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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Kolben/Zylindereinheiten.
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Mehrzylindrige
Brennkraftmaschinen erfordern im allgemeinen ein mit zunehmender
Zylinderzahl zunehmend komplexes Kurbelgehäuse, das als Gußteil aufwendig
herzustellen ist und bei dem die Montage der Kurbelwelle mit den
Pleueln zum Anschluß der
Kolben aufwendig ist. Bei der Abschaltung bzw. Nichtbefeuerung einzelner
Kolben/Zylindereinheiten im Teillastbetrieb zur Erhöhung des
Mitteldrucks und damit Absenkung des spezifischen Verbrauches der
weiter gefeuerten Kolben/Zylindereinheiten laufen alle Kolben/Zylindereinheiten
ständig mit,
so daß infolge
der weiterhin hohen Reibverlustleistung die erreichbare Kraftstoffeinsparung
begrenzt ist. Bei Doppelkurbelwellen-Motoren, wie sie beispielsweise
in der internationalen Patentanmeldung WO 89/02028 beschrieben sind,
besteht bei der Anordnung von zwei Kolben an den selben Kurbelkröpfungen
in Boxeranordnung das Problem, daß die Kolben/Zylindereinheiten
unterschiedlich arbeiten, da der verkürzte Verdichtungshub der einen
Kolben/Zylindereinheit beispielsweise der Arbeitshub der anderen
Kolben/Zylindereinheit ist.
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Im
Oberbegriff des Anspruchs 1 wird von der
DE 526383 A ausgegangen. Diese
Druckschrift beschreibt eine Anordnung zum Ausgleich der umlaufenden
Schwungmassen bei Kolbenkraftmaschinen, wobei beispielsweise zwei
Kolbenmaschinen mit parallel zueinander liegenden Kurbelwellen nebeneinander
angeordnet sind. Die Kurbelwellen sind mittels Zahnrädern untereinander
und mit einer Abtriebswelle verbunden. Mit der bekannten Maschine
wird zwar ein guter Schwungmassenausgleich erzielt; es sind jedoch
alle Kolben/Zylindereinheiten ständig
in Betrieb.
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Die
US 1,693,547 A beschreibt
einen Doppelkolben-Motor, bei dem zwei in einem gemeinsamen Zylinder
gegenläufig
arbeitende Kolben einen gemeinsamen Brennraum benutzen. Eine Kupplung zum
Stillsetzen eines Kolbens ist nicht vorgesehen.
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Die
US 1,889,946 A beschreibt
einen mehrzylindrigen Motor, wobei in jedem Zylinder zwei gegenläufig arbeitende
Kolben angeordnet sind, die mit je einer Kurbelwelle verbunden sind, wobei
die beiden Kurbelwellen auf eine gemeinsame Abtriebswelle wirken.
Anordnungen zum Stillsetzen eines Kolbens sind nicht vorgesehen.
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In
der
DE 197 13 974
A1 ist ein Doppelkurbelwellen-Motor beschrieben, bei dem
ein Kolben über
Pleuel mit zwei gegensinnig mit gleicher Drehzahl laufenden Kurbelwellen
verbunden ist. Der Motor ist mit einem Zylinderkopf ausgerüstet, der
es ermöglicht,
die hohe Drehzahlfestigkeit des Doppelkurbelwellen-Motors zu nutzen.
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Die
WO 98/23855 A1 beschreibt eine Kolbenmaschine mit in einem Zylinder
geführten
Kolben, der über
eine vorzugsweise geradlinig bewegbare Kolbenstange und je ein Pleuelgelenk
mit zwei Pleuelstangen verbunden ist. Diese Pleuelstangen greifen
jeweils an einen Kurbelwellenzapfen zwei Kurbelwellen an, die durch
ein Getriebe für
eine synchrone, gegensinnige Drehung gekoppelt sind. Ein Stillsetzen
eines Kolbens ist nicht vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu
schaffen, die in einfacher Weise derart steuerbar ist, daß ihr spezifischer Verbrauch
auch dann günstig
bleibt, wenn nur wenig Leistung erforderlich ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hautanspruchs gelöst.
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Gemäß der Erfindung
können
bedarfsweise Kolben/Zylindereinheiten stillgesetzt werden, so daß das abtriebsseitige
Ende der Abtriebswelle von einer der Last angepaßten Anzahl von Kolben/Zylindereinheiten
angetrieben wird. Auf diese Weise wird die Brennkraftmaschine ständig mit
verbrauchsgünstigem
Mitteldruck betrieben, so daß sich
ihr spezifischer Verbrauch mit abnehmender Leistung nur wenig erhöht. Durch
die an sich bekannte zentrale Abtriebswelle, auf die die Kolben/Zylindereinheiten
wirken, wird erreicht, daß diese
auf vielfältige
Weise angeordnet werden können,
wobei diese Anordnung zusätzlich
auf einen guten Massen/Momentenausgleich Rücksicht nimmt. Außerdem können die
einzelnen, auf der Abtriebswelle arbeitenden Motoren kostengünstig als
Module hergestellt werden. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht
somit darin, eine zentrale Abtriebswelle vorzusehen, an die die Abtriebswellen
verschiedener Kolben/Zylindereinheiten ihre Leistungen abgeben.
Die Kol ben/Zylindereinheiten können
als Einzylinder-Motoren oder Mehrzylinder-Motoren ausgebildet sein.
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Die
Ansprüche
2 und 3 sind auf zwei vorteilhafte Möglichkeiten der Anordnung einer
Kupplung gerichtet.
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Die
Ansprüche
4 bis 7 kennzeichnen vorteilhafte Möglichkeiten der Anordnungen
von Kolben/Zylindereinheiten.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es
stellen dar:
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1 eine
Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
einer Brennkraftmaschine, geschnitten durch die Abtriebswelle;
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer Brennkraftmaschine, geschnitten durch die Abtriebswelle und
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3 einen
Längsschnitt
durch die Brennkraftmaschine, geschnitten in Längsrichtung der Abtriebswelle.
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Gemäß 1 weist
eine nur schematisch mit ihren im Sinne der Erfindung wesentlichen
Teilen dargestellte Brennkraftmaschine eine Abtriebswelle 2 auf,
die mit den Abtriebskurbelwellen 4 zweier insgesamt mit 6 bezeichneter
Doppelkurbelwellen-Motoren in Dreheingriff ist.
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Jeder
Doppelkurbelwellen-Motor 6 weist zwei Kurbelwellen 4 und 8 auf,
die in Dreheingriff sind und sich gegenläufig mit gleicher Drehzahl
drehen. Ein in einem Zylinder 10 ar beitender Kolben 12 ist über Pleuel 14 und 16 mit
jeder der Kurbelwellen 4 und 8 verbunden, so daß der Kolben
in dem Zylinder 10 seitenkraftfrei geführt ist. Ein Einlaßventil
ist mit 18, ein Auslaßventil
mit 20 bezeichnet.
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Wie
dargestellt, sind die Doppelkurbelwellen-Motoren 6 derart
angeordnet, daß ihre
Kolben sich gegensinnig bewegen und in gleicher Weise mit den Kurbelwellen
verbunden sind, d.h. ein verlängerter
Hub des einen Motors ist auch ein verlängerter Hub des anderen Motors.
Die dargestellte Brennkraftmaschine ist auf diese Weise vollständig massen- und annähernd momentenausgeglichen;
wenn die Kurbelwelle 4 des rechten Doppelkurbelwellen-Motors
etwa in Uhrzeigerrichtung um die Abtriebswelle 2 verschoben
angeordnet ist, und die Kurbelwelle 4 des linken Doppelkurbelwellen-Motors entsprechend
verschoben wird, lassen sich beide Motoren zumindest annähernd kolinear
zueinander ausrichten.
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Die
Anordnung kann in vielfältiger
Weise abgeändert
werden. Die Doppelkurbelwellen-Motoren 6 können jeweils
als einzelne Kolben/Zylindereinheiten ausgebildet sein; sie können auch,
wie bei Doppelkurbelwellen-Motoren möglich, je zwei Kolben aufweisen,
die mit den Kurbelwellen 4 und 8 verbunden sind.
In Längsrichtung
der Abtriebswelle 2 können mehrere
Kolben/Zylindereinheiten angeordnet sein, die jeweils an axial voneinander
entfernten Stellen der Abtriebswelle mit dieser in drehfesten Eingriff sind.
Zwischen der Abtriebswelle 2 und den Kurbelwellen 4 können weitere
Zahnräder
angeordnet sein.
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In
Umfangsrichtung der Abtriebswelle 2 können mehr als zwei Kolben/Zylindereinheiten
vorgesehen sein, beispielsweise wie in 2 dargestellt,
drei um 120° versetzte
Kolben/Zylindereinheiten: Bei der Anordnung gemäß 2 ist insgesamt
ein Stern-Motor geschaffen, in dem drei Abtriebskurbelwellen 22 von
drei Kolben/Zylindereinheiten 24 mit der Abtriebswelle 2 in
drehfestem Eingriff sind.
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Im
Beispiel der 2 sind die Kolben/Zylindereinheiten 24 Kolben/Zylindereinheiten,
bei denen der Kolben jeweils nur mit einer Kurbelwelle 22 zusammenwirkt.
Es versteht sich, daß die
Kolben/Zylindereinheiten 24 Einzelzylindereinheiten sein
können oder
Mehrzylindereinheiten, beispielsweise übliche 2, 3, 4, 5 oder 6-Zylinderreihen-Motoren.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich, können die
Kolben/Zylindereinheiten jeweils weitgehend unverändert beibehalten
werden, wie sie beispielsweise als kleinere Brennkraftmaschinen üblicherweise
eingesetzt werden. Es muß lediglich
ein Dreheingriff zwischen den Kurbelwellen 22 und der zentralen
Abtriebswelle 2 hergestellt werden; dies kann an einem
Stirnende der jeweiligen Kurbelwelle erfolgen oder durch zweckentsprechende
Ausbildung der Kurbelwangen als außenverzahnte Kurbelscheiben,
die mit der Antriebswelle 2 kämmen. Die Kurbelgehäuse der
Kolben/Zylindereinheiten 24 werden entweder mit einem zentralen
Lagergehäuse
der Antriebswelle 2 verschraubt oder mit diesem zusammen
gegossen.
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3 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine Brennkraftmaschine, deren zentrale Abtriebswelle aus
zwei Teilen 2a und 2b besteht, die über eine Kupplung 30 miteinander
kuppelbar sind. Die Kupplung 30 kann beispielsweise als übliche Scheibenkupplung
ausgebildet sein, die mit einer Einrichtung zur phasenrichtigen
Verbindung der beiden Teile 2a und 2b ausgebildet
ist, beispielsweise einem vorgespannten Zapfen, der die beiden Teile 2a und 2b bei phasenrichtiger
Stellung starr miteinander verbindet und der elektromagnetisch oder
hydraulisch zur Lösung
der Verbindung bewegbar ist.
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Gemäß 3 ist
eine erste, beispielsweise als Doppelkurbelwellen-Motor ausgebildete
Kolben/Zylindereinheit 32 vorgesehen, deren Abtriebskurbelwelle 34 eine
Kurbelwangenscheibe 36 aufweist, die eine Außenverzahnung
hat, welche mit einer Außenverzahnung
des Teils 2a der Abtriebswelle kämmt.
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Eine
weitere Kolben/Zylindereinheit 38, die ebenfalls als Doppelkurbelwellen-Motor
ausgebildet ist, weist eine Abtriebskurbelwelle 40 auf,
die nicht unmittelbar mit dem Teil 2a der Abtriebswelle 2 in drehfestem
Eingriff ist, sondern über
eine Kupplung 42 mit einer außenverzahnten Zahnscheibe 44 verbunden
ist, die mit dem Teil 2a der Abtriebswelle 2 in Gewindeeingriff
ist. Die Kupplung 42 ist vorteilhafterweise wiederum derart
ausgebildet, daß mit
ihr eine phasenrichtige Kupplung zwischen der Kolben/Zylindereinheit 38 und
dem Teil 2a möglich
ist.
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Weiter
ist in 3 eine Kolben/Zylindereinheit 50 vorgesehen,
die als zweizylindriger Doppelkurbelwellen-Motor ausgebildet ist,
dessen Abtriebswelle einen gehäusefest
gelagerten Zapfen 54 aufweist, der zwei Kurbelscheiben 56 miteinander
verbindet, die über
je ein Pleuel 58 mit einem Kolben 60 verbunden
sind. Der drehfeste Eingriff zwischen der Abtriebskurbelwelle 52 und
dem Teil 2b der Abtriebswelle 2 erfolgt beispielsweise über eine
Außenverzahnung
einer der Kurbelscheiben 56, die in Eingriff mit einer
entsprechenden Außenverzahnung
des Teils 2b ist.
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Eine
weitere Kolben/Zylindereinheit 64 ist als ein konventioneller
Reihen-Motor mit einer Kurbelwelle 66 ausgebildet, die
beispielsweise über
eine außenverzahnte
Kurbelscheibe oder über
eine Kupplung ähnlich
der Kupplung 42 und eine der Zahnscheibe 44 ähnliche
Scheibe in Dreheingriff mit dem Teil 2b der Abtriebswelle
ist.
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Es
versteht sich, daß die
Anordnung gemäß 3 nur
beispielhaft ist. Die Kolben/Zylindereinheiten können durch Kolben/Zylindereinheiten
weitgehend jeder anderen Bauform ersetzt werden. Jede Kolben/Zylindereinheit
kann über
eine eigene Kupplung mit der Abtriebswelle 2 verbunden
sein, so daß die
Kupplung 30 entfallen kann. 3 zeigt
die außerordentliche
Flexibilität
die mit der erfindungsgemäß vorgesehenen
Abtriebswelle 2 erzielt wird, über die unterschiedlichste
Kolben/Zylindereinheiten, die in unterschiedlichster Anzahl und
unterschiedlichster, zweckentsprechender Anordnung angeordnet sein können, zu
einer Brennkraftmaschine zusammengefaßt werden können. Ein Steuergerät, mit dem
die einzelnen Kupplungen angesteuert werden können und/oder die einzelnen
Kolben/Zylindereinheiten als Motoreinheiten unabhängig voneinander
gefeuert oder nicht gefeuert werden können, ist nicht dargestellt.
Der Abtrieb zum Fahrzeug ist bei der Ausführungsform gemäß 3 vorteilhafterweise
links, so daß bei
offenen Kupplungen 30 und 42 im Schwachlastbetrieb
das Fahrzeug lediglich mit der Kolben/Zylindereinheit 32 antreibbar
ist. Die einzelnen Kolben/Zylindereinheiten können an der Abtriebswelle 2 derart
angebracht werden, daß der
Platzbedarf optimal an die jeweiligen Verhältnisse angepaßt ist.