Kurbelwelle für eine Reihenzylinder-Brennkraftmaschine sowie eine Reihenzyfinder-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Reihenzylinder- Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Lagerstellen und einer Anzahl Kurbelkröpfungen, wobei die Kurbelkröpfungen derart um einen Winkel zueinander versetzt angeordnet sind, dass zwei Kurbelkröpfungen in winkelmäßiger Übereinstimmung zueinander vorgesehen sind und wobei den Kurbelkröpfungen Gegengewichtselemente zum Massenausgleich zugeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Reihenzylinder- Brennkraftmaschinen mit einem Kurbelgehäuse und einer darin aufgenommenen Kurbelwelle mit einer Anzahl von Kurbelkröpfungen sowie einem Zylindergehäuse mit einer entsprechenden Anzahl von Zylindern, wobei das Zylindergehäuse mit einem Zylinderkopf verbunden ist, in dem Einlass- und Auslassventüe sowie mindestens eine Nockenwelle für die Einlassventile und mindestens eine Nockenwelle für die Auslassventile vorgesehen sind.

Eine derartige Kurbelwelle beziehungsweise eine derartige Reihenzyiinder-Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2011 054 881 bekannt. Hiermit ist es grundsätzlich möglich, eine Vierzylinder- Brennkraftmaschine mit einer Dreizylinder Zündfolge zu betreiben, wobei der zweite und dritte Zylinder parallel laufen und gegebenenfalls einer der beiden Zylinder abgeschaltet werden kann, um Kraftstoff einzusparen und Emissionen zu verringern. Darüber hinaus können insbesondere im unteren Drehzahlbereich beide Zylinder gleichzeitig betrieben werden, wodurch der Abgasmassenstrom von zwei Zylindern zum Abgasturboiader geführt wird und damit die Turbine auch bei niedrigen Motordrehzahlen auf sehr hohe Turbinendrehzahlen beschleunigt werden kann, was ein hohes Drehmoment zur Folge hat. Ein derartig betriebener Reihenmotor weist jedoch den Nachteil auf, dass freie Massenmomente entstehen, die ein negatives Schwingungsverhalten verursachen und damit auch zu einer erhöhten dynamischen Belastung des Motorblocks sowie zu einem negativen Akustikverhalten im Fahrzeuginneren führen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine bzw. eine Reihenzylinder- Brennkraftmaschine bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch eine Kurbelwelle gelöst, wobei in Axialrichtung der Kurbelwelle gesehen die erste und die letzte Ku bel kröpf ung in winkelmäßiger Übereinstimmung zueinander vorgesehen sind, wobei die Gegengewichtselemente der ersten und der letzten Kurbelkröpfung Zusatzgewichte aufweisen, die in Axialrichtung gesehen spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Hierdurch werden schon durch die parallele Anordnung der ersten und letzten Kurbeikröpfungen die freien Massenmomente der 1. Ordnung weitgehend reduziert. Durch das Anbringen von weiteren Zusatzgewichten an der ersten und der letzten Kurbelkröpfung kann die Schwingungsneigung noch weiter verbessert werden. Ein negatives Akustikverhalten kann somit ausgeschlossen werden. Auch müssen die Zylinderkopfschrauben nicht anders gestaltet werden, um einer erhöhten Zünddruckbelastung Rechnung zu tragen.

In einer für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle sind eine erste und eine zweite Kurbelkröpfung um einen Winkel von α = ca. 120° zueinander versetzt und die zweite und eine dritte Kurbel kröpf ung um einen Winkel von ß = ca. 120° zueinander versetzt und die dritte und eine vierte Kurbel kröpf ung um einen Winkel von γ = ca. 120° zueinander versetzt.

In einer ersten für eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle sind eine erste und eine zweite Kurbel kröpf ung um einen Winkel von cT = ca. 240° zueinander versetzt und die zweite und eine dritte Kurbel kröpf ung um einen Winkel von ß ^* = ca. 240° zueinander versetzt und die dritte und eine vierte Kurbelkröpfung um einen Winkel von γ ^ν = ca. 360° zueinander versetzt und die vierte und eine fünfte Kurbel kröpf ung um einen Winkel von δ ^χ = ca. 120° zueinander versetzt und die fünfte und eine sechste Kurbel kröpf ung um einen Winkel von ε = ca. 120° zueinander versetzt.

In einer zweiten für eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle sind eine erste und eine zweite Kurbelkröpfung um einen Winkel von a" = ca. 60° zueinander versetzt und die zweite und eine dritte Kurbelkröpfung um einen Winkel von ß' = ca. 240° zueinander versetzt und die dritte und eine vierte Kurbelkröpfung um einen Winkel von γ" = ca. 180° zueinander versetzt und die vierte und eine fünfte Kurbelkröpfung um einen Winkel von δ" = ca. 120° zueinander versetzt und die fünfte und eine sechste Kurbelkröpfung um einen Winkel von ε" = ca. 120° zueinander versetzt. Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine als Vierzylinder ausgeführte Reihenzylinder-Brennkraftmaschine gelöst, bei der eine Zündfolge in den Zylindern in der Reihenfolge der Zylinder: erster Zylinder, zweiter Zylinder, dritter Zylinder, vierter Zylinder vorgesehen ist. Sowohl durch die Kurbelwelle als auch durch eine Reihenzylinder- Brennkraftmaschine, die eine derartige Kurbelwelle beinhaltet, ist es nun möglich, eine als Vierzylinder ausgeführte Reihenzylinder- Brennkraftmaschine derart zu betreiben, dass eine ausreichend lange Auslassventilsteuerzeit für jeden einzelnen Zylinder bereitgestellt werden kann, ohne dass ein negatives Schwingungsverhalten sowohl in dynamischer als auch in akustischer Hinsicht auftritt. Hierdurch lässt sich die Interne Abgasrückführung, die Ladungswechselverluste sowie der Kraftstoffverbrauch deutlich optimieren. Insbesondere bei einem Lastanstieg ist eine Absenkung der Ausschiebeverluste und der intern rückgeführten Restgasmenge wichtig, um den Verbren nungsprozess zu optimieren. Durch den erhöhten Massenstroma usstoß von Abgas beim Abgasauslasstakt der Zylinder, die der ersten und vierten Kurbelkröpfung der Kurbelwelle zugeordnet sind, erhält der Turbolader einen Drehmomentstoß, der zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine führt.

In vorteilhafter Weise ist es auch möglich, mit einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle eine als Sechszylinder ausgeführte Reihenzylinder- Brennkraftmaschine mit den Winkelabständen a ß\ y δ\ ε ^χ oder σ", ß", γ", δ", ε" der Kurbelkröpfungen zu betreiben, wobei eine Zündfolge in den Zylindern in der Reihenfolge der Zylinder: erster Zylinder (20), zweiter Zylinder, vierter Zylinder, sechster Zylinder, fünfter Zylinder, dritter Zylinder vorgesehen ist. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine je nach Anordnung mit einer unregelmäßigen oder regelmäßigen Zündfolge betrieben werden.

Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise im Zylinderkopf eine variable Ventiltriebsvorrichtung vorgesehen sein. Auch ist es vorteilhaft, wenn im unteren Lastbereich eine Zylinderabschaltung des Zylinders, der mit der ersten oder letzten Kurbelkröpfung In Wirkverbindung steht, vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, die Reihenzylinder-Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich auf einfachste Weise als reine Drei- bzw. Fünfzylinder-Brennkraftmaschine mit drei oder fünf gleich großen

Hubräumen zu betreiben.

In diesem Zusammenhang kann es auch besonders vorteilhaft sein, wenn die variable Ventilvorrichtung ein Exzenterorgan aufweist, das zumindest in einer Stellung einen Nullhub zumindest der Einlassventile des abzuschaltenden Zylinders bewirkt, Es bleibt anzumerken, dass natürlich auch ein Exzenterorgan vorgesehen werden kann, das einen Nullhub der Auslassventile bewirkt.

Die Erfindung wird näher anhand der nachfolgenden Zeichnung erläutert. Hierbei zeigt:

Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer als Vierzylinder ausgeführten Reihenzylinder-Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurbeiwelle aus Figur 1,

Figur 3 eine schematische Kurbelstern-Ansicht der erfindungsgemäßen

Kurbelwelle aus Figur 1,

Figur 4 eine schematische Kurbelstern-Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung einer Kurbelwelle in Sechszylinder- Ausführung mit schematischer Darstellung einer Zylinderanordnung, und

Figur 5 eine schematische Kurbelstern-Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung einer Kurbelwelle in Sechszylinder- Ausführung mit schematischer Darstellung einer Zylinderanordnung. Figur 1 zeigt in schematischer Form eine perspektivische Ansicht einer Reihenzylinder-Brennkraftmaschine 2, die als Vierzylinder-Reihenmotor mit Viertakt-Verfahren betrieben wird. Hierbei sei angemerkt, dass bei der Beschreibung der winkelmäßigen Ausrichtung von Kurbelkröpfungen zueinander von einer Projektion (siehe Figuren 3 bis 5) in eine Ebene ausgegangen wird. Die Vierzylinder-Brennkraftmaschine 2 weist im Wesentlichen ein Kurbelgehäuse 4 auf, in dem eine Kurbelwelle 6 an fünf Lagerstellen 8 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 6 ist über Pleuelstangen 10 mit Kolben 12, 14, 16, 18 verbunden, die in jeweiligen Zylindern 20, 22, 24, 26 auf bekannte Welse auf- und ab bewegbar sind. Die vier Zylinder 20, 22, 24, 26 sind in einem Zylindergehäuse 28 angeordnet. Das Zylindergehäuse 28 wird durch einen Zylinderkopf 30 abgeschlossen, in dem nicht weiter dargestellte Einlass- und Auslassventile für die vier Zylinder 20, 22, 24, 26 auf bekannte Weise angeordnet sind. Schematisch sind noch zwei Nockenwellen 32, 34 dargestellt, die auf die Einlass- und Auslassventile einwirken.

Die Kurbelwelle 6 weist Kurbelkröpfungen 36, 38, 40, 42 auf, die auf bekannte Weise mit den Pleuelstangen 10 verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein unsymmetrischer Abstand der Kurbeikröpfungen zueinander besteht. Dies wird besonders deutlich aus der perspektivischen Ansicht in Figur 2 und der schematischen Kurbeistern-Ansicht gemäß Figur 3. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kurbeikröpfungen so angeordnet, dass die Kurbel kröpfung 36 mit der Kurbelkröpfung 38 um einen Winkel von o = 120° versetzt ist. Die Kurbelkröpfung 38 ist in Bezug auf die Kurbelkröpfung 40 ebenfalls um einen Winkel von ß = 120° versetzt. Auch die Kurbei kröpfung 40 schließt mit der Kurbelkröpfung 42 einen Winkel von γ = 120° ein, so dass die Kurbelkröpfungen 36 und 42 in winkelmäßiger Übereinstimmung zueinander vorgesehen sind. Die Zündfolge in den Zylindern 20, 22, 24, 26, sei es durch Selbstzündung beim Dieselmotor oder durch Zündfunke beim Ottomotor, erfolgt entsprechend den Winkelabständen der Kurbelkröpfungen 36, 38, 40, 42. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, einen klassischen Vierzylinder-Motor hinsichtlich der Zündfolge und der damit verbundenen Ausiassventilsteuerzeiten als Dreizylinder- Motor zu bertreiben. Dies bietet, wie eingangs dargestellt, große Vorteile hinsichtlich der Emissions- und Verbrauchsbegrenzung eines derartigen Motors. Figur 2 zeigt zudem deutlich Gegengewichtselemente 44, 46, 48, 50, die den Kurbelkröpfungen 36, 38, 40, 42 auf bekannte Welse zugeordnet sind. Um nun bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kurbelweile 6 ein optimales Schwingungsverhalten zu gewährleisten, sind an der ersten Kurbel kröpf ung 36 und an der vierten Kurbelkröpfung 42 Zusatzgewichte 52, 54 vorgesehen, um insbesondere die freien Massenmomente der i . Ordnung zu reduzieren. Hierdurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Kurbelwelle 6 in einer herkömmlichen Brennkraftmaschine einzusetzen, ohne Verst rkungen oder besondere Befestigungsmaßnahmen hinsichtlich des Zylindergehäuses 28 vornehmen zu müssen.

Figur 4 zeigt eine schematische Kurbelstern-Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle 6 in Sechszylinder-Ausführung. Hierbei sind sechs Kurbelkröpfungen 56, 58, 60, 62, 64 und 66 vorgesehen, die entsprechenden Zylindern 20, 22, 24, 26, 68, 70 zugeordnet sind. Die erste und zweite Kurbelkröpfung 56, 58 sind hierbei um einen Winkel von o" = ca. 240° zueinander versetzt. Die zweite und dritte Kurbeikröpfung 58, 60 sind um einen Winkel von ß = ca. 240° zueinander versetzt und die dritte und eine vierte Kurbel kröpf ung 60, 62 um einen Winkel von γ' = ca. 360° zueinander versetzt sind und die vierte und eine fünfte Kurbel kröpf ung 62, 64 um einen Winkel von δ ^λ = ca. 120° zueinander versetzt sind und die fünfte und eine sechste Kurbelkröpfung 64, 66 um einen Winkel von ε ¹ = ca. 120° zueinander versetzt sind. Eine derartige Brennkraftmaschine kann natürlich klassisch als Sechszylinder mit einer Zündfolge der Zylinder 20

- 22 - 26 - 70 - 68 - 24 betrieben werden. Er kann jedoch auch in einer Fünfzylinder Zündfolge je nach Lastzustand (20 und/oder 70) - 22 - 26 - 68 - 24. Es kann also die klassische Kurbelwelle 6 einer Sechszylinder- Brennkraftmaschine unverändert übernommen werden, wobei der Massenausgleich und die freien Massenmomente auch bei abgeschalteten Zylindern auf O-Niveau bleiben. Durch eine gleichzeitige Zündung von Zylinder 20 und 70 werden auch beispielsweise Zylinderkopfschrauben eines Zylinderkopfes nicht höher belastet. Jedoch ist hier aufgrund des Wegfalls der Zündfolge Im sechsten Zylinder in der klassischen Reihenfolge keine regelmäßige Zündfolge gewährleistet.

Eine derartige regelmäßige Zündfolge kann mit einer in Figur 5 als Kurbelstern-Ansicht gezeigten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurbeiwelle 6 in Sechszylinder-Ausführung erreicht werden. Hierbei sind sechs Kurbelkröpfungen 56, 58, 60, 62, 64 und 66 vorgesehen, die entsprechenden Zylindern 20, 22, 24, 26, 68, 70 zugeordnet sind. Die erste und zweite Kurbelkröpfung 56, 58 sind hierbei um einen Winkel von o" = ca. 60° zueinander versetzt. Die zweite und dritte Kurbelkröpfung 58, 60 sind um einen Winkel von ß" = ca. 240° zueinander versetzt und die dritte und eine vierte Kurbelkröpfung 60, 62 um einen Winkel von y" = ca. 180° zueinander versetzt sind und die vierte und eine fünfte Kurbelkröpfung 62, 64 um einen Winkel von δ" = ca. 120° zueinander versetzt sind und die fünfte und eine sechste Kurbelkröpfung 64, 66 um einen Winkel von ε" = ca. 120° zueinander versetzt sind. Die Zündfolge lautet auch hier klassisch als Sechszylinder: 20 ~ 22 - 26 - 70 - 68 24 und als Fünfzylinder: (20 und/oder 70) - 22

- 26 - 68 - 24. Über eine variable Ventilvorrichtung kann auf besonders einfache Weise eine Zylinderabschaltung realisiert werden. Um im unteren Lastbereich eine Zylinderabschaltung des Zylinders (20, 26; 20, 70), der mit der ersten oder letzten Kurbelkröpfung (36, 42; 56, 66) in Wirkverbindung steht, vor zu sehen, kann die variable Ventilvorrichtung ein Exzenterorgan ausweisen, das zumindest in einer Stellung einen Nullhub zumindest der Einlassventile des abzuschaltenden Zylinders 20, 26; 20, 70 bewirkt.