DE2946148A1

DE2946148A1 - Mehrzylindermaschine, insbesondere brennkraftmaschine fuer ein fahrzeug

Info

Publication number: DE2946148A1
Application number: DE19792946148
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Ernst Fiala; Peter Dipl.-Ing. Hofbauer; Hermann Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Krüger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1979-11-15
Filing date: 1979-11-15
Publication date: 1981-05-21

Description

29A6U8 VO LK S WAG E N WE R K

AKTIENGESELLSCHAFT 3180 Wolfsburg

K 2828/1702-pt-hu-sa 1*»= NOV. 1979

Mehrzylindermaschine, insbesondere Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekanntlich werden die Winkel zwischen den einzelnen Kröpfungen der Kurbel welle einer Maschine in der Regel gleich groß gewählt, so daß die einzelnen Kolben nacheinander bei Kurbelwellendrehungen um gleiche Winkel ihre oberen bzw. unteren Totpunkte (OT bzw. UT) erreichen. Zweck dieser Maßnahme ist das Erzielen eines nur geringen Ungleichförmigkeitsgrades sowie bei fremdgezün deten Brennkraftmaschinen einer gleichmäßigen Zündfolge der Maschine bzw. bei Dieselmaschinen einer gleichmäßigen Einspritzfolge.

Das Vorsehen gleicher Kurbelwellenwinkel führt jedoch nur dann zu dem ange strebten Erfolg, wenn alle Zylinder in einer Reihe angeordnet sind. Bei Brennkraftmaschinen mit in zwei Reihen V-förmig angeordneten Zylindern hat man daher die durch die Zylinderzahl vorgegebenen gleichen Kurbelwellenwin kel bereits korrigiert in Abhängigkeit von der Größe des Zylinder-V-Winkels, so daß die einzelnen Kröpfungen bei den Drehbewegungen der Kurbelwelle gleichsam unterschiedliche Ausgangslagen einnehmen. Hierdurch wird trotz der V-Bauweise der Maschine eine gleichmäßige Aufteilung der Zündfolge er zielt; vgl. beispielsweise "Motoren" von Hütten, 3. Auflage 1976, Seite 76.

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Vorsitiender Vorstand: tor Schmucker, vo'SiWenöe· Veri-Hein: Ετ,βτ Prcf. Dr teem. Ernst Pete - Dr. jur. P«t*r Frerfc

des Autsichtsrats: Gunter H; mc hcrsi i.'.'.rner Dr rtr.c:: v.ce· " Scr-,;?: Gjtinet M. Streb* Pro!. Df. rer pol. FneOriCi Thomee

ri»-; r ·■ L?i.-i-. Sill de' Gesei'scha't ¹AoIfSn.'!-. Amisgericht. Wolhburg HRB TM

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-A-

Derartige V-Maschinen sind dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achsen der Zylinder beider Zylinderreihen in der Achse der Kurbelwelle schneiden. Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit einem Maschinentyp, bei dem die Zylinder zwar ebenfalls in zwei Reihen angeordnet sind, aber so, daß die Achsen der Zylinder neben der Kurbelwellenachse verlaufen (Zylinderversatz). Auch derartige Maschinen gehören zum Stand der Technik; siehe beispielsweise Bussien "Automobiltechnisches Handbuch", 2. Band, 17. Auflage, Seite 94. Für den Fall betragsmäßig gleichen Zylinderversatzes der Zylinder beider Zylinderreihen wird zur Erzielung einer gleichmäßigen Zündfolge bzw. zur Begrenzung des Ungleichförmigkeitsgrads in der älteren Patentanmeldung P 28 55 667.A vorgeschlagen, die durch die Zylinderzahl vorgegebenen gleichen Winkel zwischen den Kurbelwellenkröpfungen zu verändern um betragsmäßig gleiche, aber für die beiden Zylinderreihen unterschiedliche Vorzeichen besitzende Kröpfungsversatzwinkel zwischen den Zylinderachsen einerseits und den Pleuelstangen bei in OT-Lagen befindlichen Kolben andererseits.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine dieser Gattung, aber mit unterschiedlich großem Zylinderversatz der Zylinder beider Zylinderreihen, so auszubilden, daß ein geringer Ungleichförmigkeitsgrad bzw. eine gleichmäßige Zünd- bzw. Einspritzfolge der Maschine erzielt wird und die Kolbenseitenkräfte, die sich aus den momentanen Gasdruckkräften und Massenkräften infolge der jeweiligen Pleuellage ergeben, für beide Zylinderreihen annähernd gleiche Maximalwerte nicht überschreiten.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs; eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung für den Fall, daß die Achsen der Zylinder nicht parallel zur Längsebene verlaufen, sondern diese schneiden, also die Zylinder zusätzlich einen V-Winkel einschließen, ist Gegenstand des Anspruchs 2. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Gleichförmigkeit des Laufs einer Kolbenmaschine von den Drücken in den Zylindern beeinflußt wird. Diese Drücke sind im Bereich des oberen Totpunktes besonders hoch, weshalb als Kröpfungs-

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versatzwinkel erfindungsgemäß derjenige Winkel berücksichtigt wird, der sich zwischen den Zylinderachsen einerseits und den Pleuelstangen bei OT-Lage andererseits ergibt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand νοή zwei Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung, die sich auf die schematische Wiedergabe der im Rahmen der Erfindung interessierenden Teile beschränkt, stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung in echter Reihenbauweise,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung in Reihen-V-Bauweise und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine

in echter Reihenbauweise, in den die auftretenden Kräfte eingezeichnet sind.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man einen üblichen Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine, in dem der Kolben 2 zwischen seiner ausgezogen dar-

einerseits
gestellten OT-Lage/und seiner durch unterbrochene Linien angedeuteten UT-Lage 2' andererseits hin und her gleitet, über die Pleuelstange 3 mit der Länge 1 greift der Kolben 2 an der Kurbelkröpfung 4 mit dem Radius r der Kurbelwelle 5 an, deren Achse mit 6 bezeichnet ist.

Fig. 1 liegt eine echte Reihenmaschine zugrunde, d.h. eine solche, bei der die Zylinder in zwei Reihen senkrecht zur Zeichenebene angeordnet sind und die Achsen der Zylinder beider Reihen parallel zur Längsachsebene 7 der Maschine verlaufen, in der auch die Achse 6 der Kurbelwelle 5 verläuft. Die Zylinderachse des Zylinders 1 ist mit 8 bezeichnet; 9 ist die Achse eines Zylinders der anderen, im übrigen nicht dargestellten Zylinderreihe. Die Zylinderachsen verlaufen in einem als Zylinderversatz oder Schränkungsmaß zu bezeichnenden Abstand q bzw. q„ von der Längsachsebene 7 der Brennkraftmaschine. Daher schließt die Pleuelstange 3 bei in OT-Stellung befindlichem

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Kolben 2 mit der Längsachsebene 7 einen endlichen Winkel ψ" ₁ ein. Entsprechend schließt die einem Kolben der anderen Zylinderreihe zugehörige Pleuelstange 10 mit der Längsachsebene 7 einen endlichen Winkel "l|f _ ein. Die Lage der Pleuelstange 3 -sinngemäß gilt dies selbstverständlich für die Lage der Pleuelstange 10- bei OT-Stellung des zugehörigen Kolbens 2 ist gekennzeichnet durch Ausrichten mit dem zugehörigen Kurbelradius längs einer Geraden. Diese Ausrichtung ergibt sich für OT-Lage der zugehörigen Kolben nur dann, wenn die zugehörige Kurbelwellenkröpfung 4 bzw. 11 mit der Längsachsebene den -positiven oder negativen- Kröpfungsversatzwinkel Tj/" bzw. Ilf _ einschließt. Dieser Winkel ergibt sich, wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, aus dem Zylinderversatz q.. bzw. q_, dem Kurbelradius r und der Länge 1 der Pleuelstange 3 bzw. 10 gemäß der Beziehung

sin W₁ = ^q1 bzw. sin ¥ = ^q2 ¹ TT ^I

Bei einer Mehrzylindermaschine mit nur einseitigem Zylinderversatz ergibt sich für alle Zylinder der gleiche Kröpfungsversatzwinkel, so daß die Lage der Kurbelwellenkröpfungen zueinander gegenüber derjenigen bei einer Maschine ohne Zylinderversatz nicht geändert zu werden .braucht.

In Fig. 1 sind bei 3¹ und 10' auch die Lagen der Pleuelstangen bei in UT-Stellung befindlichen Kolben angedeutet. Man erkennt, daß die zugehörigen Kurbelwellenkröpfungen nunmehr Stellungen 4' bzw. 11· einnehmen, die den Stellungen der Kröpfungen bei OT-Lage des zugehörigen Kolbens bezüglich der Kurbelwellenachse 6 nicht diametal gegenüberliegen. Die Bewegungen der Kolben von OT nach UT und umgekehrt erfordern also unterschiedlich große, von 180 abweichende Verdrehungen der Kurbelwelle 5. Dennoch stellt die erfindungsgemäße Berücksichtigung des Zylinderversatzes q. bzw. q_ über den resultierenden Kröpfungsversatzwinkel ß = ψ". + h/"„ das Erreichen der OT-Stellungen der verschiedenen Kolben durch gleiche Drehwinkel der Kurbelwelle 5 sicher. Dies bedeutet einen minimalen Ungleichförmigkeitsgrad sowie eine gleichmäßige Zündfolge der Maschine.

Während in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein echter Reihenmotor dargestellt ist, bei dem die Zylinderachsen 8 und 9, wie beschrieben, parallel

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zur Längsachsebene 7 verlaufen, zeigt Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Maschine, bei der nicht nur wiederum mit q bzw. q_ bezeichnete Zylinder versätze vorliegen, sondern die Zylinder beider Zylinderreihen mit ihren Achsen 20 und 21 einen Zylinder-V-Winkel OC einschließen. Für die Kröpfungs versatzwinkel TlT bzw. lifp ergeben sich die bereits anhand Fig. 1 erläuter ten Zusammenhänge. Allein durch Berücksichtigung dieser Winkel bei der Gestaltung der Kurbelwelle 22 wird die gestellte Aufgabe aber nicht gelöst, da die Pleuelstangen 23 und 24 bei in OT-Stellung befindlichen Kolben nur dann bezüglich der Kurbelwellenachse radial verlaufen, wenn ihre zugehörigen Kurbelwellenkröpfungen bei 25 und 26 liegen. Diese Lage der Kröpfungen ist durch Winkel ß. bzw. ß gegenüber der Längsachsebene 27 der Maschine gekennzeichnet, die gegeben sind durch die Kröpfungsversatzwinkel \lf_Λ bzw. IiT „, vermehrt um iX/2, also den halben V-Winkel. Auch hier gehen diese Korrekturwinkel für die beiden Zylinderreihen mit unterschiedlichen Vorzeichen ein.

Die Wahl der Zylinderversätze q und q„ erfolgt zweckmäßig so, daß einerseits die maximalen Kolbenseitenkräfte auf zulässige Werte begrenzt bleiben und andererseits die durch die Kolbenseitenkräfte verursachte Kolbenreibleistung möglichst klein wird.

In Fig. 3 ist eine Zweireihenmaschine gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Drehrichtung ist durch einen Pfeil angedeutet. Die Zylinderachsen 30 und 31 sind um q bzw. q„ gegenüber der Längsachsebene 32 versetzt. Die Kurbelkröpfungen sind aus der OT-Lage 33 bzw. 34 in Kurbelwellendrehrichtung nach 35 bzw. verdreht. In dieser Stellung werden bei einer Brennkraftmaschine die höchsten Kolbenkräfte F bzw. F als Resultierende aus Gasdruckkraft und Massenkraft erwartet. Die Kolbenkraft F bzw. F wird in zwei Komponenten, der Pleuelkraftkomponente F_p bzw. F _? und der Seitenkraftkomponente F„.. bzw. F„_?, weitergeleitet. Die Seitenkräfte F und F sind von unterschiedlicher Größe. Bei der eingezeichneten Drehrichtung ist die Seitenkraft F_- größer

Ob

als F₅₁- Aus einer vorgegebenen maximal zulässigen Seitenkraft kann der maximale Zylinderversatz q_? der Zylinderachse 31 bestimmt werden.

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Bei konstruktiv vorgegebenem Gesamtzylinderversatz Q₁ + q- empfiehlt es sich, unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Seitenkraft die Aufteilung des Gesamtzylinderversatzes q.. und q₂ in die Einzel werte q.. und q₂ so vorzunehmen, daß die Kolbenreibleistung der gesamten Maschine ein Minimu wird. Bei Vergrößerung des Zylinderversatzes q₂ erhöht sich die Reibleistung an den Zylindern der in der Figur linken Zylinderreihe infolge Anwachsens der Kolbenseitenkraftkomponente F_g2 durch die größere Pleuelneigung. Bei Vergrößerung des Zylinderversatzes q.. steigen die Maximalwerte der Kolbenmassenkraft durch die mit zunehmendem Zylinderversatz steigenden Werte für die maximale Kolbenbeschleunigung, und damit steigt auch die Reibleistung in den Zylindern der in der Figur rechten Zylinderreihe.

In Fig. 3 ist demgemäß bei der angenommenen Kurbelwellendrehrichtung nach rechts die Längsachsebene 32 gegenüber der Zylinderlängsmittenebene 37 in entgegengesetzter Richtung, also nach links, versetzt. Wie aus der aus Fig. ersichtlichen unterschiedlichen Höhe der OT-Lagen der Kolben beider Zylinderreihen folgt, ist es, wenn die Zylinder beider Zylinderreihen nach oben durch eine gemeinsame, senkrecht zur Längsachsebene verlaufende Zylinderkopfauflagefläche begrenzt werden, zweckmäßig, die Kolben beider Zylinderreihen zur Kompensation dieses Höhenversatzes mit unterschiedlichen Kolbenkopfhöhen auszuführen.

Die erfindungsgemäße Maßnahme kann bei Maschinen mit geringer Zylinderzahl zu zusätzlichen unausgeglichenen Massenwirkungen führen. Bei Maschinen größerer Zylinderzahl sind die freien Massenwirkungen, die sich aus dem Kröpfungsversatzwinkel ergeben, jedoch so gering, daß die erfindungsgemäße Korrektur mit ihren Vorteilen vorgenommen werden kann.

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Claims

Patentansprüche

Maschine, insbesondere Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, mit mehreren, in zwei Reihen angeordneten Zylindern nebst Kolben, die über Pleuelstangen an individuellen Kröpfungen einer mit ihrer Achse in der Längsachsenebene der Maschine verlaufenden gemeinsamen Kurbelwelle angreifen, wobei die Achsen der Zylinder neben der Kurbelwellenachse in einem endlichen Abstand (Zylinderversatz) von dieser verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung gleicher Kurbelwellenwinkel zwischen OT-Lagen der Kolben (2) die durch die Zylinderzahl vorgegebenen gleichen Winkel zwischen den Kröpfungen (A,11) verändert sind um Kröpfungsversatzwinkel ("l/i'llfp* ^{zwischen den} Zylinderachsen (8,9) einerseits und den Pleuelstangen (3,19) bei in OT-Lagen befindlichen Kolben (2) andererseits gemäß der Beziehung

sin ψ ₁ = 2l_ ^bzw· ^sin ψ

r+1 r+1

worin q. bzw. q~ den Zylinderversatz der jeweiligen Zylinderreihe 1 die Pleuelstangenlänge' und r den Kurbelradius bedeuten.

Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung der Zylinder beider Zylinderreihen unter einem Zylinder-V-Winkel (OC) die Kröpfungsversatzwinkel ChT₁ bzw. \jf„) um den halben V-Winkel (OL) vergrößert sind.

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Vouitzendar Vorstand: Ton: Scnmucker, Vorsitzender ■ Kan-Heiru B:;arr, Prof. Di. ltoip. Einst Fiala ■ Dr jur. Peter Frerk

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3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Rechtsdrehung der Kurbelwelle und stehenden Zylindern die Längsachsebene (32) gegenüber der Zylinderlängsraittenebene (37) nach links, bei Linksdrehung nach rechts verschoben ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder beider Zylinderreihen nach oben hin durch eine ebene, zur Längsachsebene senkrechte Zylinderkopfauflagefläche begrenzt werden und daß die jeweils einer Zylinderreihe zugehörigen Kolben die gleiche, von der Kolbenkopfhöhe der der jeweils anderen Zylinderreihe zugehörigen Kolben jedoch abweichende Kolbenkopfhöhe aufweisen.

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