DE19731974B4

DE19731974B4 - Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19731974B4
Application number: DE19731974A
Authority: DE
Inventors: Peter Pelz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: DE19731974A1; WO1999005404A1

Abstract

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (2), in dessen Kopf (8) mehrere mittels je eines Einlaßventils (10, 11) steuerbare Einlaßkanäle (6,7) münden und von dessen Kopf (8) mehrere mittels je eines Auslaßventils (14, 15) steuerbare Auslaßkanäle (12, 13) ausgehen,
einem in dem Zylinder (2) arbeitenden Kolben (4), und
einem Kurbeltrieb mit zwei über eine Verzahnung (34) miteinander in Eingriff befindlichen, sich gegensinnig drehende Kurbelwellen (30, 32), die über je ein Pleuel (36, 38) mit dem Kolben (4) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mündungen der Einlaßkanäle (6, 7) in den Kopf und die Ausgänge der Auslaßkanäle (12, 13) aus dem Kopf sich jeweils diametral gegenüberliegend angeordnet sind, und die Einlaßkanäle (6, 7) derart ausgebildet sind, daß im Brennraum eine umlaufende Wirbelströmung entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der WO 89/02028 A1, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Doppelkurbeltrieb, einem im wesentlichen hemdlosen Kolben und einem Zylinderkopf beschrieben, in dem insgesamt sechs Ventile angeordnet sind, von denen vier Einlassventile in Umfangsrichtung voneinander beabstandet nebeneinander angeordnet sind und diesen vier Einlassventilen insgesamt gegenüberliegend zwei Auslassventile angeordnet sind. Mit dieser großen Ventilanzahl soll der große Zylinderquerschnitt optimal genutzt werden, so dass die Maschine auch bei hohen Drehzahlen gut arbeitet. Zur besseren Verwirbelung der Frischladung ist der Kopf des Kolbens mit einer Umfangsrippe versehen, an deren Innenrand Aushöhlungen derart vorgesehen sind, dass während der Kompression und deren abschließender Quetschphase eine Wirbelströmung entsteht, die für eine vollständige Verbrennung sorgt. Eine Eigenart der bekannten Brennkraftmaschine liegt darin, dass der Brennraum wegen der sich gegenüberliegenden Ein- und Auslassventile unsymmetrisch gefüllt wird und die Verwirbelung, die für eine gute Gemischaufbereitung erforderlich ist, erst am Ende des Kompressionshubs einsetzt.

In der EP 0 155 261 A2 ist ein Zylinderkopf mit insgesamt vier Ventilen beschrieben, die jeweils in Mündungen der Einlasskanäle in den Kopf bzw. der Ausgänge der Auslasskanäle aus dem Kopf arbeiten, wobei die Mündungen der Einlasskanäle in den Kopf sich diametral gegenüberliegen und die Ausgänge der Auslasskanäle aus dem Kopf sich ebenfalls diametral gegenüberliegen. Dadurch wird erreicht, dass sich in Umfangsrichtung des Zylinderkopfes jeweils ein Einlassventil und ein Auslassventil abwechseln. Durch die sich diametral gegenüberliegenden Einlassöffnungen der Einlassventile und Auslassöffnungen der Auslassventile kann eine hohe Füllung auch bei hohen Drehzahlen erreicht werden, wodurch die Brennkraftmaschine leistungsstark ausgelegt werden kann. Durch Anpassung der Steuerzeiten insbesondere der Einlassventile lässt sich auch bei niederen Drehzahlen eine hohe Füllung und damit ein entsprechend hohes Drehmoment erreichen.

Aus der DE 86 33 483 U1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Doppelkurbeltrieb bekannt, bei dem bevorzugt die einander gegenüberliegenden Innenseiten der Kurbelwellen des Doppelkurbeltriebs in Richtung auf oberer Totpunkt drehen.

Aus der DE 32 38 030 A1 ist ebenfalls eine Brennkraftmaschine mit einem Doppelkurbeltrieb bekannt, bei dem die Drehrichtung der Kurbelwellen derart ist, dass der Ansaug- oder Expansionshub des Kolbens bei Viertaktbauweise des Motors eine längere Drehphase der Kurbelwellen umfasst als der Ausstoß- und Verdichtungshub. Der zeitlich verlängerte Ansaughub kann zur besseren Füllung des Zylinders genutzt werden. Der verlängerte Expansionshub soll zur Verbrauchsminderung oder Leistungssteigerung genutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kolbenbrennkraftmaschine derart auszubilden, dass sie über einen weiten Drehzahlbereich eine hohe Füllung, d.h. ein hohes Drehmoment, bei gleichzeitig guter Verbrennung, d.h. guter Abgasqualität und günstigem spezifischem Verbrauch ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens zwei Einlassventile und mindestens zwei Auslassventile, wobei sich jeweils ein Einlassventil und ein Auslassventil diagonal gegenüberliegen und sich in Umfangsrichtung Einlass- und Auslassventile abwechseln, und die Ausführung der Einlassventile derart, dass im Brennraum eine umlaufende Wirbelströmung entsteht, führt einerseits zu einer hohen, gleichmäßigen Füllung des Brennraums und andererseits dazu, dass ein gute Gemischaufbereitung bereits beim Ansaugen einsetzt, so dass insgesamt eine gute Gemischaufbereitung erzielt wird. Auf diese Weise wird über einen breiten Drehzahlbereich, der sich bis hin zu den hohen durch den Doppelkurbeltrieb möglichen Drehzahlen erstreckt, eine gute Füllung erzielt, wobei die Ladung durch die gute Aufbereitung homogen verbrennt. In dem Brennraum verbliebenes Restgas wird gleichmäßig mit der Frischladung vermischt. Die durch den Doppelkurbeltrieb bewirkte weitgehende Seitenkraftfreiheit des Kolbens führt zu verminderter Reibleistung, was sich ebenfalls günstig auf den Verbrauch auswirkt.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine gerichtet.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann nicht nur im Renneinsatz mit Vorteil verwendet werden. Bei entsprechender Auslegung bietet sie auch in konventionellen PKWs große Vorteile, da wegen des Massenausgleichs auch bei Vierzylindermotoren ein hoher Komfort erzielt wird, wegen der fehlenden Kolbenseitenkräfte die Reibleistungen vermindert sind und wegen des Doppelkurbeltriebs eine effektive Umsetzung der Ladungsverbrennung in Drehmoment erfolgt. Somit können hubraumstarke, vierzylindrige Motoren durch sparsamere, hubraumschwächere Motoren mit weniger Zylindern und gutem Laufkomfort ersetzt werden.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist sowohl als Otto- als auch als Dieselmotor einsetzbar, eignet sich für die Direkteinspritzung auch bei Otto-Motoren und kann als Viertakter und als Zweitakter eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
1 schematisch einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb,
2 schematisch eine Aufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen Zylinderkopf,
3 den Zusammenhang zwischen Kolbenhub und Kurbelwellendrehung im Vergleich zwischen einem konventionellen Motor und einem Doppelkurbelwellenmotor, und
4 eine schematische Aufsicht auf den Kurbeltrieb mit angeflanschtem Getriebe.
Gemäß 1 weist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine einen Zylinder 2 auf, indem ein Kolben 4 arbeitet.
Weiter ist ein Einlaßkanal 6 dargestellt, der in den Zylinderkopf 8 mündet, wobei in der Mündung des Einlaßkanals 6 in den Zylinderkopf 8 ein Einlaßventil 10 arbeitet. Weiter ist ein Auslaßkanal 12 dargestellt, in dessen Mündung in den Zylinderkopf 8 ein Auslaßventil 14 arbeitet.
Im Einlaßkanal befindet sich eine Drosselklappe 16, sowie strömungsabwärts der Drosselklappe 16 ein Einspritzventil 18.
Mittig am Zylinderkopf 8 sowie sich diametral gegenüberliegend an seinem Umfang befinden sich Zündkerzen 20. Zur Ansteuerung der Zündkerzen 20 und des Einspritzventils 18 ist ein Steuergerät 22 vorgesehen, dessen Eingängen 24 in an sich bekannter Weise Signale von unterschiedlichen Sensoren zur Erfassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zugeführt werden, aus denen die Steuersignale zur Steuerung von Einspritzung und Zündung errechnet werden.
Im Kurbelgehäuse 28 der Brennkraftmaschine befinden sich zwei Kurbelwellen 30 und 32, die miteinander über eine Verzahnung 34 kämmen, so daß sie gegensinnig drehen. Jede der Kurbelwellen 30 und 32 ist über ein Pleuel 36 und 38 mit dem Kolben 4 verbunden, der an seiner Unterseite 2 in Richtung des Abstandes zwischen der Kurbelwellen 30 und 32 beabstandete Lager 40 und 42 zur Lagerung der Pleuel 36 und 38 aufweist.
2 zeigt eine teilweise geschnittene Aufsicht auf den Zylinderkopf 8. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die 2 mit Ausnahme der in ihr verwendeten Bezugszeichen der eingangs genannten EP-0 155 261 A2 entnommen ist. Wie ersichtlich, weist der Zylinderkopf 8 zwei sich gegenüberliegende Einlaßventile 10 und 11 sowie zwei sich gegenüberliegende Auslaßventile 14 und 15 auf. Der Durchmesser der Einlaßventile 10 und 11 ist vorteilhafterweise größer als der der Auslaßventile 14 und 15. Die schematisch angedeuteten Einlaßkanäle 6 und 7 sind vorteilhafterweise derart ausgebildet, daß das in dem Brennraum des Zylinders einströmende Frischgemisch einen um die Achse des Brennraums umlaufenden Wirbel bildet.
Zur Betätigung der Ventile sind zwei Nockenwellen 44 und 46 vorgesehen, mit denen konische Nocken 48, 50, 52 und 54 drehfest verbunden sind, die über Tassentössel 56, 58, 60 und 62 die Ventile betätigen.
Die Betriebsweise des Motors ist an sich bekannt und wird daher nicht im einzelnen beschrieben.
Anhand der 3 wird eine besondere Eigenschaft des Doppelkurbeltriebs erläutert. Die Ordinate stellt den Kolbenhub H und die Abszisse den Drehwinkel der Kurbelwelle bzw. Kurbelwellen, bezogen auf den unteren Totpunkt UT des Kolbens dar: d.h. zwischen den beiden UT-Stellungen liegen 360° Kurbelwellendrehung.
Die gestrichelte Kurve zeigt das Verhalten eines konventionellen Kurbeltriebs, bei dem die Kurbelwelle mittig unter dem Kolben angeordnet ist. Der obere Totpunkt OT₁ des Kolbens befindet sich beim konventionellen Kurbeltrieb genau zwischen den beiden UT-Stellungen, d.h. bei 180° Kurbelwinkel.
Bei dem Doppelkurbeltrieb gemäß 1, bei dem die beiden Kurbelwellen 30 und 32 gegenüber der Mitte des Kolbens 4 symmetrisch versetzt sind, ergibt sich die durchgezogene Kurve. Ausgehend von der UT-Stellung des Kolbens 4 drehen sich die gegensinning drehen Kurbelwellen 30 und 32, wobei die gemäß 1 linke Kurbelwelle in Uhrzeigerrichtung dreht, um weniger als 180°, bis der obere Totpunkt OT₂ des Kolbens erreicht wird, und dann um mehr als 180°, bis wiederum der untere Totpunkt erreicht wird. Bei einem Vier-Takt-Verfahren steht somit für den Ansaugtakt und dem Arbeitstakt im Vergleich zu einem herkömmlichen Kurbeltrieb ein größerer Winkelbereich und damit ein größerer Zeitraum zur Verfügung, was die Füllung und die Ladungsumsetzung begünstigt.
Es versteht sich, daß zahlreiche Modifzierungen und Abänderungen der beschriebenen Ausführungsform möglich sind:
Gemäß 1 können mehrere Zylinder in Reihe hintereinander angeordnet sein, wobei die Verzahnungen der Kurbelwellen jeweils durch stirnseitige Zahnräder oder durch mittige Zahnräder gegeben sein kann. Weiter versteht sich, daß nur eine der Kurbelwellen mit dem weiteren Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden sein muß, so daß die Lagerdimensionierung der Kurbelwellen unterschiedlich sein kann.
Die beiden getrennten Lager 40 und 42 an dem Kolben 4 können auch gleichachsig zueinander mittig über den Kurbelwellen angeordnet sein.
Der Kolben 4 kann wegen der durch den Doppelkurbeltrieb bedingten Seitenkraftfreiheit und der insbesondere bei den nicht auf einer gemeinsamen Achse sitzenden Lagern vorhandenen Verkippungsfreiheit außerordentlich flach und ohne Hemd ausgebildet werden. Weiter ist eine einfache Ringbestückung möglich.
Der Zylinderkopf gemäß 2 muß nicht zwingend sphärisch mit sphärisch angeordneten Ventilen angeordnet sein, sondern kann auch als Dachbrennraum ausgebildet sein, wobei dann die konischen Nocken nicht erforderlich sind.
Die Brennkraftmaschine ist in ihrer Anwendung als Otto-Motor dargestellt. Anstelle der drei Zündkerzen 20 gemäß 2 kann mit nur einer mittigen Zündkerze oder mit mehreren Zündkerzen gearbeitet werden, wobei im Falle von fünf Zündkerzen die eine mittig und die anderen am Außenumfang des Zylinderkopfes jeweils zwischen einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal angeordnet sind.
Es versteht sich, daß die Einlaßventile nicht zwingend größer als die Auslaßventile sein müssen, und daß bei bestimmten Anwendungen die Drehrichtungen der Kurbelwellen gegenüber denen der 1 aus entgegengesetzt sein können.
Die geschilderten Vorteile des aufwendigen Zylinderkopfes in seiner Kombination mit dem Doppelkurbelwellentrieb ergeben sich auch bei ihrer Anwendung an einem Dieselmotor. Ein weiterer Vorteil des geschilderten Zylinderkopfes mit sich diametral gegenüberliegenden Einlaßöffnungen und sich diametral gegenüberliegenden Auslaßöffnungen liegt darin, daß der Kopf insgesamt kühler bleibt als ein konventioneller Vierventilkopf, wodurch die Brennkraftmaschine mit höherer Verdichtung betrieben werden kann.
4 zeigt ein an die Brennkraftmaschine angeflanschtes Getriebe. Dargestellt ist ein Gehäuse 50 des Kurbeltriebes der Brennkraftmaschine mit den Kurbelwellen 30 und 32, die über Zahnräder 52 und 54 miteinaner kämmen. An das Kurbelgehäuse 50 ist ein Getriebe 56 angeflanscht, das zwei Eingangswellen 58 und 60 sowie eine Ausgangswelle 62 aufweist, die über eine Kupplung 64 mit dem weiteren Antriebsstrang des Fahrzeugs, beispielsweise einer Kardanwelle 66, verbunden ist. Die Eingangswelle 58 wird von der Kurbelwelle 32 angetrieben; die Eingangswelle 60 wird von der gegenläufig drehenden Kurbelwelle 30 drehangetrieben.
Die Schieberäder des Getriebes (nicht beziffert) sind mit der Ausgangswelle 62 drehfest verbunden, jedoch gegenüber der Ausgangswelle längs verschiebbar. Auf der Eingangswelle 58 sitzt ein Zahnrad (nicht beziffert), das den Rückwärtsgang darstellt. Auf der anderen Eingangswelle 60 sitzen drei Räder, die die Vorwärtsgänge darstellen. Es versteht sich, daß auch vier oder fünf Vorwärtsgänge vorgesehen sein können.
Das schematisch dargestellte Getriebe ist in seinem Aufbau sehr einfach, da es die gegenläufige Drehung der Kurbelwellen der Brennkraftmaschine unmittelbar für Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt nutzt.

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (2), in dessen Kopf (8) mehrere mittels je eines Einlaßventils (10, 11) steuerbare Einlaßkanäle (6,7) münden und von dessen Kopf (8) mehrere mittels je eines Auslaßventils (14, 15) steuerbare Auslaßkanäle (12, 13) ausgehen, einem in dem Zylinder (2) arbeitenden Kolben (4), und einem Kurbeltrieb mit zwei über eine Verzahnung (34) miteinander in Eingriff befindlichen, sich gegensinnig drehende Kurbelwellen (30, 32), die über je ein Pleuel (36, 38) mit dem Kolben (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der Einlaßkanäle (6, 7) in den Kopf und die Ausgänge der Auslaßkanäle (12, 13) aus dem Kopf sich jeweils diametral gegenüberliegend angeordnet sind, und die Einlaßkanäle (6, 7) derart ausgebildet sind, daß im Brennraum eine umlaufende Wirbelströmung entsteht.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung der Kurbelwellen (30, 32) derart ist, daß sich die einander zugewandten Seiten der Kurbelwellen in Richtung zum Kolben (4) drehen.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinderkopf (8) drei Zündkerzen (20) vorgesehen sind, von denen eine mittig und die anderen beiden am Umfang sich diametral gegenüberliegend zwischen je einem Einlaßkanal (6, 7) und einem Auslaßkanal (14, 15) angeordnet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinderkopf (8) fünf Zündkerzen (20) vorgesehen sind, von denen eine mittig und die anderen am Umfang jeweils zwischen einem Einlaßkanal (6, 7) und einem Auslaßkanal (14, 15) angeordnet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pleuel (36, 38) am Kolben (4) in getrennten Lagern (40, 42) gelagert sind, wobei die Lager in Richtung des gegenseitigen Abstandes der Kurbelwellen (30, 32) voneinander beabstandet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Brennkraftmaschine nachgeschaltetes Getriebe (56) zwei Eingangswellen (58, 60) aufweist, von denen je eine von einer der Kurbelwellen (30, 32) angetrieben ist und die über Verschiebeverzahnungen mit einer Ausgangswelle (62) verbunden sind, wobei die eine Eingangswelle (58) den Rückwärtsgang und die andere Eingangswelle (60) die Vorwärtsgänge vermittelt.