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Die
Erfindung betrifft eine Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die
Länge einer Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine bedingt,
dass die erste Torsionseigenfrequenz der Kurbelwelle hoch gehalten werden
muss (bei einer Drehzahl deutlich über der Nenndrehzahl,
die Nenndrehzahl ist die Drehzahl mit der maximalen Leistungsabgabe),
da sonst im Betriebsdrehzahlbereich sehr hohe Torsionsschwingungsamplituden
(3te Motorordnung im Schub) auftreten. Damit ist die Kurbelwelle
steifer und somit reibungsungünstiger zu dimensionieren
als es der maximal in den Kröpfungen auftretenden Belastung
festigkeitsmäßig entspricht. Ebenso ist der Ausgleichsgrad
(Die zum Ausgleich der rotierenden Massen notwendigen Gegengewichte
der Kurbelwelle können gegebenen Falls um einen bestimmten
Betrag der oszillierenden Masse vergrößert werden,
so dass die in Zylinderrichtung (z) wirkende oszillierende Kraft abgebaut
wird. Das Verhältnis des in z-Richtung abgebauten Anteils
zum ursprünglichen Wert der Massenkraft 1ter Ordnung wird
als Ausgleichsgrad bezeichnet) begrenzt, was die Laufruhe verschlechtert.
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Zum
technischen Umfeld wird weiter beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 100 55 192 A1 hingewiesen,
in der eine Rundlaufregelung für Dieselmotoren beschrieben
ist. Insbesondere bei hochzylindrigen Brenn kraftmaschinen, wie z.
B. Reihensechszylinder-Brennkraftmaschinen, überlagern
sich die Drehzahlanteile der Zylinder in einer Weise, dass bei Betrachtung
der Drehzahlkurve keine Rückschlüsse mehr auf
die Drehzahlanteile der einzelnen Zylinder möglich sind,
was neue Auswertemethoden bedingt. Daher wird in dieser Offenlegungsschrift
vorgeschlagen, die Beiträge der einzelnen Zylinder der
Brennkraftmaschine zur Drehbeschleunigung anhand des Drehzahlverlaufs
der Kurbelwelle zu bestimmen, indem die Zylinder nacheinander einzeln
abgeschaltet werden. Aus den so gewonnenen Drehzahlverlaufskurven
wird ein Impulsantwortspektrum eines Arbeitsspieles zumindest für
die harmonische der 0,5ten Ordnung gebildet gebildet. Im Normalbetrieb
wird dann ständig der Drehzahlverlauf der Kurbelwelle über
den Winkel jedes Arbeitsspieles aufgenommen. Durch eine Fouriertransformation
werden die Fourierkoeffizienten als Resultierende zumindest der
harmonischen der 0,5ten Ordnung bestimmt. Korrekturfaktoren für
die Einspritzmengen zur Gleichstellung der einzelnen Zylinder bezüglich
ihrer Drehzahlanteile werden gewonnen, indem die in Richtung der
Impulsantwortvektoren liegenden Komponenten der Resultierenden mit
den Impulsantworten multipliziert und durch Addition zusammengefasst
werden.
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Mit
dieser, z. B. aus der
DE
100 55 192 A1 bekannten Fouriertransformation, ist es auch
möglich, Torsionseigenfrequenzen einer Kurbelwelle zu bestimmen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, im Betriebsbereich der Brennkraftmaschine
die oben genannten Nachteile einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst, nämlich durch Absenkung der ersten Torsionseigenfrequenz
in der Art, dass die Anregung durch die 3te Motorordnung im Schubbetrieb
(Massenmomentenanregung der Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine)
hinreichend weit in den Betriebsdrehzahlbereich fällt (z. B.
von 7.500 U/min. auf 4.500 U/min). Da die Anregung der Torsionseigenfrequenz
massenkraftbedingt ist, sinkt die Anregungsamplitude mit dem Quadrat
der Drehzahl, d. h. im Resonanzpunkt des unten aufgeführten
Ausführungsbeispiels auf 36% des ursprünglichen
Wertes bei 7.500 U/min. Damit sind kleinere Lagerdurchmesser und
größere Gegengewichte möglich. Dies führt
zu deutlichen Vorteilen bei der Lagerreibung, wodurch der Kraftstoffverbrauch
gesenkt wird. Weiter zu deutlichen Gewichtsvorteilen, aufgrund der
kleineren Bauteilabmessungen und zu einem besseren Ausgleichsgrad,
der wesentliche Akustikvorteile bringt und zu einer deutlich verbesserten
Drehfähigkeit, d. h. einer deutlich höheren möglichen
Drehzahl der Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine. Weiter kann
in vorteilhafter Weise die Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine beispielsweise
in einem Motorbaukasten (Gleichteileprinzip) auf die gleichen Kurbelwellenlagerdurchmesser
gebracht werden, wie die nicht torsionsbestimmten Reihendrei- und
Reihenvierzylinder-Brennkraftmaschinen, die weitgehend biegebestimmt
sind. Damit ergeben sich auch noch deutliche Kostenvorteile bei
der Produktion der Brennkraftmaschinen.
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Eine
nochmalige Verbesserung des Kurbeltriebs für eine Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
wird mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 2 erzielt. Da in der
Volllast auch die Anregung durch die 1,5te Motorordnung aus den
Gaskräften bedeutsam ist (sie liegt typischerweise bei
der doppelten Drehzahl der 3ten Motorordnung im Schub), kann diese
durch die erfindungsgemäße Wahl der Zündfolge
nahezu eliminiert werden, ebenso die Ventiltriebsmassenwirkungen
in der 1,5ten Motorordnung. Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
2 bringt eine noch bessere, aufgrund dieses überlagerten
Effekts, Ausprägung der Vorteile wie unter Patentanspruch
1 beschrieben, insbesondere eine robustere Torsionsauslegung bei
hohen Drehzahlen, da das Wechselspiel 3te Motorordnung versus 1,5te
Motorordnung bei der Dämpferauslegung (Brennkraftmaschinenlagerung)
entfällt. Dies führt zu einer bisher unerreichten
Drehfähigkeit und somit Leistungsdichte der Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine bei
maximaler Kultiviertheit aufgrund des hohen Ausgleichsgrades der
Kurbelwelle sowie die Reduzierung der Hauptanregung aus dem Ventiltrieb
um beinahe 90%.
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Die
optimale Nutzung aller Vorteile ist mit den Merkmalen im Patentanspruch
3 möglich. Um eine hohe Leistungsdichte und ein gutes Ansprechverhalten
der Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine zu erreichen, kann auch
das Abgaskrümmerkonzept angepasst werden, um gleichmäßige Zündabstände
je Flut (für eine Bi-Turbo-Anordnung oder einen Twinscroll-Abgasturbolader)
zu erreichen. Hierfür wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine
einen zweiflutigen Abgasturbolader mit einer ersten und einer zweiten
Flut und einer ersten Turbine oder zwei Abgasturbolader mit einer
zweiten und einer dritten Turbine aufweist und die sechs Zylinder abgasseitig
derart zusammengefasst sind, dass die erste und die zweite Flut
oder die zweite und die dritte Turbine jeweils mit Abgas aus Zylindern
mit einem Zündabstand von 240° Kurbelwinkel beaufschlagbar sind.
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Im
Folgenden ist die Auswirkung der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung einer Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine anhand
einer einzigen Figur näher erläutert.
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1 zeigt
berechnete Resonanzkurven für eine Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
gemäß dem Stand der Technik und für eine
Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen
Ausgestaltung.
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1 zeigt
zwei berechnete Resonanzkurven für eine Kurbelwelle einer
4-Takt-Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine aus dem Stand der Technik
sowie eine berechnete Resonanzkurve für eine Kurbelwelle
einer erfindungsgemäß ausgestalteten Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine.
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Die
Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine aus dem Stand der Technik
weist einen Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle auf, die in Kurbelwellenlagern eines
Kurbelgehäuses gelagert ist, wobei der Kurbelwelle sechs
Kolben zugeordnet sind, mit denen die Kurbelwelle über
Massenkräfte zu Torsionsschwingungen anregbar ist. Weiter
weist sie eine erste Motorhälfte mit drei ersten benachbarten
Zylindern und eine zweite Motorhälfte drei zweiten benachbarten
Zylindern auf, wobei die erste Torsionseigenresonanz der Kurbelwelle
durch die 1,5te Ordnung der Brennkraftmaschine aufgrund der durch
die Zündfolge wirkenden Gaskräfte anregbar ist.
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Die
erfindungsgemäße 4-Takt-Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
weist über den Stand der Technik hinaus noch folgende Merkmale
auf:
- – Die die Steifigkeit bestimmenden
Abmessungen des Kurbeltriebs, insbesondere die Lagerdurchmesser,
sind so klein gewählt, dass zusammen mit einer Drehträgheit
der Kurbelwelle, insbesondere deren Gegengewichte, die Anregung
der ersten Torsionseigenresonanz der Kurbelwelle durch die 3te Ordnung
der Brennkraftmaschine deutlich unter die Nenndrehzahl abgesenkt
ist.
- – Die Zündfolge der sechs Zylinder ist gem.
Patentanspruch 2 derart, dass nach einem Start der Brennkraftmaschine
drei aufeinanderfolgende Zündungen abwechselnd in der ersten
und der zweiten Motorhälfte erfolgen.
- – Die Brennkraftmaschine weist weiter gem. Patentanspruch
3 einen zweiflutigen Abgasturbolader mit einer ersten und einer
zweiten Flut und einer ersten Turbine oder zwei Abgasturbolader
mit einer zweiten und einer dritten Turbine auf und die sechs Zylinder
sind abgasseitig derart zusammengefasst, dass die erste und die
zweite Flut oder die zweite und die dritte Turbine jeweils mit Abgas
aus den sechs Zylindern mit einem Zündabstand von 240° Kurbelwinkel
beaufschlagt sind.
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In 1 ist
ein Diagramm dargestellt, auf dessen Y-Achse 1 ein Amplitudenverhältnis
dargestellt ist. Auf der Y-Achse ist eine kritische Amplitude 7 als
horizontale Linie eingezeichnet, die im Praxisbetrieb der Reihensechszylin der-Brennkraftmaschine
von der Resonanzamplitude nicht überschritten werden sollte,
da sonst mechanische Defekte entstehen können.
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Über
die X-Achse 2 ist die Drehzahl der Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
dargestellt. Mit 3 ist eine Nenndrehzahl der Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
beziffert, entsprechend einer Drehzahl mit einer maximalen Leistungsabgabe der
Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine.
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Mit 4 ist
eine Resonanzkurve einer Kurbelwelle beziffert, die einer aus dem
Stand der Technik bekannten Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
entspricht. Der Kurvenverlauf stellt eine Anregung der ersten Torsionseigenresonanz
der Kurbelwelle durch die 3te Ordnung der Brennkraftmaschine aufgrund
der Massenkräfte dar. Erkennbar ist, dass die Resonanzamplitude
deutlich oberhalb der Nenndrehzahl 3, bei ca. 7500 1/min
liegt, wodurch eine steife und robuste Ausführung der Kurbelwelle
notwendig ist.
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Mit 5 ist
eine Summenresonanzkurve einer Kurbelwelle einer gem. Patentanspruch
1 erfindungsgemäß ausgestalteten Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine
beziffert. Die Summenresonanzkurve 5 entspricht einer Anregung
der ersten Torsionseigenresonanz der Kurbelwelle durch die 3te Ordnung der
Brennkraftmaschine aufgrund der Massenkräfte und einer
Anregung der ersten Torsionseigenresonanz der Kurbelwelle durch
die 1,5te Ordnung der Brennkraftmaschine aufgrund der durch die
Zündfolge wirkenden Gaskräfte. Die erste Torsionseigenfrequenz
ist auf ca. 4500 1/min abgesenkt, bei etwa der doppelten Drehzahl
erkennt man die Anregung der ersten Torsionseigenresonanz der Kurbelwelle
durch die 1,5te Ordnung der Brennkraftmaschine aufgrund der durch
die Zündfolge wirkenden Gaskräfte. Diese Anregung
wird wie unten, unter der Resonanzkurve 6 beschrieben,
durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 nahezu eliminiert. Die
Absenkung der Torsionseigenfrequenz auf ca. 4500 1/min ist durch
einen Pfeil schematisch dargestellt.
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Mit 6 ist
eine Resonanzkurve einer Kurbelwelle beziffert, für eine
Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus den
Patentansprüchen 1 und 2. Es ist eine Summenresonanzkurve,
entsprechend einer Anregung der ersten Torsionseigenresonanz der
Kurbelwelle durch die 3te Ordnung der Brennkraftmaschine aufgrund
der Massenkräfte und einer Anregung der ersten Torsionseigenresonanz
der Kurbelwelle durch die 1,5te Ordnung der Brennkraftmaschine aufgrund
der durch die Zündfolge wirkenden Gaskräfte, wobei
diese gegenüber der Kurve 5, wie zuvor beschrieben,
beinahe verschwunden ist. Deutlich erkennbar bleibt die Summenresonanzkurve 6 aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung über
einen sehr hoch reichenden Drehzahlbereich unter der kritischen
Amplitude 7.
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Hieraus
resultieren sämtliche oben aufgeführten Vorteile.
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- 1
- Y-Achse
- 2
- X-Achse
- 3
- Nenndrehzahl
- 4
- Anregung
durch die 3te Ordnung gem. Stand der Technik
- 5
- Summe
Anregung durch 3te und 1,5te Ordnung
- 6
- Summe
Anregung durch 3te und 1,5te Ordnung
- 7
- kritische
Amplitude
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10055192
A1 [0003, 0004]