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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb
einer Hubkolben- Brennmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
Einen solchen Kurbeltrieb ist aus der Literatur, beispielweiße aus <1> sowie aus <2> bekannt. Der Kurbeltrieb
dient dazu, die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung
umzusetzen. Die für
die Kinematik des Kurbeltriebs notwendigen Größen sind der Kurbelradius (r),
die Schubstangenlänge
(
1) und der Kurbelwinkel (α). Der Kolbenweg (S
0)
für den
nicht geschränkten
Kurbeltrieb wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Gemäß der obigen
Gleichung wird die maximale Verdichtung am oberen Totpunkt (Kurbelwinkel α = 0°) des Kolbens
im Zylinder erreicht. Der Brennstoff wird (z.B. bei direkteinspritzende
Dieselmotoren) kurz vor Ende der Verdichtung direkt in den Brennraum
eingespritzt. Nach erfolgter Zündung
des Brennstoff Luft-Gemisches steigt der Druck im Zylinder schnell an.
Der Druckverlauf im Zylinder erreicht dabei ein Maximum kurz nach
dem oberen Totpunkt. Das an der Kurbelwelle wirkende Drehmoment
hängt von
der Kurbelwellenstellung ab und ist trotzt der sehr hohen Brennraumdrücke im oberen
Totpunkt null, sowie nahe dem oberen Totpunkt bei kleinen Kurbelwinkel (α) sehr klein.
Die beiden in Zylinderrichtung auf den Kolben wirkenden Kräfte sind
die Gaskraft und die oszillierende Massenkraft. Ihre resultierende
ist die Kolbenkraft (F
K). Mit dem Kurbelwinkel
(α), dem Schwenkwinkel
(β) und
dem Pleuelverhältnis
( λ = r/l) lassen
sich die Kräfte
im Kurbeltrieb als Funktion der Gaskraft berechnen, wobei sin(β) = λ⋅sin(α) entspricht.
Zur Bestimmung der an der Kurbelwelle wirkenden Drehmomente (M
d) müssen
die Tangentialkräfte
(F
T) mit dem konstanten Kurbelradius (r)
multipliziert werden. Die Tangentialkräfte (F
T)
und das an der Kurbelwelle wirkende Drehmomente (M
d)
werden wie folgt errechnet:
Tangentialkraft
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Drehmoment
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Das Drehmoment (M
d)
ist demnach das Produkt aus dem zeitlichen Verlauf der resultierende
Kolbenkraft (F
K), dem geometrischem Verhältnis
sowie
aus dem Kurbelradius (r). Der Faktor Kurbelradius (r) ist unabhängig von
der Kolbenstellung konstant. Der Druckverlauf im Zylinder und damit
die Kolbenkraft (F
K) erreicht kurz nach
dem oberen Totpunkt ein Maximum, ist über die Kolbenstellung veränderlich
und nimmt nach dem erreichen des Maximums mit zunehmenden Kurbelwinkel
(α) schnell
ab. Der Faktor
leitet
sich aus der Geometrie des verwendeten Kurbeltriebes ab, ist im
oberen Totpunkt null und nimmt bis ca. Kurbelwinkel α = 40° näherungsweise
linear zu. Betrachtet man nun parallel den zeitlich veränderlichen
Verlauf der Kolbenkraft (F
K) und des geometrischen
Faktors
so
wird deutlich, dass mit zunehmenden Kurbelwinkel (α) die beiden
Faktoren im Verlauf sich gegensätzlich
verhalten. D.h. im dem Augenblick wo der Brennraumdruck und damt
die Kolbenkraft (F
K) kurz nach dem oberen
Totpunkt einen Maximum erreicht, hat der geometrische Faktor
hingegen
im selben Augenblick bzw. beim selben Kurbelwinkel (α) einen relativ
kleinen Wert und ist im oberen Totpunkt null. Dies führt dazu,
dass im und nahe dem oberen Totpunkt die Gaskraft alle Bauteile und
Verbände
des Motors lediglich auf Zug beansprucht und aber das Drehmoment
an der Kurbelwelle einen unwesentlichen Wert erreicht. Mit zunehmenden
Kurbelwinkel (α)
vergrößert sich
zwar der Faktor
gleichzeitig
aber nimmt die Gaskraft und damit die Kolbenkraft (F
K)
schnell ab.
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Aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge wird
das an der Kurbelwelle zur Verfügung
stehenden Drehmoment (Md) durch die ungünstige zeitliche Überlagerung des
Brennraumdrucks mit den Winkelverhältnissen des Pleuels und der
Kurbelwelle begrenzt. Dadurch wird die in den Brennraum zugeführte Energie
nur zu einem Bruchteil in einem nutzbaren Drehmoment (Md)
an der Kurbelwelle umgewandelt.
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Vorteile der
Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es einen
Kurbeltrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 gekennzeichneten
Art zu schaffen, der ein erhöhtes
nutzbares Drehmoment (Md) an der Kurbelwelle
gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Änderung
der Kurbeltriebgeometrie kann der maximale Verdichtungspunkt derart
eingestellt werden, dass bereits während dem Verbrennungsbeginn
für das
Drehmoment (Md) günstigere Kurbeltriebverhältnisse
vorliegen, als bei den heute vorhandenen Kurbeltriebe. Über die
Größe des Mittelpunktversatzes
(40) und über
den Kurbelzapfenwinkel (δ)
sowie über
die entsprechende Zuordnung der Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3)
und den Pleuelaugenabschnitte (25,26,27) kann
die obere Totpunktlage des Kolbens im Zylinder und damit der maximale
Verdichtungspunkt derart eingestellt werden, dass es nicht wie bisher
bei Kurbelwinkel (α)
= 0° erreicht
wird, sondern beispielweiße
erst bei Kurbelwinkel (α)
= 8°. Diese
neue obere Totpunktlage des Kolbens bei Kurbelwinkel (α) = 8° wird im
folgendem als den „neuen" oberen Totpunkt bezeichnet.
Das heißt
der herkömmliche
Kolbenweg (S0) kann beispielsweise in Abhängigkeit
vom Kurbelwinkel (α),
Mittelpunktversatzes (40) und Kurbelzapfenwinkel (δ) in Richtung
zu größeren oder
kleineren Kurbelwinkeln (α)
hin verschoben werden. Demzufolge kann auch der Einspritzzeitpunkt
des Kraftstoffs entsprechend dem „neuen" oberen Totpunkt angepasst werden, wodurch
sich damit auch die Verbrennung beziehungsweise der maximale Brennraumdruck
im Zylinder kurz nach dem „neuen" oberen Totpunkt
hin verlagert. Die geometrischen Verhältnisse des Kurbeltriebs sind
im Bereich des „neuen" oberen Totpunkts
für die
Umwandlung des Brennraumdrucks in Drehmoment (Md)
an der Kurbelwelle wesentlich günstiger.
Dies führt
dazu, dass im „neuen" oberen Totpunkt
das Drehmoment (Md) nicht mehr null ist, sondern
ergibt sich aus dem jeweiligen Brennraumdruck im „neuen" oberen Totpunkt,
aus dem Kurbelradius (r) und aus dem entsprechend gewählten Kurbelzapfenwinkel
(δ) und
somit aus den sich einstellenden Winkelverhältnissen bezüglich Kurbelwinkel (α) und Schwenkwinkel
(β1). Mit dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb last sich somit
aus einem gegebenen Druckverlauf im Zylinder ein höheres nutzbares Drehmoment
(Md) an der Kurbelwelle erzielen als mit einem
herkömmlichen
Kurbeltrieb.
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Auch der Kraftstoffverbrauch einer
Brennkraftmaschine kann mit dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb wesentlich
reduziert werden, indem z.B. für
einen bestimmten Drehmoment (Md) einen kleineren
Brennraumdruck beziehungsweise eine kleinere Kraftstoffmenge bereits
ausreicht, um die gleiche Leistung bei gleicher Drehzahl zu erreichen,
als bei einer Brennkraftmaschine mit einem herkömmlichen Kurbeltrieb. In diesem
Zusammenhang können
durch die kleinere Kraftstoffmenge auch die Abgasemissionen entsprechend
reduziert, beziehungsweise die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen
Emissionsgrenzen leichter eingehalten werden.
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Weiterhin lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb über die
entsprechende Auswahl des Mittelpunktversatzes (40) und
des Kurbelzapfenwinkels (δ)
weitere Kombinationsmöglichkeiten
bezüglich
Drehmoment (Md), Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen
darstellen.
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Zeichnung
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher
erläutert
werden:
In 1 ist
eine Kurbelwelle für
eine Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise eine selbst- oder fremdzündende Brennkraftmaschine und
weist einen oder mehrere Zylinder auf. Dargestellt ist eine Kurbelwelle
für einen
Einzylinder Brennkraftmaschine bestehend aus den beiden Kurbelwellenlagern
(11,41), den beiden Kurbelwangen (9,10) und
aus einem Kurwbelzapfen, der wiederum aus drei zueinander versetzt
angeordnete Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3)
besteht. Dargestellt ist auch der Kurbelradius (r) der sich aus
dem Abstand zwischen der Kurbelwellenachse (13) und der
Kurbelzapfenachse (12) ergibt.
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Die 2 zeigt
die Draufansicht der Kurbelwelle bezogen auf die Vorderansicht der 1. Dargestellt sind die unteren Kurbelzapfenhälften (7,8,38),
die oberen Kurbelzapfenhälften
(4,5,6), der jeweiliger Kurbelzapfenversatz
(42,43,44,45) sowie die Kurbelzapfenbreite
(30,31,32) der Kurbelzapfenabschnitte
(1,2,3).
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Die 3 zeigt
die Seitenansicht von links der Kurbelwelle, mit einem Schnitt durch
den Kurbelzapfenabschnitt (2), bezogen auf die Vorderansicht
der 1. Dabei hat der
Kurbelzapfenwinkel (δ) hier
einen Betrag von 90°,
bezogen auf die Kurbelwangenachse (14). Die Gleit- beziehungsweise
Kontaktflächen
der Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3) mit der
jeweiligen Innenfläche
der Pleuelaugenabschnitte (25,26,27)
erfolgt über
die Kurbelzapfenspitzen (34,35), (die Kurbelzapfenspitze
des Kurbelzapfenabschnittes (1) ist in der 3 nicht dargestellt), und damit über die
Kurbelzapfenbreite (30,31,32). Um eine
hohe Flächenpressung
an den Kurbelzapfenspitzen (34,35) sowie an den
Innenflächen
der Pleuelaugenabschnitte (25,26,27)
insbesondere während den
Gas- und Massenkräften
zu vermeiden, sollten zum einen die Radien der Kurbelzapfenspitzen (34,35)
als auch die Kurbelzapfenbreite (30,31,32) entsprechend
groß dimensioniert
werden. Außerdem sind
die unteren Kurbelzapfenhälften
(7,8), die oberen Kurbelzapfenhälften (4,5),
der Kurbelzapfenversatz (42,43) sowie die Kurbelzapfenhauptachse
(33) dargestellt.
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Die 4 zeigt
die Seitenansicht von links mit einem Schnitt durch den Kurbelzapfenabschnitt (2)
der Kurbelwelle bezogen auf die Vorderansicht der 1 jedoch mit einem Kurbelzapfenwinkel
(δ)
= 30°.
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Die 5 zeigt
der Kurbelwelle gemäß den 1 bis 4 zugehöriges Pleuel (16)
in der Vorderansicht. Darin sind die Pleuelaugenabschnitte (25,26,27)
mit den entsprechenden Pleuelaugenradien (20,21,22),
sowie die gemeinsamen Pleuelaugenmittelpunkt (28) und die
Kreismittellinie (23) dargestellt, wobei die Pleuelaugenabschnitte
(25,27) beziehungsweise die Pleuelaugenradien
(20,22) in diesem Ausführungsbeispiel gleich groß sind.
Weiterhin ist die Schubstangenlänge
(1) sowie das kleine Pleuelauge (15) dargestellt.
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Die 6 zeigt
im Halbschnitt die Seitenansicht des Pleuels (16) bezogen
auf die Vorderansicht der 5.
Dargestellt sind unter anderem die Pleuelaugenabschnitte (25,26,27)
mit den entsprechenden Pleuelaugenradien (20,21,22)
sowie die Pleuelaugenachse (37).
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Die 7 zeigt
eine Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß 6 und 1, jedoch mit Kurbelzapfenwinkel (δ) =
0° sowie
bei einem Kurbelwinkel (α)
= 0°. Die
Exzentrizität
bezüglich
Pleuelaugenmittelpunkt (28) und Kurbelzapfenmittelpunkt
(36) und damit zwischen der Pleuelaugenachse (37)
und der Kurbelzapfenachse (12) um den Betrag des Mittelpunktversatzes
(40) ergibt sich dadurch, dass die obere Kurbelzapfenhälfte (4)
größer ist,
als das zugehörige
Pleuelaugenradius (21) des Pleuelaugenabschnittes (26).
Die unteren Kurbelzapfenhälften
(7,8,38) der Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3)
sind kleiner als die Pleuelaugenradien (20,21,22)
und können
entsprechend so groß dimensioniert
werden, dass zum einen der freie Lauf der Exzentrizität bezüglich Pleuelaugenmittelpunkt (28) und
Kurbelzapfenmittelpunkt (36), beziehungsweise zwischen
der Pleuelaugenachse (37) und der Kurbelzapfenachse (12)
in Abhängigkeit
vom Kurbelwinkel (α)
sichergestellt ist, und zum anderen um eine hohe Festigkeit an der
Kurbelwelle insbesondere an den jeweiligen Übergängen der Kurbelzapfenabschnitte
(1,2,3) zu erreichen.
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Da die Gesamthöhe, obere Kurbelzapfenhälfte (4)
plus untere Kurbelzapfenhälfte
(8), des Kurbelzapfenabschnittes (2) kleiner ist
als der Durchmesser des Pleuelaugenabschnittes (26) wird
zur Führung
des Pleuels (16) mindestens ein zusätzliches Pleuelaugenabschnitt
(25) benötig,
wobei aus Symmetriegründen
hier nach ein weiteres Pleuelaugenabschnitt (27) verwendet
wird. Mit den Pleuelaugenabschnitte (25,27) kann
sichergestellt werden, dass bei jedem Kurbelwinkel (α) sowohl
die obere Kurbelzapfenhälfte
(4) mit dem Pleuelaugenabschnitt (26), als auch
die beiden oberen Kurbelzapfenhälften (5,6)
mit den Pleuelaugenabschnitte (25,27) immer in Kontakt
stehen und damit auch die Gleitführung
des Pleuels (16) garantiert wird. Die beiden Pleuelaugenabschnitte
(25,27) sind in diesem Ausführungsbeispiel im Durchmesser
gleich groß und
haben außerdem
auch mit dem Durchmesser des Pleuelaugenabschnittes (26)
den gleichen Pleuelaugenmittelpunkt (28). Die Pleuelaugenradien
(20,22) der beiden Pleuelaugenabschnitte (25,27)
sind größer als
die zugehörigen
oberen Kurbelzapfenhälften
(5,6).
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Die 8 zeigt
eine weitere Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs
gemäß 3 und 5, jedoch mit Kurbelzapfenwinkel (δ) =
0° und bei
einem Kurbelwinkel (α)
= 0°. Die maximale
Exzentrizität
zwischen der Pleuelaugenmittellinie (23) und der Kurbelzapfenachse
(12) liegt in Richtung der Zylinderachse (39)
bei Kurbelwinkel (α)
= 0° vor
und entspricht dem Mittelpunktversatz (40). Bei diesem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs
wird die obere Totpunktlage des Kolbens, wie auch bei den herkömmlichen Kurbeltriebe,
bei einem Kurbelwinkel (α)
= 0° erreicht, jedoch
wird bei diesem Ausführungsbeispiel
der maximale Kolbenhub (s) um das zweifache des Mittelpunktversatzes
(40) vergrößert.
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Die 9 zeigt
eine Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß 3 und 5, jedoch mit einem Kurbelzapfenwinkel
(δ) = 0° sowie bei
einem Kurbelwinkel (α)
= 180°.
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Die 10 zeigt
eine Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß 3 und Figur 5 bei einem
Kurbelwinkel (α)
= 20°.
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Die 11 zeigt
den jeweiligen Verlauf des Kolbenweges des herkömmlichen Kurbeltriebs und des
erfindungsgemäßen Kurbeltriebs
in Abhängigkeit von
Kurbelwinkel (α).
Sowohl bei dem herkömmlichen
als auch bei dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb
wurde beispielsweiße
ein Kurbelradius (r) = 35mm und eine Schubstangenlänge (1)
= 125mm verwendet, wobei beim erfindungsgemäßen Kurbeltrieb außerdem einen
Mittelpunktversatz (40) = 2,5mm sowie zwei verschiede Kurbelzapfenwinkel (δ) =
0° beziehungsweiße 90° berücksichtigt
wurden. Die lang gestrichelte Kurve mit der Bezeichnung „neuer
Kurbeltrieb mit delta = 90°" ist um einige Kurbelwinkel
(α) bezüglich der
ungestrichelte Kurve „herkömmlicher
Kurbeltrieb" in
Richtung zu größeren Kurbelwinkel
(α) hin
verschoben. Die kurz gestrichelte Kurve mit der Bezeichnung „neuer
Kurbeltrieb mit delta = 0°" ist hingegen lediglich
in der Amplitude jeweils um den Betrag des Mittelpunktversatzes
(40) vergrößert, hat
jedoch die gleiche Phase wie die ungestrichelte Kurve „herkömmlicher
Kurbeltrieb".
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Die 12 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
des Diagramms gemäß 11. Darin wird der Verlauf
des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs
und damit die Unterschiede zu dem herkömmlichen Kurbeltrieb in einem
größeren Maßstab verdeutlicht.
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Die 12 bis 20 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung gemäß 3 und 5 und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert, wobei
der Kurbelwinkel (α)
von 0° bis
360° Kurbelwinkel
variiert wird.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Wird beispielsweise dem Kurbelzapfenabschnitt
(2) das im Durchmesser der kleinere Pleuelaugenabschnitt
(26) und entsprechend den Kurbelzapfenabschnitte (1,3)
die übrigen
zwei im Durchmesser größeren der
Pleuelaugenabschnitte (25,27) zugeordnet, so liegt
bei einem Kurbelwinkel (α)
= 0° der
Pleuelaugenmittelpunkt (28) exzentrisch zum Kurbelzapfenmittelpunkt
(36). Das Pleuelaugenmittelpunkt (28) und das
Kurbelzapfenmittelpunkt (36) sind dabei in horizontaler
Richtung um den Mittelpunktversatz (40) versetzt zu einander
angeordnet, wobei in Richtung der Zylinderachse (39) diese
beiden Mittelpunkte auf der gleichen Höhe liegen. Dadurch ist das
Pleuel (16) bei Kurbelwinkel α = 0° um den Schwenkwinkel (β0)
bezogen auf die Zylinderachse (39) versetzt angeordnet,
wobei sich cos(β0) aus dem Verhältnis Pleuellänge (1)
zu Mittelpunktversatz (40) ergibt. Mit zunehmendem Kurbelwinkel (α) rotiert
der Kurbelzapfen beziehungsweise die Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3)
mit dem Kurbelzapfenmittelpunkt (36) im Abstand des Kurbelradius
(r) um die Kurbelwellenachse (13), und gleichzeitig rotieren
die Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3) um
die Kurbelzapfenachse (12) sowie in den jeweils zugehörige Pleuelaugenabschnitte
(25,26,27). Während ab Kurbelwinkel (α) = 0° der Kurbelzapfen
beziehungsweise die Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3)
sowie das an den Kurbelzapfenabschnitte (1,2,3)
drehbar gelagerter Pleuel (16) eine in Richtung der Zylinderachse
(39) abwärts
gerichtete Bewegung durchführen,
erfährt das
Pleuel (16) sowie das am kleinen Pleuelauge (15)
im Allgemeinen montierte Kolben zusätzlich eine durch den Mittelpunktversatz
(40) aufwärts
gerichtete Bewegung. Diese Relativbewegung bzw. dieser veränderlicher
Abstand in Richtung der Zylinderachse (39) zwischen Pleuelaugenmittelpunkt
(28) und Kurbelzapfenmittelpunkt (36) erreicht
bei einem Kurbelwinkel (α)
= 90° beziehungsweise
bei 270° die
maximale Exzentrizität,
wobei diese maximale Exzentrizität
genau dem Mittelpunktversatz (40) entspricht. Ab einem
Kurbelwinkel (α) > 90° wird in Richtung der Zylinderachse
(39) die Exzentrizität
zwischen Pleuelaugenmittelpunkt (28) und Kurbelzapfenmittelpunkt (36)
stetig wieder kleiner, bis bei Kurbelwinkel (α) = 180° die Exzentrizität wieder
null bzw. in waagrechter Richtung wieder maximal wird.
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<1> „Bau und
Berechnung von Verbrennungsmotoren", Springer-Verlag, Auflage 1983, Seite
72.
<2> „Triebwerke schnellaufender
Verbrennungsmotoren",
Springer-Verlag, Auflage 1966, Seite 59.