DE102013003813A1

DE102013003813A1 - Verbrennungsmotor mit einem Exzenterverstellantrieb einer Kurbelwelle für eine variable Verdichtung

Info

Publication number: DE102013003813A1
Application number: DE201310003813
Authority: DE
Inventors: Paul Breidenbach; Carsten Tauscher; Elke Redante
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2014-09-04

Abstract

Die vorliegende Beschreibung offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis, der ein Motorgehäuse mit wenigstens einem Verbrennungszylinder mit einer Verbrennungszylinder-Symmetrieachse aufweist, sowie eine Kurbelwelle, die ein erstes Kurbelwellenende mit einem Abtriebs-Stirnrad aufweist, und einen Exzenterverstellantrieb für die Kurbelwelle zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors. Der Exzenterverstellantrieb weist wenigstens zwei Exzenterlagerkörper auf, die in Exzenterlagersitzen des Motorgehäuses um eine äußere Symmetrieachse drehbar gelagert sind und die jeweils einen Kurbelwellenlagersitz mit einem Kurbelwellenlager aufweisen, in dem die Kurbelwelle um eine Kurbelwellen-Symmetrieachse drehbar gelagert ist. Ein Kurbelwellenadapter mit einem am Motorgehäuse gelagerten Abtriebs-Hohlrad kämmt mit dem Abtriebs-Stirnrad kämmt, wobei eine Symmetrieachse des Abtriebs-Hohlrads und die äußere Symmetrieachse miteinander fluchten. Die äußere Symmetrieachse ist um einen vorbestimmten seitlichen Versatz zu einer zu der äußeren Symmetrieachse parallelen Zylinderebene durch die Verbrennungszylinder-Symmetrieachse versetzt angeordnet, wobei ein seitlicher Versatz der Kurbelwellen-Symmetrieachse von der Zylinderebene abnimmt, wenn die Kurbelwelle von einer unteren Position in eine obere Position bewegt wird.

Description

Es wird ein Verbrennungsmotor mit einem Exzenterverstellantrieb einer Kurbelwelle für eine variable Verdichtung beschrieben. Dieser Verstellantrieb wird im Folgenden auch als Exzenterausgleichsantrieb bezeichnet.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 025 853 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung nach dem Prinzip der veränderbaren Lage der Kurbelwelle bekannt. Die veränderbare Lage der Kurbelwelle wird durch einen Exzenterausgleichsantrieb eingestellt. Der bekannte Verbrennungsmotor weist mindestens eine Kolbenzylindereinheit, eine Steuereinheit für Ventile der mindestens einen Kolbenzylindereinheit, eine Kurbelwelle, eine Abtriebswelle und mindestens eine erste die Kurbelwelle und die Abtriebswelle verbindende Momentübertragungseinrichtung auf, wobei die Kurbelwelle gegenüber der Abtriebswelle verlagerbar ausgebildet ist.
Weiterhin ist aus der US 7 631 620 ein Verbrennungsmotor mit verstellbarer Kurbelwelle bekannt, bei dem die verstellbare Kurbelwelle mit einem Abriebs-Hohlrad kämmt.
Eine Drehmomentübertragungseinrichtung kann gemäß dem obigen Stand der Technik an einander gegenüberliegenden Enden der Kurbelwelle angeordnet sein. Außerdem kann gemäß dem obigen Stand der Technik der Steuerantrieb eine Steuerkette aufweisen. Darüber hinaus ist es im Stand der Technik vorgesehen, dass für bestimmte Betriebsbereiche des Motors die Exzentrizität der Kurbelwelle auf einen Wert nahe Null einstellbar ist.
Von diesem Stand der Technik ausgehend, ergibt sich ein Bedarf, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der einen raumsparenden Übergang von der Exzentrizität der Kurbelwelle zu einer Zentrumsachse für alle einstellbaren Positionen der Exzentrizität der Kurbelwelle schafft.
In diesem Zusammenhang wird unter Zentrumsachse das Zentrum der Exzentrizität der Kurbelwelle verstanden, so dass nach dem Übergang zu der Zentrumsachse Verbrennungsmotoraggregate wie Nockenwelle, Ölpumpe und andere von dem Außenumgang eines Übergangselementes angetrieben werden können.
Aufgabe des Gegenstands der vorliegenden Patentansprüche ist es, einen Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung zu schaffen, wobei ein Exzenterausgleichsantrieb einer Kurbelwelle einen vorbestimmten horizontalen Versatz der Zentrumsachse zu einer Zylinderachse aufweist. Dieser vorbestimmte horizontale Versatz kann unter anderem eine verminderte Zylinderreibung bewirken.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Beschreibung wird ein Verbrennungsmotor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis offenbart, der ein Motorgehäuse mit wenigstens einem Verbrennungszylinder mit einer Verbrennungszylinder-Symmetrieachse aufweist, sowie eine Kurbelwelle, die ein erstes Kurbelwellenende mit einem Abtriebs-Stirnrad aufweist, und einen Exzenterverstellantrieb für die Kurbelwelle zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors. Durch den Exzenterverstellantrieb kann durch Verdrehen der exzentrischen Lagerelemente dem Motor- bzw. Kurbelwellengehäuse die Verdichtung variiert werden, in dem durch die Verlagerung der Kurbelwelle eine Verschiebung der Lage eines oberen Totpunktes einer Zylinderbewegung bewirkt wird. Die Verdichtung wird zum Beispiel durch das Verdichtungsverhältnis beschrieben, das das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung angibt. Die Höhendifferenz der Kurbelwelle kann insbesondere so gewählt sein, dass eine Höhndifferenz des oberen Totpunktes ungefähr 7 mm beträgt, so dass das Verdichtungsverhältnis zwischen 7 und 14 variiert.
Der Exzenterverstellantrieb weist wenigstens zwei Exzenterlagerkörper auf, die in Exzenterlagersitzen des Motorgehäuses um eine äußere Symmetrieachse drehbar gelagert sind und die jeweils einen Kurbelwellenlagersitz mit einem Kurbelwellenlager aufweisen, in dem die Kurbelwelle um eine Kurbelwellen-Symmetrieachse drehbar gelagert ist, so dass eine Kurbelwellenachse der Kurbelwelle durch Verdrehen der Exzenterlagerkörper um die äußere Symmetrieachse rotierbar ist. Die äußere Symmetrieachse der Exzenterlager, die im Folgenden auch als Zentrumsachse bezeichnet wird, ist parallel zu der Kurbelwellen-Symmetrieachse angeordnet.
Ein Abtriebs-Hohlrad eines Kurbelwellenadapters kämmt mit dem Abtriebs-Stirnrad, wobei eine Symmetrieachse des Abtriebs-Hohlrads und die äußere Symmetrieachse miteinander fluchten. Die äußere Symmetrieachse ist um einen vorbestimmten seitlichen Versatz zu einer zu der äußeren Symmetrieachse parallelen Zylinderebene durch die Verbrennungszylinder-Symmetrieachse versetzt angeordnet, wobei ein seitlicher Versatz der Kurbelwellen-Symmetrieachse von der Zylinderebene abnimmt, wenn die Kurbelwelle von einer unteren Position in eine obere Position bewegt wird.
Hierbei ist die die Kurbelwelle in der oberen Position der Kurbelwelle näher zu dem bzw. den Zylinderköpfen ist als in der unteren Position der Kurbelwelle. Eine Zylinderebene, die parallel zur Kurbelwellensymmetrieachse verläuft, ist bei einem Linearmotor durch die Richtung der Zylinderbohrungen bzw. die Bewegung der Zylinderkolben definiert. Wenn die Zylinderbohrungen geringfügig gegeneinander geneigt sind, ist eine Zylinderebene durch einen Mittelwert der Richtungen der Zylinderbohrungen definiert. In der unteren Position der Kurbelwelle liegt ein Eingriffsbereich zwischen dem Abtriebs-Stirnrad und dem Abtriebs-Hohlrad in einer unteren Hälfte des Abtriebs Hohlrads und vorzugsweise in einem unteren Bereich des Abtriebs Hohlrads, der beispielsweise in einem Bereich von plus oder minus 5 Grad vom tiefsten Punkt des Abtriebs Hohlrads liegen kann.
Der oben genannte seitliche Versatz kann beispielsweise so verwirklicht werden, dass die äußere Symmetrieachse der Exzenterlager in Blickrichtung vom Kurbelwelladapter aus relativ zur Zylinderebene nach links verschoben ist, wenn eine Bewegung der Kurbelwelle von der unteren zur oberen Position in der Blickrichtung gegen den Uhrzeigersinn erfolgt. Er kann aber auch so verwirklicht werden dass die äußere Symmetrieachse der Exzenterlager in Blickrichtung vom Kurbelwelladapter aus relativ zur Zylinderebene nach rechts verschoben ist, wenn eine Bewegung der Kurbelwelle von der unteren zur oberen Position in der Blickrichtung im Uhrzeigersinn erfolgt.
Dieser erste Aspekt einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Beschreibung hat den Vorteil, dass die exzentrische Lagerung der Kurbelwelle in Kombination mit dem Versatz der Zentrumsachse der Exzentrizität bei hoher Motorlast eine verminderte Kolbenreibung verursacht. Bei geringerer Motorlast und höherer Drehzahl ist ein verminderter Versatz günstiger.
Da bei hoher Motorlast auch ein kleineres Verdichtungsverhältnis angestrebt wird, kann der Wirkungsgrad des Motors in vorteilhafter Weise verbessert werden. Außerdem werden die Reibungsverluste des Kolbens an den Wänden der Zylinderbohrungen verringert. Insbesondere kann die Zentrumsachse einen seitlichen Versatz im Bereich zwischen 6 mm ≤ V ≤ 16 mm bei der exzentrischen Lagerung aufweisen.
Durch diese Anordnung der Exzenterlager gemäß der vorliegenden Beschreibung kann eine Schrägstellung einer Pleuelstange gegenüber der Zylinderebene in einem oberen Totpunkt in der oberen Position der Kurbelwelle, die ein höheres Verdichtungsverhältnis bewirkt, verringert werden. Eine Schrägstellung der Pleuelstange kann zu erhöhter Reibung oder zu einseitiger Reibung führen. Diese Reibung wirkt sich insbesondere bei hohen Drehzahlen aus, die vor allem bei niedriger Motorlast und hohem Verdichtungsverhältnis auftreten.
Eine Drehrichtung der Kurbelwelle um die Kurbelwellensymmetrieachse kann insbesondere entgegengesetzt zur Drehrichtung der Kurbelwellensymmetrieachse von der unteren zur oberen Position gewählt sein, so dass das Abtriebs-Stirnrad bei der Verlagerung der Kurbelwelle von der unteren in die oberen Position auf dem Abtriebs-Hohlrad des Kurbelwellenadapters abrollt.
Im Folgenden wird das Abtriebs-Stirnrad auch als Abtriebszahnrad mit Außenverzahnung bzw. Außenzahnkranz bezeichnet und das Abtriebs-Hohlrad wird auch als Innenverzahnung bzw. Innenzahnkranz des Kurbelwellenadapters bezeichnet. Die Kurbelwellen-Symmetrieachse wird auch als Kurbelwellenachse bezeichnet.
Insbesondere kann bei niedrigem Verdichtungsverhältnis und erhöhter Motorlast der Exzenter in seiner untersten Position stehen. Um ein höheres Verdichtungsverhältnis bei verringerter Motorlast einzustellen, wird der Exzenter derart verdreht, dass gleichzeitig der Versatz der Kurbelwellenachse gegenüber den Zylinderachsen kleiner wird.
Des Weiteren kann durch eine Verlagerung der Kurbelwelle eine gewünschte Phasenverschiebung zwischen einer Nockenwelle und der Kurbelwelle erzielt werden. Zum Beispiel können durch eine Zündung nach dem oberen Totpunkt eine tiefere Arbeitstemperatur und geringere Stickoxidemissionen erreicht werden. Eine negative Phasenverschiebung kann bei niedriger Verdichtung, niedrigen Drehzahlen und hoher Last bzw. Drehmoment günstig sein, weil dann Einlassventile früher öffnen und daher eine bessere Füllung des Zylinders mit Brenngas ermöglichen. Bei hoher Verdichtung, hohen Drehzahlen und kleiner Last bzw. Drehmoment, kann eine positive Phasenverschiebung günstig sein, weil dann der Motor mit weniger Füllung des Verbrennungszylinders mit Brenngas betrieben werden kann. Dementsprechend können die Einlassventile später öffnen. Eine Spülung mit länger geöffneten Auslassventilen ist dann ebenfalls günstig.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass in dem Kurbelwellengehäuse eine Antriebswelle eines Exzenterausgleichsantriebs angeordnet ist, auf der gleichartige Zahnräder angeordnet sind, die mit Teilzahnkränzen der exzentrischen Lagerelemente in Eingriff stehen, wobei diese Teilzahnkränze in einem Kreissegment von bis zu 80° wirksam sind und somit den Exzenter um bis zu 80° um die Zentrumsachse verdrehen können. Außerdem können die Teilzahnkränze der exzentrischen Lagerelemente miteinander starr verbunden sein, so dass die exzentrischen Lagerelemente nur synchron und gemeinsam durch mindestens ein Zahnrad, das mit einem der Teilzahnkränze in Eingriff steht, verstellt werden können.
In einem anderen Ausführungsbeispiel können Teilzahnkränze mit einem Winkel von bis zu 90° vorgesehen sein, die eine Verdrehung der Kurbelwelle um bis zu 90° erlauben. In diesem Fall ist der maximale seitliche Versatz der Kurbelwellenachse im Wesentlichen gleich der Summe aus dem seitlichen Versatz der äußeren Symmetrieachse und dem Exzentrizätsabstand der Exzenterlager. Hierzu können Anschlagelemente vorgesehen sein, die einen Verdrehwinkel der Exzenterlagerkörper zwischen der unteren Position der Kurbelwelle und der oberen Position der Kurbelwelle begrenzen. Mit dieser Gestaltung zuzüglich richtiger Orientierung kann man sicherstellen, dass ein seitlicher Abstand der Kurbelwellen-Symmetrieachse von der Zylinderebene stets zunimmt, wenn die Kurbelwelle von einer untersten Position in eine oberste Position bewegt wird.
An die Antriebswelle kann ein Schrittmotor angeschlossen sein, der die Verdichtung zwischen einem minimalen und einem maximalen Verdichtungsverhältnis schrittweise unter Einhaltung einer Vorgabe variiert, wobei die Zentrumsachse bei minimaler Verdichtung einen maximalen seitlichen Versatz und bei maximaler Verdichtung einen minimalen seitlichen Versatz aufweist.
Weiterhin ist er vorgesehen, dass an mindestens einem Kurbelwellenende der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle ein zur Zentrumsachse zentrierter Außenumfang eines Übergangselementes in Form eines Kurbelwellenadapters angeordnet ist. Dieser zentrierte Außenumfang steht mit Antriebselementen von Verbrennungsmotoraggregaten in Eingriff, wobei in dem Kurbelwellenadapter lediglich ein Kämmen von einem Außenzahnkranz eines Kurbelwellenendes in einem Innenzahnkranz des Kurbelwellenadapters erforderlich ist, um einen zuverlässigen Übergang von der Exzentrizität der Kurbelwelle zu einer Zentrierung des Übergangselementes in Form eines Kurbelwellenadapters zu schaffen.
Der Kurbelwellenadapter ist in einer weiteren Ausführungsform zwischen dem Kurbelwellengehäuse und einem Getriebe angeordnet, womit der Vorteil einer großen Kompaktheit des Verbrennungsmotors verbunden ist. Dazu kann der Kurbelwellenadapter in ein Schwungrad einer Getriebekupplung koaxial integriert sein.
Mit dem Außenumfang des Kurbelwellenadapters als Übergang zwischen der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle zu einer Zentrizität eines Abtriebs können somit die unterschiedlichsten Verbrennungsmotoraggerate in Eingriff stehen. Insbesondere kann auf dem Außenumfang des Kurbelwellenadapters bereits eine Schwungscheibe eines Getriebes aufgeschrumpft sein, was sich als besonders raumsparend auswirkt.
Bei Verdrehung der exzentrischen Lagerung wälzt die Verzahnung des Abtriebs Stirnrads auf der Verzahnung des Abtriebs-Hohlrads ab und somit kommt es zu einer Steuerzeiten-Verstellung, wenn eine Nockenwelle an das Abtriebs-Hohlrad angeschlossen ist. Gemäß der vorliegenden Beschreibung kann diese Phasenverschiebung, wie weiter oben bereits erwähnt wurde, in vorteilhafter Weise eingestellt werden.
Gemäß einen Ausführungsbeispiel ist der Kurbelwellenadapter mechanisch mit einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei der Eingriffsbereich der Außenverzahnung des Abtriebs-Stirnrads mit der Innenverzahnung des Abtriebs-Hohlrads so gewählt ist, dass die Phasenverschiebung der Rotation der Nockenwelle relativ zu der Rotation der Kurbelwelle in einer oberen Position der Kurbelwellen-Symmetrieachse größer ist als in einer unteren Position der Kurbelwellen-Symmetrieachse.
Insbesondere kann ein Übersetzungsverhältnis von Abtriebs-Hohlrad zu Abtriebs-Stirnrad so gewählt sein, dass eine vorbestimmte Phasenverschiebung zwischen einer Rotation der Kurbelwelle und einer Nockenwelle erzeugt wird, die mechanisch mit dem Abtriebs-Hohlrad in Verbindung steht.
Sollen weitere Verbrennungsmotoraggregate mit dem Außenumfang des Kurbelwellenadapters in Eingriff gebracht werden, so ist in einer weiteren Ausführungsform ein Außenzahnkranz auf dem Außenumfang des Kurbelwellenadapters fixiert. Dieser Außenzahnkranz kann in einer weiteren Ausführungsform zum Ansteuern mindestens einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors mit einer Außenverzahnung eines Kettenzahnrades kämmen, wobei ein Zugmittel wie zum Beispiel eine Kette oder ein Zahnriemen mit dem Kettenzahnrad und mit mindestens einem Antriebszahnrad der Nockenwelle in Eingriff steht.
Das Kettenrad weist dazu auf einer Drehachse den Außenzahnkranz und einen Kettenzahnkranz auf. Mit dem Kettenzahnkranz kann eine Kette in Eingriff stehen, deren Kettenglieder mit einem entsprechenden Antriebskettenrad mindestens einer Nockenwelle in Eingriff stehen. Das Kettenrad weist dazu zwei auf einer gemeinsamen Achse angeordnete Zahnkränze auf, nämlich den Außenzahnkranz, der mit dem Außenzahnkranz auf dem Außenumfang des Kurbelwellenadapters kämmt und einen Kettenzahnkranz, der mit der Kette in Eingriff steht.
An den Außenzahnkranz des Außenumfangs des Kurbelwellenadapters können weitere Zwischenzahnräder angeordnet werden, wobei eines der Zwischenzahnräder mit einem Zahnkranz eines Ölpumpenantriebszahnrads in Eingriff steht und damit eine hängende Ölpumpe des Verbrennungsmotors antreiben kann. Alternativ kann in einer weiteren Ausführungsform auf dem Außenumfang des Kurbelwellenadapters ein Keilriemenscheibenring als Abtrieb fixiert sein, der beispielsweise eine Zahnkeilriemenführung aufweist und mehrere Antriebskeilriemenscheiben von entsprechenden Verbrennungsmotoraggregaten antreibt.
Andererseits ist es auch möglich, dass das erste Kurbelwellenende lediglich mit dem Außenzahnkranz auf dem Außenumfang des Kurbelwellenadapters versehen ist und an einem zweiten Kurbelwellenende eine Keilriemenscheibe angeordnet ist. Dabei muss deren Drehachse nicht auf eine Zentrumsachse der Exzentrizität der Kurbelwelle ausgerichtet sein, sondern kann mit der Achse der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle in Verbindung stehen, indem die Keilriemenscheibe auf dem zweiten Kurbelwellenende fixiert ist. Die durch die Exzentrizitätspositionen einer derartigen Riemenscheibe erforderliche Korrektur der Keilriemenvorspannung kann mithilfe einer Keilriemenspannvorrichtung automatisch ausgeglichen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Abtriebssystem für einen Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung und exzentrisch gelagerter Kurbelwelle geschaffen. Dabei ist auf einem ersten Kurbelwellenende ein Abtriebszahnrad mit Außenzahnkranz angeordnet, der mit einem Innenzahnkranz eines Kurbelwellenadapters kämmt. Die Achse des Kurbelwellenadapters ist fluchtend zu einer Zentrumssachse der exzentrisch gelagerter Kurbelwelle ausgerichtet, wobei der Kurbelwellenadapter als Drehmomentübertrager mit Antriebselementen von Motoraggregaten eines Verbrennungsmotors in Eingriff steht.
Ein derartiges Abtriebssystem weist die bereits oben erwähnten Vorteile auf, die im Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor erörtert wurden, so dass an dieser Stelle auf Wiederholungen verzichtet wird.
Für ein derartiges Abtriebssystem ist es vorgesehen, dass der Kurbelwellenadapter einen Außenzahnkranz aufweist, der mit einem Außenzahnkranz eines Kettenrades kämmt, wobei eine Kette des Kettenrades mit einem Antriebselement mindestens einer Nockenwelle in Eingriff steht. Dabei ist der Kurbelwellenadapter koaxial zur Eingangsachse eines Getriebes ausgerichtet.
Außerdem kann ein Zwischenzahnrad, das mit einem Ölpumpenantriebszahnrad in Eingriff steht, mit dem Außenzahnkranz des Kurbelwellenadapter kämmen. Ferner ist für dieses Abtriebssystem vorgesehen, dass ein zweites Kurbelwellenende der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle eine Keilriemenscheibe trägt. Dabei ist die Exzentrizität der Kurbelwelle beim Ändern der Verdichtung des Verbrennungsmotors durch eine Keilriemenspannvorrichtung automatisch ausgleichbar.
Ein Abtriebssystem des Verbrennungsmotors mit exzentrisch gelagerter Kurbelwelle, das auf beiden Enden der Kurbelwelle einen Kurbelwellenadapter aufweist, kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen werden.
Des Weiteren offenbart die Anmeldung einen Antriebsstrang mit einem Getriebe und dem oben genannten Verbrennungsmotor, wobei eine Eingangsachse des Antriebsstrangs mechanisch mit einer Eingangsachse des Getriebes verbunden ist, und wobei die Eingangsachse des Antriebsstrangs konzentrisch zu der Symmetrieachse des Kurbelwellenadapters angeordnet und mechanisch mit dem Kurbelwellenadapter verbunden ist, sowie ein Kraftfahrzeug mit diesem Antriebsstrang, wobei mindestens ein Rad des Kraftfahrzeugs mit einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs verbunden ist.
Der Gegenstand der vorliegenden Beschreibung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt mit den 1A, 1B und 1C Prinzipskizzen eines Details eines Verbrennungsmotors mit exzentrisch angeordneter Kurbelwelle bei einem zusätzlichen Versatz einer Zentrumsachse in Bezug auf Zylinderachsen des Verbrennungsmotors;
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer exzentrisch gelagerten Kurbelwelle mit Antriebswelle für exzentrische Lagerelemente;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Abtriebssystem gemäß einer Ausführungsform;
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit Zylinderblock und Kurbelwellengehäuse sowie angebrachter Abtriebsvorrichtung;
5 zeigt eine Seitenansicht des Abtriebssystems gemäß 3.
1 zeigt mit der 1A einen schematischen Querschnitt eines Details eines Verbrennungsmotors mit exzentrisch angeordneter Kurbelwelle 3 am Beispiel eines Pleuellagers 45, das zwischen zwei exzentrischen Lagerelementen 4 und 5 zur Lagerung eines in den 1B und 1C gezeigten Pleuelstange 46 angeordnet ist. Die Lagerelemente 4 und 5 sind in einem nicht gezeigten Kurbelwellengehäuse angeordnet und weisen eine Zentrumsachse 14 auf. Gegenüber dieser Zentrumsachse 14 ist in dem in 1A gezeigten Zustand der Exzentrizität die Kurbelwellenachse 19 nach unten versetzt, so dass in dieser Stellung die Verdichtung im Zylinderkopf einen minimalen Wert erreicht, da die Kurbelwellenachse 19 in einer unteren Position der exzentrischen Lagerung angeordnet ist.
Ein erstes Kurbelwellenende 12 ragt über die Lagerelemente 4 und 5 aus dem Kurbelwellengehäuse heraus und weist ein Abtriebszahnrad 10 mit einem Außenzahnkranz 11 auf, der mit der Kurbelwelle 3 um die Kurbelwellenachse 19 rotiert. Zum Ausgleich der Exzentrizität der Kurbelwelle 3 steht der Außenzahnkranz 11 des Kurbelwellenendes 12 mit einem Innenzahnkranz 13 eines Kurbelwellenadapters 15 in Eingriff. Dieser Kurbelwellenadapter 15 weist einen Außenumfang 16 auf, der gegenüber der Zentrumsachse 14 zentriert gelagert ist, so dass dieser Außenumfang 16 des Kurbelwellenadapters 15 mit weiteren Verbrennungsmotoraggregaten in Eingriff bringbar ist.
Zusätzlich zu dem Versatz der Kurbelwellenachse 19 gegenüber der Zentrumsachse 14 weist die Zentrumsachse 14, wie in 1B und 1C gezeigt, einen seitlichen Versatz 49 gegenüber einer Zylinderachse 39 auf, die beispielsweise bei einem Reihenmotor zusammen mit anderen Zylinderachsen 39 in einer Zylinderachsenebene liegt, zu der die Zentrumsachse 14 parallel und um den Versatz 40 versetzt angeordnet ist. Wie das Schnittbild A-A in 1B zeigt, ist in diesem Ausführungsbeispiel der Versatz 40 der Kurbelwellenachse 19 gegenüber der Zylinderachsenebene 39 in der untersten Position der Kurbelwelle 3 gleich dem seitlichen Versatz 49 der Zentrumsachse 14 zur Zylinderachsenebene 39.
Der Verbrennungsmotor 1 ist so angetrieben, dass eine Kurbellwellendrehrichtung 56 der Kurbelwelle 3 um die Kurbelwellen-Symmetrieachse 19 in der in 1 eingezeichneten Blickrichtung gesehen im Uhrzeigersinn ist. Somit ist die Kurbelwellendrehrichtung 56, die unterhalb von 1B angedeutet ist, in diesem Ausführungsbeispiel entgegengesetzt zur Verstellrichtung C der Kurbelwelle von einer unteren in eine obere Position.
In der untersten Position der Kurbelwelle 3 ist ein oberer Totpunkt der Zylinderbewegung ebenfalls in einer untersten Position, so dass die Verdichtung minimal wird. Das heißt bei minimaler Verdichtung wird der maximale Versatz der Zentrumsachse 14 für die Kurbelwellenachse 19 erreicht. Werden nun die exzentrischen Lagerelemente 4 und 5 gleichsinnig in Pfeilrichtung C um einen Winkel α verstellt, wandert die Kurbelwellenachse 19 auf dem Exzenterkreis 47 in Pfeilrichtung C um den Exzenterwinkel α in eine Position mit vermindertem Versatz 40, wie es die nachfolgende 1C zeigt.
Eine Verstellung der Kurbelwellenposition von Position von 1C in die unterste Position von 1B um den Winkel α ist in 1B und 1C durch einen Pfeil D angezeigt.
Die Verstellung der Kurbelwellenposition kann insbesondere aufgrund eines Signals von einer Motorsteuerung erfolgen, die auch als ”Engine Control Unit” (ECU) bezeichnet wird, und die eine Berechnungseinheit zur Berechnung eines Verdichtungsverhältnisses aufweist. Hierzu können zum Beispiel Abhängigkeiten zwischen Motorparametern wie beispielsweise Drosselklappenöffnung, Drehzahl oder Motordrehmoment und dem Verdichtungsverhältnis als Funktionswerte in einem Speicherbaustein der Motorsteuerung abgelegt sein.
Der Exzenterwinkel α ist bei der exzentrischen Lagerung von Kurbelwellen 3 auf maximal 80° begrenzt, wobei in 1C eine Exzentrizität gegenüber der Ausgangslage in 1B um 70° verändert ist. Dabei erreicht der seitliche Versatz der Kurbelwellenachse 19 gegenüber der Zylinderachse 39 in der untersten Position der Kurbelwelle 3 ein Minimum, während die Verdichtung ein Maximum erreicht. Die Kombination der Einstellung 4 des Versatzes der Zentrumsachse 14 mit dem durch Exzentrizität erzeugten Versatz der Kurbelwelle 19 ist damit in dieser Ausführungsform durch einen maximalen Versatz bei minimaler Verdichtung und durch einen minimalen Versatz bei maximaler Verdichtung gekennzeichnet.
Dieses hat den oben bereits beschriebenen Vorteil einer Verminderung der Reibungsverluste zwischen Zylinderkolben und Zylinderbohrung in der untersten Position der Kurbelwelle 3.
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer exzentrisch gelagerten Kurbelwelle 3 mit einer Antriebswelle 29 für die Einstellung eines Exzenterwinkels mithilfe der Lagerelemente 4, 5, 6 und 7. Dazu weist die Antriebswelle 29, die mit einem Exzentermotor 48 verbunden ist, gleichartige Zahnräder 31, 32, 33 und 34 mit Außenverzahnungen auf, deren Außenverzahnungen mit Teilzahnkränzen 35, 36, 37 und 38 kämmen, die mit den exzentrischen Lagerelementen 4 bis 7 verbunden sind. Außerdem sind für eine gleichförmige Stellung der Lagerelemente 4 bis 7 die Teilzahnkränze 35 bis 38 über Verbindungsbügel 51, 52, 53 und 54 starr verbunden.
Während das erste Ende 12 der Kurbelwelle mechanisch mit einem Kurbelwellenadapter 15 verbunden ist, der einen zentrierten Außenumfang 16 besitzt und somit über Zwischenzahnräder 24 oder über Außenzahnkränze 22 von Außenzahnrädern verfügt, ist ein derartiger Kurbelwellenadapter an einem zweiten Kurbelwellenende 27 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 nicht vorgesehen. Hier kann eine einfache Keilriemenscheibe die Übertragung der Kurbelwellenumdrehungen und der Drehmomente auf entsprechende Verbrennungsmotoraggregate verteilen. Dabei wird die Exzentrizität der Kurbelwelle 3 und somit der Keilriemenscheibe durch entsprechende Keilriemenscheibenvorspannungsvorrichtungen ausgeglichen.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Abtriebsvorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform. Dazu wird wiederum ein Teilbereich eines Verbrennungsmotors im Querschnitt gezeigt, der bereits in 1A erörtert wurde, wobei ein Pleuellager 45 zwischen zwei exzentrischen Lagerelementen 4 und 5 einer Kurbelwelle 3 angeordnet ist. In 3 ist auch das erste Ende 12 der Kurbelwelle 3 mit einem Außenzahnkranz 11 zu sehen, der mit einem Innenzahnkranz 13 kämmt, welcher in dem Kurbelwellenadapter 15 angeordnet ist.
Der Kurbelwellenadapter 15 weist auf seinem Außenumfang 16 einen Außenzahnkranz 21 auf, der in 3 mit einem Außenkranz 22 eines Kettenrades 25 kämmt. Das Kettenrad 25 hat neben oder an dem Außenzahnkranz 22 einen Kettenzahnkranz 55 und steht mit einer Kette 23 in Eingriff, die wiederum mindestens mit einem nicht gezeigten Antriebszahnrad einer Nockenwelle in Eingriff steht.
Im unteren Bereich der 3 kämmt der Außenzahnkranz 21 mit einem Zwischenzahnrad 24, das seinerseits mit einem Ölpumpenantriebszahnrad 26 in Eingriff steht und eine hängende Ölpumpe 30 antreibt.
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors 1 mit einem Zylinderblock 8 und Kurbelwellengehäuse 9. Der Zylinderblock 8 weist vier Zylinderbohrungen 41 bis 44 mit ihren Zylinderachsen 39 auf. Auf dem hier gezeigten ersten Ende 12 der Kurbelwelle 3 ist ein Kurbelwellenadapter 15 angeordnet, der einen Außenzahnkranz 21 aufweist. Die Außenverzahnung kämmt mit einem Zwischenzahnrad 24, das seinerseits mit einem Ölpumpenantriebszahnrad 26 in Eingriff steht, welches eine hängende Ölpumpe 30 antreibt. Nach oben kämmt der Außenzahnkranz 21 mit einem Außenzahnkranz 22 des Kettenrades 25, das mit einer Kette in Eingriff steht, die hier in 4 nicht gezeigt wird und das Drehmoment des Kettenrades 25 auf mindestens eine Nockenwelle überträgt.
5 zeigt eine Seitenansicht der Abtriebsvorrichtung 20 gemäß 3. Das Zentrum dieses Abtriebssystems bildet der Kurbelwellenadapter 15, in den ein Kurbelwellenende 12 mit einem Außenzahnkranz 11 hineinragt, wobei die Kurbelwelle 3 in einer Kurbelwellenachse 19 rotiert. Diese Kurbelwellenachse 19 kann mithilfe exzentrischer Lagerelemente derart verschoben werden, dass sich variable Verdichtungen im Zylinderkopf ergeben. Dabei können die exzentrischen Lagerelemente der Kurbelwelle 3 um eine Zentrumsachse 14 gedreht werden.
Zur Kompensation der Exzentrizität der Kurbelwelle rotiert der Außenzahnkranz 11 des Kurbelwellenendes 12 in einer Innenverzahnung 13 des Kurbelwellenadapters 15 um eine Zentrumsachse 14. Diese Zentrumsachse 14 kann, wie die 1A, 1B und 1C zeigen, parallel und versetzt zu einer Ebene der Zylinderachsen des Verbrennungsmotors angeordnet sein.
Da der Innenzahnkranz 13 senkrecht zu der Zentrumsachse angeordnet ist, wirkt sich die Exzentrizität der Kurbelwelle nicht auf den Außenumfang 16 bzw. auf den Außenzahnkranz 21 des Kurbelwellenadapters 15 aus, so dass weitere Zwischenzahnräder 24 oder Außenzahnkränze 22 mit dem Außenzahnkranz 21 auf dem Außenumfang 16 des Kurbelwellenadapters 15 in Eingriff stehen können.
In dieser 5 ist oberhalb des Kurbelwellenadapters 15 ein Außenzahnkranz 22 eines Kettenrades 25 angeordnet, wobei das Kettenrad 25 einen weiteren Kettenzahnkranz 55 aufweist, mit dem eine Kette 23 zum Antrieb mindestens einer Nockenwelle in Eingriff steht.
Im unteren Bereich der 5 ist ein Gehäuse einer hängenden Ölpumpe 30 angeordnet, die von einem Ölpumpenantriebszahnrad 26 angetrieben wird, welches mit dem Zwischenzahnrad 24 kämmt, das seinerseits mit dem Kurbelwellenadapters 15 in Eingriff steht.
Auf der linken Seite der Darstellung der 5 unten ist darüber hinaus eine Antriebswelle 29 für eine Exzenterverstellung angeordnet, wobei auf der Antriebswelle 29 ein Zahnrad 34 zu sehen ist, das mit einem Teilzahnkranz 38 eines exzentrisches Lagerelementes kämmt, wodurch die hier gezeigte Position der Kurbelwellenachse 19 von einer untersten Stellung bei gleichzeitig niedrigster Verdichtung auf eine höhere Stellung gedreht werden kann, bei der eine höhere Verdichtung im Zylinderkopf erreicht wird.
Obwohl eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannte Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich und die Anwendbarkeit des Gegenstandes des ersten Anspruchs in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform des Verbrennungsmotors zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung des Verbrennungsmotors von dem in beispielhafter Ausführungsform beschriebenem Verbrennungsmotor gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Exzenterausgleichsantrieb
3: Kurbelwelle
4: Lagerelement (exzentrisch)
5: Lagerelement (exzentrisch)
6: Lagerelement (exzentrisch)
7: Lagerelement (exzentrisch)
8: Zylinderblock
9: Kurbelwellengehäuse
10: Abtriebszahnrad
11: Außenzahnkranz
12: erstes Kurbelwellenende
13: Innenzahnkranz
14: äußere Symmetrieachse, Zentrumsachse
15: Kurbelwellenadapter
16: Außenumfang
19: Kurbelwellenachse, Kurbelwellen-Symmetrieachse
20: Abtriebsvorrichtung
21: Außenzahnkranz
22: Außenzahnkranz
23: Kette
24: Zwischenzahnrad
25: Kettenrad
26: Ölpumpenantriebszahnrad
27: zweites Kurbelwellenende
29: Antriebswelle
30: hängende Ölpumpe
31: Zahnrad
32: Zahnrad
33: Zahnrad
34: Zahnrad
35: Teilzahnkranz
36: Teilzahnkranz
37: Teilzahnkranz
38: Teilzahnkranz
39: Zylinderachse
40: Versatz
41: Zylinderbohrung
42: Zylinderbohrung
43: Zylinderbohrung
44: Zylinderbohrung
45: Pleuellager
46: Pleuelstange
47: Exzenterkreis
48: Exzentermotor
49: seitlicher Versatz
51: Verbindungsbügel
52: Verbindungsbügel
53: Verbindungsbügel
54: Verbindungsbügel
55: Kettenzahnkranz
56: Kurbelwellendrehrichtung
α: Exzenterwinkel
A-A: Schnittebene
C: Pfeilrichtung
D: Pfeilrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008025853 A1 [0002]
US 7631620 [0003]

Claims

Verbrennungsmotor mit den folgenden Merkmalen: – einem Motorgehäuse (9) mit wenigstens einem Verbrennungszylinder mit einer Verbrennungszylinder-Symmetrieachse (39), – eine Kurbelwelle (3), die ein erstes Kurbelwellenende (12) mit einem Abtriebs-Stirnrad (10) aufweist, – einen Exzenterverstellantrieb (2) für die Kurbelwelle (3) zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors, wobei der Exzenterverstellantrieb (2) wenigstens zwei Exzenterlagerkörper (4 bis 7) aufweist, die in Exzenterlagersitzen des Motorgehäuses (9) um eine äußere Symmetrieachse (14) drehbar gelagert sind und die jeweils einen Kurbelwellenlagersitz mit einem Kurbelwellenlager aufweisen, in dem die Kurbelwelle (3) um eine Kurbelwellen-Symmetrieachse (19) drehbar gelagert ist, wobei die Kurbelwellen-Symmetrieachse (19) zu der äußeren Symmetrieachse (14) um einen vorbestimmten Exzentrizitätsabstand versetzt angeordnet ist, – einen Kurbelwellenadapter (15) mit einem am Motorgehäuse (9) gelagerten Abtriebs-Hohlrad (13), das mit dem Abtriebs-Stirnrad (10) kämmt, wobei eine Symmetrieachse des Abtriebs-Hohlrads (13) und die äußere Symmetrieachse (14) miteinander fluchten, wobei die äußere Symmetrieachse (14) um einen vorbestimmten seitlichen Versatz (49) zu einer zu der äußeren Symmetrieachse (14) parallelen Zylinderebene durch die Verbrennungszylinder-Symmetrieachse (39) versetzt angeordnet ist, und wobei ein seitlicher Versatz der Kurbelwellen-Symmetrieachse (19) von der Zylinderebene abnimmt, wenn die Kurbelwelle (3) von einer unteren Position in eine obere Position bewegt wird.
Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei Anschlagelemente vorgesehen sind, die einen Verdrehwinkel der Exzenterlagerkörper (4 bis 7) zwischen der unteren Position der Kurbelwelle (3) und der oberen Position der Kurbelwelle (3) auf im Wesentlichen 90 Grad begrenzen.
Verbrennungsmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei ein seitlicher Versatz der Kurbelwelle (3) in der unteren Position der Kurbelwelle (3) zwischen 6 und 16 mm beträgt.
Verbrennungsmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der seitliche Versatz (40) der Kurbelwellenachse (19) relativ zu der Ebene der Zylinderachsen (39) in der unteren Position der Kurbelwelle (3) zwischen 13 und 15 mm beträgt.
Verbrennungsmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein seitlicher Versatz der Kurbelwelle (3) in der oberen Position der Kurbelwelle (3) zwischen 6 und 8 mm beträgt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Motorgehäuse (9) eine Antriebswelle (29) des Exzenterverstellantriebs (2) angeordnet ist, auf der gleichartige Zahnräder (31 bis 34) angeordnet sind, die mit Teilzahnkränzen (35 bis 38) der Exzenterlagerkörper (4 bis 7) in Eingriff stehen.
Verbrennungsmotor nach einem der der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kurbelwellenadapter (15) zwischen dem Motorgehäuse (9) und einem Getriebe angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kurbelwellenadapter (15) in ein Schwungrad einer Getriebekupplung koaxial integriert ist.
Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 5, wobei auf einem Außenumfang (16) des Kurbelwellenadapters (15) eine Außenverzahnung (21) angeordnet ist, die mit einer Außenverzahnung (22) eines Kettenzahnrades (25) kämmt, wobei ein Zugmittel (23) mit dem Kettenzahnrad (25) und mit mindestens einem Antriebszahnrad der Nockenwelle in Eingriff steht.
Verbrennungsmotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kurbelwellenadapter (15) einen Verbindungsbereich zum Anflanschen einer Eingangswelle eines Antriebsstrangs aufweist.
Verbrennungsmotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweites Kurbelwellenende (27) der exzentrisch gelagerten Kurbelwelle (3) eine Keilriemenscheibe trägt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, wobei die Exzentrizität der Kurbelwelle (3) beim Ändern der Verdichtung des Verbrennungsmotors (1) durch eine Keilriemenspannvorrichtung automatisch ausgleichbar ist.
Antriebsstrang mit einem Getriebe und einem Verbrennungsmotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Eingangsachse des Antriebsstrangs mechanisch mit einer Eingangsachse des Getriebes verbunden ist, und wobei die Eingangsachse des Antriebsstrangs konzentrisch zu der Symmetrieachse des Kurbelwellenadapters (15) angeordnet und mechanisch mit dem Kurbelwellenadapter (15) verbunden ist.
Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang gemäß Anspruch 13, wobei mindestens ein Rad des Kraftfahrzeugs mit einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs verbunden ist.