Kurbeltrieb, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb einer Hubkolben-Brennmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches. Einen solchen Kurbeltrieb ist aus der Literatur, beispielweiße aus <1> sowie aus <2> bekannt. Der Kurbeltrieb dient dazu, die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umzusetzen. Die für die Kinematik des Kurbeltriebs notwendigen Größen sind der Kurbelradius (r), die Schubstangenlänge (1) und der Kurbelwinkel (a). Der Kolbenweg (So) für den nicht geschränkten Kurbeltrieb wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt : Gemäß der obigen Gleichung wird die maximale Verdichtung am oberen Totpunkt (Kurbelwinkel a = 0°) des Kolbens im Zylinder erreicht. Der Brennstoff wird (z. B. bei direkteinspritzende Dieselmotoren) kurz vor Ende der Verdichtung direkt in den Brennraum eingespritzt. Nach erfolgter Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches steigt der Druck im Zylinder schnell an. Der Druckverlauf im Zylinder erreicht dabei ein Maximum kurz nach dem oberen Totpunkt. Das an der Kurbelwelle wirkende Drehmoment hängt von der Kurbelwellenstellung ab und ist trotzt der sehr hohen Brennraumdrücke im oberen Totpunkt null, sowie nahe dem oberen Totpunkt bei kleinen Kurbelwinkel (a) sehr klein. Die beiden in Zylinderrichtung auf den Kolben wirkenden Kräfte sind die Gaskraft und die oszillierende Massenkraft. Ihre resultierende ist die Kolbenkraft (FK). Mit dem Kurbelwinkel (a), dem Schwenkwinkel (ß) und dem Pleuelverhältnis (X = r/l) lassen sich die Kräfte im Kurbeltrieb als Funktion der Gaskraft berechnen, wobei sin (ß) = k*sin (a) entspricht.

Zur Bestimmung der an der Kurbelwelle wirkenden Drehmomente (Md) müssen die

Tangentialkräfte (FT) mit dem konstanten Kurbelradius (r) multipliziert werden. Die Tangentialkräfte (FT) und das an der Kurbelwelle wirkende Drehmomente (Md) werden wie folgt errechnet : <BR> <BR> Tangentialkraft, sin (a + ß)<BR> cos (ß)<BR> Drehmoment Md'FK @ r<BR> cos (ß) Das Drehmoment (Md) ist demnach das Produkt aus dem zeitlichen Verlauf der resultierende Kolbenkraft (FK), dem geometrischem Verhältnis (a +)"sowie aus cos (ß) dem Kurbelradius (r). Der Faktor Kurbelradius (r) ist unabhängig von der Kolbenstellung konstant. Der Druckverlauf im Zylinder und damit die Kolbenkraft (FK) erreicht kurz nach dem oberen Totpunkt ein Maximum, ist über die Kolbenstellung veränderlich und nimmt nach dem erreichen des Maximums mit zunehmenden Kurbelwinkel (a) schnell ab. Der Faktor"sin (a +)"leitet sich aus der cos (ß) Geometrie des verwendeten Kurbeltriebes ab, ist im oberen Totpunkt null und nimmt bis ca. Kurbelwinkel a = 40° näherungsweise linear zu. Betrachtet man nun parallel den zeitlich veränderlichen Verlauf der Kolbenkraft (FK) und des geometrischen Faktors (a + ß) « so . d deutlich, dass mit zunehmenden Kurbelwinkel (a) die cos (ß) beiden Faktoren im Verlauf sich gegensätzlich verhalten. D. h. im dem Augenblick wo der Brennraumdruck und damit die Kolbenkraft (FK) kurz nach dem oberen Totpunkt einen Maximum erreicht, hat der geometrische Faktor"sin (a + ß) «hingegen im selben cos (ß) Augenblick bzw. beim selben Kurbelwinkel (a) einen relativ kleinen Wert und ist im oberen Totpunkt null. Dies führt dazu, dass im und nahe dem oberen Totpunkt die Gaskraft alle Bauteile und Verbände des Motors lediglich auf Zug beansprucht und aber das Drehmoment an der Kurbelwelle einen unwesentlichen Wert erreicht. Mit zunehmenden Kurbelwinkel (a) vergrößert sich zwar der Faktor"sin (a + O" cos (ß) gleichzeitig aber nimmt die Gaskraft und damit die Kolbenkraft (FK) schnell ab.

Aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge wird das an der Kurbelwelle zur Verfügung stehenden Drehmoment (Md) durch die ungünstige zeitliche Überlagerung

des Brennraumdrucks mit den Winkelverhältnissen des Pleuels und der Kurbelwelle begrenzt. Dadurch wird die in den Brennraum zugeführte Energie nur zu einem Bruchteil in einem nutzbaren Drehmoment (Md) an der Kurbelwelle umgewandelt.

Vorteile der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es einen Kurbeltrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 gekennzeichneten Art zu schaffen, der ein erhöhtes nutzbares Drehmoment (Md) an der Kurbelwelle gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Änderung der Kurbeltriebgeometrie kann der maximale Verdichtungspunkt derart eingestellt werden, dass bereits während dem Verbrennungsbeginn für das Drehmoment (Md) günstigere Kurbeltriebverhältnisse vorliegen, als bei den heute vorhandenen Kurbeltriebe. Über die Größe des Mittelpunktversatzes (40) und über den Kurbelzapfenwinkel (8) sowie über die entsprechende Zuordnung der Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) und den Pleuelaugenabschnitte (25,26, 27) kann die obere Totpunktlage des Kolbens im Zylinder und damit der maximale Verdichtungspunkt derart eingestellt werden, dass es nicht wie bisher bei Kurbelwinkel (a) = 0° erreicht wird, sondern beispielweiße erst bei Kurbelwinkel (a) = 8°. Diese neue obere Totpunktlage des Kolbens bei Kurbelwinkel (a) = 8° wird im folgendem als den"neuen"oberen Totpunkt bezeichnet. Das heißt der herkömmliche Kolbenweg (So) kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel (a), Mittelpunktversatzes (40) und Kurbelzapfenwinkel (6) in Richtung zu größeren oder kleineren Kurbelwinkeln (a) hin verschoben werden. Demzufolge kann auch der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs entsprechend dem"neuen"oberen Totpunkt angepasst werden, wodurch sich damit auch die Verbrennung beziehungsweise der maximale Brennraumdruck im Zylinder kurz nach dem"neuen"oberen Totpunkt hin verlagert. Die geometrischen

Verhältnisse des Kurbeltriebs sind im Bereich des"neuen"oberen Totpunkts für die Umwandlung des Brennraumdrucks in Drehmoment (Md) an der Kurbelwelle wesentlich günstiger. Dies führt dazu, dass im"neuen"oberen Totpunkt das Drehmoment (Md) nicht mehr null ist, sondern ergibt sich aus dem jeweiligen Brennraumdruck im"neuen"oberen Totpunkt, aus dem Kurbelradius (r) und aus dem entsprechend gewählten Kurbelzapfenwinkel (8) und somit aus den sich einstellenden Winkelverhältnissen bezüglich Kurbelwinkel (a) und Schwenkwinkel (ßi). Mit dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb läst sich somit aus einem gegebenen Druckverlauf im Zylinder ein höheres nutzbares Drehmoment an der Kurbelwelle erzielen als mit einem herkömmlichen Kurbeltrieb.

Auch der Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine kann mit dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb wesentlich reduziert werden, indem z. B. für einen bestimmten Drehmoment (Md) einen kleineren Brennraumdruck beziehungsweise eine kleinere Kraftstoffmenge bereits ausreicht, um die gleiche Leistung bei gleicher Drehzahl zu erreichen, als bei einer Brennkraftmaschine mit einem herkömmlichen Kurbeltrieb. In diesem Zusammenhang können durch die kleinere Kraftstoffmenge auch die Abgasemissionen entsprechend reduziert, beziehungsweise die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Emissionsgrenzen leichter eingehalten werden.

Weiterhin lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb über die entsprechende Auswahl des Mittelpunktversatzes (40) und des Kurbelzapfenwinkels (8) weitere Kombinationsmöglichkeiten bezüglich Drehmoment (Md), Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen darstellen.

Zeichnung Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden : In Figur 1 ist eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise eine selbst-oder fremdzündende Brennkraftmaschine und weist einen oder mehrere Zylinder auf.

Dargestellt ist eine Kurbelwelle für einen Einzylinder Brennkraftmaschine bestehend aus den beiden Kurbelwellenlagern (11, 41), den beiden Kurbelwangen (9,10) und aus einem Kurbelzapfen, der wiederum aus drei zueinander versetzt angeordnete Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) besteht. Dargestellt ist auch der Kurbelradius (r) der sich aus dem Abstand zwischen der Kurbelwellenachse (13) und der Kurbelzapfenachse (12) ergibt.

Die Figur 2 zeigt die Draufansicht der Kurbelwelle bezogen auf die Vorderansicht der Figur 1. Dargestellt sind die unteren Kurbelzapfenhälften (7,8, 38), die oberen Kurbelzapfenhälften (4,5, 6), der jeweiliger Kurbelzapfenversatz (42,43, 44,45) sowie die Kurbelzapfenbreite (30,31, 32) der Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3).

Die Figur 3 zeigt die Seitenansicht von links der Kurbelwelle, mit einem Schnitt durch den Kurbelzapfenabschnitt (2), bezogen auf die Vorderansicht der Figur 1. Dabei hat der Kurbelzapfenwinkel (8) hier einen Betrag von 90°, bezogen auf die Kurbelwangenachse (14). Die Gleit-beziehungsweise Kontaktflächen der Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) mit der jeweiligen Innenfläche der Pleuelaugenabschnitte (25,26, 27) erfolgt über die Kurbelzapfenspitzen (34,35), (die Kurbelzapfenspitze des Kurbelzapfenabschnittes (1) ist in der Figur 3 nicht dargestellt), und damit über die Kurbelzapfenbreite (30,31, 32). Um eine hohe Flächenpressung an den Kurbelzapfenspitzen (34,35) sowie an den Innenflächen der Pleuelaugenabschnitte (25,26, 27) insbesondere während den Gas-und Massenkräften zu vermeiden, sollten zum einen die Radien der Kurbelzapfenspitzen (34,35) als auch

die Kurbelzapfenbreite (30,31, 32) entsprechend groß dimensioniert werden. Außerdem sind die unteren Kurbelzapfenhälften (7,8), die oberen Kurbelzapfenhälften (4,5), der Kurbelzapfenversatz (42,43) sowie die Kurbelzapfenhauptachse (33) dargestellt.

Die Figur 4 zeigt die Seitenansicht von links mit einem Schnitt durch den Kurbelzapfenabschnitt (2) der Kurbelwelle bezogen auf die Vorderansicht der Figur 1 jedoch mit einem Kurbelzapfenwinkel (8) = 30°.

Die Figur 5 zeigt der Kurbelwelle gemäß den Figuren 1 bis 4 zugehöriges Pleuel (16) in der Vorderansicht. Darin sind die Pleuelaugenabschnitte (25,26, 27) mit den entsprechenden Pleuelaugenradien (20,21, 22), sowie die gemeinsamen Pleuelaugenmittelpunkt (28) und die Kreismittellinie (23) dargestellt, wobei die Pleuelaugenabschnitte (25,27) beziehungsweise die Pleuelaugenradien (20,22) in diesem Ausführungsbeispiel gleich groß sind. Weiterhin ist die Schubstangenlänge (1) sowie das kleine Pleuelauge (15) dargestellt.

Die Figur 6 zeigt im Halbschnitt die Seitenansicht des Pleuels (16) bezogen auf die Vorderansicht der Figur 5. Dargestellt sind unter anderem die Pleuelaugenabschnitte (25,26, 27) mit den entsprechenden Pleuelaugenradien (20,21, 22) sowie die Pleuelaugenachse (37).

Die Figur 7 zeigt eine Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß Figur 6 und Figur 1, jedoch mit Kurbelzapfenwinkel (8) = 0° sowie bei einem Kurbelwinkel (a) = 0°. Die Exzentrizität bezüglich Pleuelaugenmittelpunkt (28) und Kurbelzapfenmittelpunkt (36) und damit zwischen der Pleuelaugenachse (37) und der Kurbelzapfenachse (12) um den Betrag des Mittelpunktversatzes (40) ergibt sich dadurch, dass die obere Kurbelzapfenhälfte (4) größer ist, als das zugehörige Pleuelaugenradius (21) des Pleuelaugenabschnittes (26). Die unteren Kurbelzapfenhälften (7,8, 38) der Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) sind kleiner als die Pleuelaugenradien (20,21, 22) und können entsprechend so groß dimensioniert werden, dass zum einen der freie Lauf der Exzentrizität bezüglich Pleuelaugenmittelpunkt (28)

und Kurbelzapfenmittelpunkt (36), beziehungsweise zwischen der Pleuelaugenachse (37) und der Kurbelzapfenachse (12) in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel (a) sichergestellt ist, und zum anderen um eine hohe Festigkeit an der Kurbelwelle insbesondere an den jeweiligen Übergängen der Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) zu erreichen.

Da die Gesamthöhe, obere Kurbelzapfenhälfte (4) plus untere Kurbelzapfenhälfte (8), des Kurbelzapfenabschnittes (2) kleiner ist als der Durchmesser des Pleuelaugenabschnittes (26) wird zur Führung des Pleuels (16) mindestens ein zusätzliches Pleuelaugenabschnitt (25) benötig, wobei aus Symmetriegründen hier noch ein weiteres Pleuelaugenabschnitt (27) verwendet wird. Mit den Pleuelaugenabschnitte (25,27) kann sichergestellt werden, dass bei jedem Kurbelwinkel (a) sowohl die obere Kurbelzapfenhälfte (4) mit dem Pleuelaugenabschnitt (26), als auch die beiden oberen Kurbelzapfenhälften (5,6) mit den Pleuelaugenabschnitte (25,27) immer in Kontakt stehen und damit auch die Gleitführung des Pleuels (16) garantiert wird. Die beiden Pleuelaugenabschnitte (25,27) sind in diesem Ausführungsbeispiel im Durchmesser gleich groß und haben außerdem auch mit dem Durchmesser des Pleuelaugenabschnittes (26) den gleichen Pleuelaugenmittelpunkt (28). Die Pleuelaugenradien (20,22) der beiden Pleuelaugenabschnitte (25,27) sind größer als die zugehörigen oberen Kurbelzapfenhälften (5,6).

Die Figur 8 zeigt eine weitere Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß Figur 3 und Figur 5, jedoch mit Kurbelzapfenwinkel (8) = 0° und bei einem Kurbelwinkel (a) = 0°. Die maximale Exzentrizität zwischen der Pleuelaugenmittellinie (23) und der Kurbelzapfenachse (12) liegt in Richtung der Zylinderachse (39) bei Kurbelwinkel (a) = 0° vor und entspricht dem Mittelpunktversatz (40). Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs wird die obere Totpunktlage des Kolbens, wie auch bei den herkömmlichen Kurbeltriebe, bei einem Kurbelwinkel (a) = 0° erreicht, jedoch wird bei diesem Ausführungsbeispiel der maximale Kolbenhub (s) um das zweifache des Mittelpunktversatzes (40) vergrößert.

Die Figur 9 zeigt eine Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß Figur 3 und Figur 5, jedoch mit einem Kurbelzapfenwinkel (8) = 0° sowie bei einem Kurbelwinkel (a) = 180°.

Die Figur 10 zeigt eine Zusammenbauzeichnung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs gemäß Figur 3 und Figur 5 bei einem Kurbelwinkel (a) = 20°.

Die Figur 11 zeigt den jeweiligen Verlauf des Kolbenweges des herkömmlichen Kurbeltriebs und des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs in Abhängigkeit von Kurbelwinkel (a). Sowohl bei dem herkömmlichen als auch bei dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb wurde beispielsweiße ein Kurbelradius (r) = 35mm und eine Schubstangenlänge (1) = 125mm verwendet, wobei beim erfindungsgemäßen Kurbeltrieb außerdem einen Mittelpunktversatz (40) = 2, 5mm sowie zwei verschiede Kurbelzapfenwinkel (8) = 0° beziehungsweiße 90° berücksichtigt wurden. Die lang gestrichelte Kurve mit der Bezeichnung"neuer Kurbeltrieb mit delta = 90°"ist um einige Kurbelwinkel (a) bezüglich der ungestrichelte Kurve"herkömmlicher Kurbeltrieb"in Richtung zu größeren Kurbelwinkel (a) hin verschoben. Die kurz gestrichelte Kurve mit der Bezeichnung"neuer Kurbeltrieb mit delta = 0°"ist hingegen lediglich in der Amplitude jeweils um den Betrag des Mittelpunktversatzes (40) vergrößert, hat jedoch die gleiche Phase wie die ungestrichelte Kurve "herkömmlicher Kurbeltrieb".

Die Figur 12 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Diagramms gemäß Figur 11.

Darin wird der Verlauf des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs und damit die Unterschiede zu dem herkömmlichen Kurbeltrieb in einem größeren Maßstab verdeutlicht.

Die Figuren 13 bis 20 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß Figur 3 und Figur 5 und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei der Kurbelwinkel (a) von 0° bis 360° Kurbelwinkel variiert wird.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Wird beispielsweise dem Kurbelzapfenabschnitt (2) das im Durchmesser der kleinere Pleuelaugenabschnitt (26) und entsprechend den Kurbelzapfenabschnitte (1,3) die übrigen zwei im Durchmesser größeren der Pleuelaugenabschnitte (25,27) zugeordnet, so liegt bei einem Kurbelwinkel (a) = 0° der Pleuelaugenmittelpunkt (28) exzentrisch zum Kurbelzapfenmittelpunkt (36). Das Pleuelaugenmittelpunkt (28) und das Kurbelzapfenmittelpunkt (36) sind dabei in horizontaler Richtung um den Mittelpunktversatz (40) versetzt zu einander angeordnet, wobei in Richtung der Zylinderachse (39) diese beiden Mittelpunkte auf der gleichen Höhe liegen. Dadurch ist das Pleuel (16) bei Kurbelwinkel a = 0° um den Schwenkwinkel (ßo) bezogen auf die Zylinderachse (39) versetzt angeordnet, wobei sich cos (ßo) aus dem Verhältnis Pleuellänge (1) zu Mittelpunktversatz (40) ergibt. Mit zunehmendem Kurbelwinkel (a) rotiert der Kurbelzapfen beziehungsweise die Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) mit dem Kurbelzapfenmittelpunkt (36) im Abstand des Kurbelradius (r) um die Kurbelwellenachse (13), und gleichzeitig rotieren die Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) um die Kurbelzapfenachse (12) sowie in den jeweils zugehörige Pleuelaugenabschnitte (25,26, 27). Während ab Kurbelwinkel (a) = 0° der Kurbelzapfen beziehungsweise die Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) sowie das an den Kurbelzapfenabschnitte (1,2, 3) drehbar gelagerter Pleuel (16) eine in Richtung der Zylinderachse (39) abwärts gerichtete Bewegung durchführen, erfährt das Pleuel (16) sowie das am kleinen Pleuelauge (15) im Allgemeinen montierte Kolben zusätzlich eine durch den Mittelpunktversatz (40) aufwärts gerichtete Bewegung. Diese Relativbewegung bzw. dieser veränderlicher Abstand in Richtung der Zylinderachse (39) zwischen Pleuelaugenmittelpunkt (28) und Kurbelzapfenmittelpunkt (36) erreicht bei einem Kurbelwinkel (a) = 90° beziehungsweise bei 270° die maximale Exzentrizität, wobei diese maximale Exzentrizität genau dem Mittelpunktversatz (40) entspricht. Ab einem Kurbelwinkel (a) > 90° wird in Richtung der Zylinderachse (39) die Exzentrizität zwischen Pleuelaugenmittelpunkt (28) und Kurbelzapfenmittelpunkt (36) stetig wieder kleiner, bis bei Kurbelwinkel (a) = 180° die Exzentrizität wieder null bzw. in waagrechter Richtung wieder maximal wird.

<1>"Bau und Berechnung von Verbrennungsmotoren", Springer-Verlag, Auflage 1983, Seite 72.

<2>"Triebwerke schnellaufender Verbrennungsmotoren", Springer-Verlag, Auflage 1966, Seite 59.