massenkraftschleife zweiter Ordnung auf, so ist es möglich, mit nur einer Ausgleichswelle, welche mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotiert, zumindest den dominanteren der beiden Teile, nämlich den in Kurbelwellendrehrichtung rotierenden, auszugleichen. Der üblicherweise erheblich kleinere, gegenläufig zur Kurbelwelle rotierende Massenkraftanteil zweiter Ordnung könnte durch eine zweite Ausgleichswelle ebenfalls vollständig ausgeglichen werden. Normalerweise weist er jedoch eine geringere Massenkraftamplitude in der zweiten Ordnung auf als ein mechanischer Ventiltrieb. Von daher kann häufig auf die zweite Ausgleichswelle verzichtet werden. Die Ausgleichswelle soll über das Ausgleichswellengetriebe von der Kurbelwelle angetrieben werden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Ausgleichswelle mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle dreht. Bedingt durch die doppelte Drehzahl können mittels der Ausgleichswelle die Massenkräfte zweiter Ordnung im Wesentlichen getilgt werden. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn die Ausgleichswelle unmittelbar von der Kurbelwelle angetrieben wird, wobei das Ausgleichswellengetriebe dazu dient, die Drehzahlumsetzung von der Drehzahl der Kurbelwelle auf die doppelte der Kurbelwelle zu realisieren. Vorzugsweise weist die Ausgleichswelle dabei dieselbe Drehrichtung auf wie die Kurbelwelle. Gemäß den vorstehenden Ausführungen ist es vorteilhaft, wenn nur eine einzige Ausgleichswelle vorgesehen ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere gemäß, den vorstehenden Ausführungen, wobei die Brennkraftmaschine einen Mehrgelenkskurbeltrieb aufweist, der eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle gelagerten Koppelgliedern und eine Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Exzenterwelle gelagerten Anlenkpleueln umfasst, wobei jedes der Koppelglieder schwenkbar mit einem Kolbenpleuel eines Kolbens der Brennkraftmaschine und einem der Anlenkpleuel verbunden ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Exzenterwelle über ein Exzenterwellengetriebe von der Kurbelwelle angetrieben wird, an dem ein aus mehreren Übersetzungsverhältnissen ausgewähltes Übersetzungsverhältnis eingestellt wird. Schließlich ist ein Steuergerät dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein Übersetzungsverhältnis aus den mehreren Übersetzungsverhältnissen auszuwählen und an dem Exzenterwellengetriebe einzustellen. Das Übersetzungsverhältnis wird demnach aus den mehreren möglichen Übersetzungsverhältnissen bestimmt, vorzugsweise in Abhängigkeit von einem momentan vorliegenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Anschließend wird das ausgewählte Übersetzungsverhältnis an dem Exzenterwellengetriebe eingestellt, sodass zwischen der Exzenterwelle und der Kurbelwelle, das ausgewählte Übersetzungsverhältnis vorliegt. Das Verfahren beziehungsweise die entsprechende Brennkraftmaschine kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass dabei eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Brennkraftmaschine,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Bereichs der in der 1 dargestellten Brennkraftmaschine, und
- 3 eine teilweise geschnittene Stirnseitenansicht des in der 2 dargestellten Ausschnitts.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Brennkraftmaschine 1, welche als Reihenbrennkraftmaschine, genauer als Viertakt-Vierzylinder-Reihenbrennkraftmaschine, vorliegt. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über eine Kurbelwelle 2 und vier Kolben 3, von welchen jeder in einem von vier nicht dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine 1 beweglich gelagert ist. Jeder der vier Kolben 3 ist durch ein Kolbenpleuel 4 mit der Kurbelwelle 2 verbunden. Die Kurbelwelle 2 ist in hier nicht dargestellten Wellenlagern eines ebenfalls nicht dargestellten Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagert und weist fünf zur Lagerung dienende zentrische Wellenzapfen 5 sowie vier Hubzapfen 6 (von welchen in der Figur jeweils nur einer sichtbar ist) auf, deren Längsmittelachsen in unterschiedlichen Winkelausrichtungen parallel zu einer Drehachse 7 der Kurbelwelle 2 versetzt sind.
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Die Brennkraftmaschine 1 umfasst weiter eine Exzenterwelle 8, die eine zur Drehachse 7 der Kurbelwelle 2 parallele Drehachse 9 aufweist. Die Exzenterwelle 8 ist neben der Kurbelwelle 2 sowie etwas unterhalb von dieser im Zylinderkurbelgehäuse drehbar gelagert und über einen Mehrgelenkskurbeltrieb 10 mit der Kurbelwelle 2 gekoppelt. Neben der Kurbelwelle 2 und der Exzenterwelle 8 umfasst der Mehrgelenkskurbeltrieb 10 insgesamt vier Koppelglieder 11, die jeweils auf einem der Hubzapfen 6 der Kurbelwelle 2 drehbar gelagert sind. Jedes der Koppelglieder 11 weist einen Hubarm 12 auf, der über ein Schwenkgelenk 13 schwenkbar mit einem unteren Ende von einem der Kolbenpleuel 4 verbunden ist. Ein oberes Ende des jeweiligen Kolbenpleuels 4 ist über ein weiteres Schwenkgelenk 14 am zugehörigen Kolben 3 angelenkt. Insgesamt ist also jeder der vier Kolben 3 durch den jeweiligen Kolbenpleuel 4 und das jeweilige Koppelglied 11 mit der Kurbelwelle 2 verbunden.
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Der Mehrgelenkskurbeltrieb 10 umfasst weiter eine der Anzahl der Kolbenpleuel 4 und der Koppelglieder 11 entsprechende Anzahl von Anlenkpleueln 15. Diese sind ungefähr parallel zu den Kolbenpleueln 4 ausgerichtet und in axialer Richtung der Kurbelwelle 2 und der Exzenterwelle 8 jeweils in etwa derselben Ebene wie der dazugehörige Kolbenpleuel 4, jedoch auf der entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 2, angeordnet. Jeder Anlenkpleuel 15 umfasst eine Pleuelstange 16 und zwei an entgegengesetzten Enden der Pleuelstange 16 angeordnete Pleuelaugen 17 und 18, insbesondere mit unterschiedlichen inneren Durchmessern. Das größere Pleuelauge 18 jedes Anlenkpleuels 15 am unteren Ende der Pleuelstange 16 umgibt einen in Bezug zur Drehachse 9 der Exzenterwelle 8 exzentrischen Hubzapfen 19 der Exzenterwelle 8, auf dem der Anlenkpleuel 15 mittels eines Drehlagers 20 drehbar gelagert ist. Das kleinere Pleuelauge 17 am oberen Ende der Pleuelstange 16 jedes Anlenkpleuels 15 bildet einen Teil eines Schwenkgelenks 21 zwischen dem Anlenkpleuel 15 und einem längeren Koppelarm 22 des benachbarten Koppelglieds 11, der auf der zum Hubarm 12 entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 2 über diese übersteht.
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Die Exzenterwelle 8 weist zwischen benachbarten exzentrischen Hubzapfen 19 sowie an ihren Stirnenden zur Lagerung der Exzenterwelle 8 in Wellenlagern dienende, zur Drehachse 10 koaxiale Wellenabschnitte 23 auf. Abgesehen von einer variablen Verdichtung kann durch die zuvor beschriebene Anordnung auch die Neigung der Kolbenpleuel 4 in Bezug zur Zylinderachse der zugehörigen Zylinder während der Drehung der Kurbelwelle 2 verringert werden, was zu einer Verringerung der Kolbenseitenkräfte und damit der Reibkräfte zwischen den Kolben 2 und Zylinderwänden der Zylinder führt. Insgesamt kann mit dem hier beschriebenen Mehrgelenkskurbeltrieb 10 ein Arbeitshub der Kolben 3 in Abhängigkeit von einem momentanen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine gewählt werden. Zu diesem Zweck ist die Exzenterwelle 8 über ein hier nicht dargestelltes Exzenterwellengetriebe von der Kurbelwelle 2 angetrieben, wobei an dem Exzenterwellengetriebe mehrere Übersetzungsverhältnisse einstellbar sind. Das Exzenterwellengetriebe kann dabei entweder als diskrete Schaltstufen aufweisendes Getriebe oder aber als stufenloses Getriebe ausgeführt sein. In ersterem Fall sind die Übersetzungsverhältnisse in diskreten Schaltstufen und in letzterem Fall stufenlos einstellbar.
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Die Exzenterwelle 8 weist vorzugsweise eine der Drehrichtung der Kurbelwelle 2 entgegengesetzte Drehrichtung auf. Zwischen der Exzenterwelle 8 und der Kurbelwelle 2 ist üblicherweise wenigstens eines der Übersetzungsverhältnisse 2:1, 1:1 und 1:2 einstellbar. Vorzugsweise sind mehrere, insbesondere alle dieser Übersetzungsverhältnisse an dem Exzenterwellengetriebe einstellbar. Das Einstellen kann dabei durch ein hier nicht dargestelltes Steuergerät erfolgen, welches das Exzenterwellengetriebe in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 einstellt. Dabei wählt das Steuergerät in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt das entsprechende Übersetzungsverhältnis aus einer Vielzahl von Übersetzungsverhältnissen aus und stellt dieses an dem Exzenterwellengetriebe ein, sodass es zwischen der Exzenterwelle 8 und der Kurbelwelle 2 vorliegt.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der anhand der 1 vorgestellten Brennkraftmaschine 1. Die Ausführung der Brennkraftmaschine 1 entspricht der bereits erläuterten, sodass insofern auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
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Die 3 zeigt eine teilweise geschnittene Stirnseitenansicht des aus der 2 bekannten Ausschnitts. Es ist ohne Weiteres erkennbar, dass das abgebildete Koppelglied 11 aus einem Oberteil 24 und einem Unterteil 25 besteht, wobei das Oberteil 24 und das Unterteil 25 entlang einer Trennebene 26 gegeneinander anliegen und jeweils angrenzend an der Trennebene 26 mit einer halbzylindrischen Ausnehmung zur Aufnahme des Hubzapfens 6 sowie von zwei den Hubzapfen 6 umgebenden Lagerschalen eines zwischen dem Hubzapfen 6 und dem Koppelglied angeordneten Gleitlagers 27 versehen sind. Das Oberteil 24 und das Unterteil 25 jedes Koppelglieds 8 werden von zwei Schrauben zusammengehalten. Wie auch bei anderen Brennkraftmaschinen treten bei der hier vorgestellten Brennkraftmaschine 1 durch die oszillierenden Massen der Kolben 3, der Kolbenpleuel 4, der Koppelglieder 11 und der Anlenkpleuel 15 freie Massenkräfte auf, die soweit wie möglich ausgeglichen werden sollten, um die Laufruhe und die Akustik der Brennkraftmaschine 1 zu verbessern.
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Diese freien Massenkräfte umfassen in erster Linie Massenkräfte erster Ordnung und Massenkräfte zweiter Ordnung. Erstere können durch nicht dargestellte Ausgleichsgewichte auf der Kurbelwelle 2 und deren Kröpfungsfolge ausgeglichen werden. Zur Tilgung der Massenkräfte zweiter Ordnung dient eine mit hier nicht dargestellten Ausgleichsgewichten versehene Ausgleichswelle 28. Diese ist beispielsweise oberhalb und seitlich versetzt zu der Kurbelwelle 2 im Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagert und wird von der Kurbelwelle 2 über ein nicht dargestelltes Ausgleichswellengetriebe mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle 2 und mit einer der Drehrichtung der Kurbelwelle 2 entsprechenden Drehrichtung angetrieben. Insbesondere ist in der Brennkraftmaschine 1 lediglich eine einzige Ausgleichswelle 28 vorgesehen. Diese ist dabei zur wenigstens teilweisen Tilgung von in der Brennkraftmaschine 1 entstehenden Massenkräften zweiter Ordnung ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Kolben
- 4
- Kolbenpleuel
- 5
- Wellenzapfen
- 6
- Hubzapfen
- 7
- Drehachse
- 8
- Exzenterwelle
- 9
- Drehachse
- 10
- Mehrgelenkskurbeltrieb
- 11
- Koppelglied
- 12
- Hubarm
- 13
- Schwenkgelenk
- 14
- Schwenkgelenk
- 15
- Anlenkpleuel
- 16
- Pleuelstange
- 17
- Pleuelauge
- 18
- Pleuelauge
- 19
- Hubzapfen
- 20
- Drehlager
- 21
- Schwenkgelenk
- 22
- Koppelarm
- 23
- Wellenabschnitt
- 24
- Oberteil
- 25
- Unterteil
- 26
- Trennebene
- 27
- Gleitlager
- 28
- Ausgleichswelle