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Dokumentenidentifikation DE19943849C1 26.10.2000
Titel Brennkraftmaschine
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Huhn, Werner, 71149 Bondorf, DE;
Weik, Roland, 74196 Neuenstadt, DE;
Balthes, Ortwin, 74343 Sachsenheim, DE;
Schubert, Clemens, 73734 Esslingen, DE;
Arbeiter, Erich, 73207 Plochingen, DE
DE-Anmeldedatum 13.09.1999
DE-Aktenzeichen 19943849
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse F02F 7/00
IPC-Nebenklasse F02B 75/22   
Zusammenfassung Eine Brennkraftmaschine weist ein einen Kurbelraum festlegendes Kurbelgehäuse auf, in welchem eine Kurbelwelle eine Rotationsbewegung ausführt. An der Kurbelwelle ist wenigstens ein Pleuel mit einem zugeordneten Kolben angebracht, welcher entlangt einer Zylinderlaufbahn eines Zylinders eine oszillierende Bewegung ausführt. In dem Kurbelgehäuse befindet sich Öl zur Schmierung des wenigstens einen Kolbens. Bei mehreren an der Kurbelwelle angeordneten Pleueln ist die Kurbelwelle in Abschnitte unterteilt, welche jeweils in axialer Richtung durch Lagerstühle des Kurbelgehäuses begrenzt sind und an welchen jeweils wenigstens ein Pleuel angebracht ist. Der Kurbelraum ist für jeden Kurbelwellenabschnitt in Einzelkurbelräume aufgeteilt, welche jeweils gegeneinander abgedichtet sind. Für jeden Einzelkurbelraum ist lediglich wenigstens eine Drosselöffnung vorgesehen, durch welche das Öl zu einem sich außerhalb des Kurbelraums befindlichen Sammelraum gelangen kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem einen Kurbelraum festlegenden Kurbelgehäuse, in welchem eine Kurbelwelle eine Rotationsbewegung ausführt, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 38 01 715 C2 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei gelangt das sich in dem Kurbelraum befindliche Öl durch an der Unterseite desselben angeordnete Öffnungen in eine unterhalb des Kurbelgehäuses angebrachte Ölwanne. Eine solche Anordnung wird auch als Naßsumpfschmierung bezeichnet.

Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Kurbelwangen der Kurbelwelle in das sich in der Ölwanne befindliche Öl eintauchen, wodurch sogenannte Panschverluste entstehen, die zu einer Erhöhung der Reibleistung der Brennkraftmaschine führen. Das sich in der Ölwanne befindliche Öl ist außerdem durch Druckschwankungen aufgrund des sich nach unten bewegenden Kolbens sehr starken Turbulenzen ausgesetzt, wodurch unter anderem eine Verschäumung des Öls entsteht. Wenn sich der Kolben anschließend nach oben bewegt, saugt er Luft an und reißt hierdurch Öl mit, was zu weiteren Turbulenzen in dem Kurbelgehäuse führt.

Eine geeignete Möglichkeit, diese Probleme zu beseitigen, läge darin, die Ölwanne sehr weit unterhalb des Kurbelgehäuses anzuordnen, wodurch die Turbulenzen vermieden werden könnten. Aus Platzgründen ist dies allerdings bei modernen Brennkraftmaschinen nicht möglich.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen mit sogenannten Trockensumpfschmierungen bekannt, bei welchen das Öl mittels wenigstens einer Ölpumpe aus dem Kurbelgehäuse in die Ölwanne gefördert wird. Hierbei ist allerdings die Notwendigkeit einer Ölpumpe nachteilig.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher das in dem Kurbelraum sich befindliche Öl sehr schnell und in definierter Art und Weise aus demselben entfernt werden kann und wobei in dem sich in dem, Kurbelgehäuse befindlichen Öl möglichst geringe Turbulenzen auftreten sollen, um so Druckverluste zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die wenigstens eine erfindungsgemäße Drosselöffnung in dem jeweiligen Einzelkurbelraum bewirkt, daß Öl von dem Kurbelgehäuse in den Sammelraum gelangen kann. Hierbei ist vorteilhafterweise der größte Bereich des Kurbelraums gegenüber dem Sammelraum abgetrennt, wodurch die in dem Kurbelraum herrschenden Turbulenzen nicht auf das sich in dem Sammelraum befindliche Öl übertragen werden. Durch die Abtrennung des Kurbelraums von dem Sammelraum ist es bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens nicht möglich, daß Öl von dem Sammelraum in den Kurbelraum zurückgesaugt werden kann.

Durch den hohen Druck bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird das Öl durch die wenigstens eine Drosselöffnung in den Sammelraum gedrängt, wodurch eine Abführung sowohl von Öl als auch von in dem Kurbelgehäuse sich befindlichen Blow-by-Gasen gewährleistet ist. Es handelt sich hierbei um eine genau definierte Drosselöffnung, die unter anderem von der Größe des Kurbel- und des Sammelraums sowie der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Diese sehr kleine Drosselöffnung des jeweiligen Einzelkurbelraums ermöglicht es, im unteren Raum des Kurbelgehäuses sehr viel Material vorzusehen und dadurch die Festigkeit in diesem Bereich zu verbessern.

Durch den annähernd vollständig abgedichteten Einzelkurbelraum wird die Druckerhöhung, die bei der Bewegung des Kolbens nach unten entsteht, gespeichert und anschließend durch Expansion wieder an die Kolbenunterseite abgegeben. Die ansonsten bei Brennkraftmaschinen entstehenden Druckverluste können durch diese adiabate Kompression zu einem sehr großen Teil verhindert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Schnitt,

Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht auf das Kurbelgehäuseunterteil der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 2 und

Fig. 5 ein Diagramm, welches den Druck in dem Kurbelraum und dem Sammelraum abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine darstellt.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, welche in an sich bekannter Weise ein Kurbelgehäuse 2 aufweist, welches in seinem Inneren einen Kurbelraum 3 festlegt. In dem Kurbelraum 3 rotiert eine Kurbelwelle 4, an welcher ein Pleuel 5 mit einem zugeordneten Kolben 6 angebracht ist. Tatsächlich sind mehrere Pleuel 5 mit zugeordneten Kolben 6 vorgesehen, bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 1 ist jedoch der Einfachheit halber lediglich ein Pleuel 5 mit einem Kolben 6dargestellt.

Der Kolben 6 führt entlang eine Zylinderlaufbahn 7 eines Zylinders 8 eine an sich bekannte oszillierende Bewegung aus. Zur Schmierung des Kolbens 6 sowie anderer Bauteile der Brennkraftmaschine 1 befindet sich in dem Kurbelraum 3 in ebenfalls bekannter Weise eine gewisse Menge an Öl.

Wie in Fig. 2 erkennbar, weist das Kurbelgehäuse 2 mehrere Lagerstühle 9 auf, welche zur Lagerung der Kurbelwelle 4 dienen. Die Kurbelwelle 4 ist somit in mehrere Abschnitte 10 unterteilt, welche jeweils in axialer Richtung durch die Lagerstühle 9 des Kurbelgehäuses 2 begrenzt sind. An jeweils einem der Kurbelwellenabschnitte 10 ist dabei mindestens ein Pleuel 5 angebracht, wobei bei einer Reihenbauweise der Brennkraftmaschine 1 an jedem Kurbelwellenabschnitt 10 genau ein Pleuel 5, bei einer V-Bauweise der Brennkraftmaschine 1 genau zwei Pleuel 5 und bei einer W- Bauweise der Brennkraftmaschine 1 genau drei Pleuel 5 angebracht sind. Selbstverständlich wären auch Bauformen der Brennkraftmaschine 1 denkbar, bei welchen den einzelnen Kurbelwellenabschnitten 10 eine größere Anzahl von Pleueln 5 zugeordnet wären, z. B. bei Brennkraftmaschinen 1 in Sternbauweise. Des weiteren ist es möglich, jede beliebige Anzahl von Zylindern 8 mit darin oszillierenden Kolben 6 vorzusehen.

Bei einer Brennkraftmaschine 1 in Boxerbauweise wären an jedem Kurbelwellenabschnitt 10 ein oder zwei Pleuel 5 angebracht, und zwar abhängig von der Lagerung der Kurbelwelle 4. So wäre eine Brennkraftmaschine 1 in Boxerbauweise dann wie eine Brennkraftmaschine 1 in Reihenbauweise zu betrachten, wenn beispielsweise bei sechs Zylindern 8 sieben Lagerstühle 9 vorgesehen wären. Hingegen wäre sie wie eine Brennkraftmaschine 1 in V-Bauweise zu betrachten, wenn beispielsweise bei sechs Zylindern 8 nur vier Lagerstühle 9 vorgesehen wären.

Für jeden Kurbelwellenabschnitt 10 ist das Kurbelgehäuse 2 durch die Lagerstühle 9 in Einzelkurbelräume 11 aufgeteilt, welche jeweils gegeneinander abgedichtet sind. Aus Fig. 3 geht hervor, daß diese Abdichtung der Einzelkurbelräume 11 dadurch realisiert ist, daß die Lagerstühle 9 bis zu einem Boden 12 an der Unterseite des Kurbelgehäuses 2 geführt sind. Alternativ wäre auch eine Abdichtung der Einzelkurbelräume 11 gegeneinander durch entsprechende Abdichtbleche oder andere, nicht dargestellte Einrichtungen denkbar, wodurch es nicht notwendig wäre, die Lagerstühle 9 bis zu dem Boden 12 nach unten zu ziehen.

Wie in den Fig. 1 und 2 erkennbar, weist jeder Einzelkurbelraum 11 mehrere Drosselöffnungen 13 auf, durch welche das Öl zu einem sich außerhalb des Kurbelraums 3 befindlichen Sammelraum 14 gelangen kann. Der Sammelraum 14 ist in diesem Fall als Ölwanne 14 ausgebildet und die Drosselöffnungen 13 sind als Schlitze 13 ausgebildet. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, die Drosselöffnungen 13 in jeder beliebigen anderen geometrischen Form auszubilden und auch pro Einzelkurbelraum 11 lediglich eine Drosselöffnung 13 vorzusehen.

Die Wirkungsweise der Drosselöffnungen 13 wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Diagramm gemäß Fig. 5 näher erläutert:

In dem Diagramm ist die Druckamplitude ≙1 des Drucks p1 in dem Kurbelraum 3 in Bezug auf die Amplitude ≙ des Hubs h des Kolbens 6 über der Frequenz f der Brennkraftmaschine 1, also der Drehzahl der Kurbelwelle 4, in einer durchgezogenen Linie dargestellt, während die Druckamplitude ≙2 des Drucks p2 in dem Sammelraum 14 ebenfalls über der Frequenz f der Kurbelwelle 4 aufgetragen ist. Um eine einfachere Darstellung zu erreichen, sind sowohl die Abszisse als auch die Ordinate im logarithmischen Maßstab dargestellt.

Bis zu einer bestimmten Eckfrequenz fEU ist die Druckamplitude ≙1 in dem Kurbelraum 3 annähernd gleich der Druckamplitude ≙2 in dem Sammelraum 14. Der Kurbelraum 3 und der Sammelraum 14 können bis zu der Eckfrequenz fEU sozusagen als ein gemeinsames Volumen betrachtet werden. Oberhalb dieser Eckfrequenz steigt die Druckamplitude ≙1 in dem Kurbelraum 3 an, während die Druckamplitude ≙2 in dem Sammelraum 14 konstant bleibt. Dies ist der Fall bis zu einer oberen Eckfrequenz fEO, bei welcher die Druckamplitude ≙1 in dem Kurbelraum 3 konstant bleibt und die Druckamplitude ≙2 in dem Sammelraum 14 abfällt. Mit anderen Worten, die Drosselöffnungen 13 wirken wie ein Tiefpaß für das Öl, welches von dem Kurbelraum 3 in den Sammelraum 14 strömen soll. Somit wird also bei niedrigen Drehzahlen das Öl ungehindert von dem Kurbelraum 3 in den Sammelraum 14 gefördert, während bei über die Frequenz fEU ansteigenden Drehzahlen ein Drosseleffekt auftritt, also die Druckamplitude ≙2 trotz der ansteigenden Druckamplitude ≙1 konstant bleibt. Schließlich kommt es bei Überschreiten der Frequenz fEO zu einem Sperreffekt, so daß trotz konstanter Druckamplitude ≙1 die Druckamplitude ≙2 in dem Sammelraum 14 fällt und gegen den Wert 0, also einem statischen Druck in dem Sammelraum 14 strebt.

Hierzu müssen selbstverständlich die Drosselöffnungen 13 entsprechend der Größe des Kurbelraums 3 und des Sammelraums 14 sowie den möglichen Drehzahlen der Kurbelwelle 4 ausgelegt werden. Bei der Drosselöffnung 13 handelt es sich also um eine definierte Öffnung. Sie wird jeweils so klein wie möglich gewählt, jedoch so groß, daß die maximal anfallende Ölmenge in den Sammelraum 14 abgeführt werden kann.

In Fig. 5 ist, wie bereits erwähnt, jeweils nur der Logarithmus der Druckamplitude ≙1 des Drucks p1 in dem Kurbelraum 3 aufgetragen, welche auf die Hubamplitude ≙ des Hubs h des Kolben 6 einer beliebigen Brennkraftmaschine 1 normiert ist. Hierbei sollte jedoch deutlich sein, daß durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens 6 in dem Zylinder 8 ein sinusförmiger Druck p1 in dem Kurbelraum 3 herrscht. Der höchste Druck wird ungefähr dann erreicht, wenn sich der Kolben 6 in seinem unteren Totpunkt befindet. Jeweils zu diesem Zeitpunkt wird Öl durch die Drosselöffnungen 13 von dem Kurbelraum 3 in den Sammelraum 14 gepreßt. Der bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 6 entstehende Druck wird also für die Abführung des Öls in den Sammelraum 14 genutzt. Statt des einen Sammelraums 14 wäre es auch möglich, für jeden der Einzelkurbelräume 11 einen separaten Sammelraum 14 vorzusehen. Auch bei einer Brennkraftmaschine 1 in V- oder W-Bauweise ergibt sich eine entsprechende Druckerhöhung durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 6, da diese auch bei einer eventuellen Aufwärtsbewegung des an demselben Kurbelwellenabschnitt 10 sich befindlichen weiteren Kolbens 6 nicht ausgeglichen werden kann. Bei einer Brennkraftmaschine 1 in Boxerbauweise, bei welcher jeweils zwei Kolben 6 gegeneinander arbeiten, ist die beschriebene Druckerhöhung besonders stark zu beobachten.

Damit sich zu diesen Zeitpunkten des hohen Drucks immer eine ausreichend Ölmenge im Bereich der Drosselöffnungen 13 befindet, ist oberhalb derselben, wie in Fig. 4 erkennbar, ein trichterartiger Stauraum 15 vorgesehen, der auf der einen Seite durch das Kurbelgehäuse 2 und auf der anderen Seite durch eine Ölabstreifklinge 16 gebildet wird. Hierdurch wird eine möglichst große Menge von Öl in den trichterartigen Stauraum 15 geleitet, welches dann beim Erreichen der Druckamplitude ≙1 durch die Drosselöffnung 13 gepreßt wird. Der Stauraum 15 könnte selbstverständlich auch jede andere geeignete Form aufweisen und muß nicht notwendigerweise trichterartig ausgebildet sein. Die schraffierte Fläche in Fig. 4 zeigt eine Hüllkurve 17 des Pleuels 5.

Neben dem Öl wird durch die Drosselöffnung 13 auch an dem Kolben 6 vorbei strömendes Blow-by-Gas entsorgt. In dem Kurbelgehäuse 2 befindet sich keine Öffnung mehr für die Blow-by-Gase, wie dies ansonsten üblich ist. Durch diesen kompletten Abschluß der Einzelkurbelräume 11 gegeneinander können die Blow-by-Gase nur noch durch die Drosselöffnungen 13 abgeführt werden. Die Blow-by-Gase strömen in einem kontinuierlichen Fluß durch den Kurbelraum 3 und unterliegen im Prinzip nicht der Pulsation durch den Kolben 6, da sie kontinuierlich an dem Kolben 6 vorbei in den Kurbelraum 3 eingetragen werden. Des weiteren stellen die Blow-by- Gase lediglich einen sehr geringen Betrag im Vergleich zu der gesamten Gasmenge in dem Kurbelraum 3 dar.

Bei hohen Drehzahlen oberhalb der Eckfrequenz fEO ergibt sich durch die fast völlige Dichtheit des Kurbelraums 3 eine annähernd adiabate Kompression bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 6, was bei der anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 6 und der damit verbundenen Expansion der in dem jeweiligen Einzelkurbelraum 11 sich befindlichen Gase zu einem Druck an der Unterseite des Kolbens 6 führt, was zusätzlich noch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 6 unterstützt. Hierdurch werden die bei üblichen Konstruktionen auftretenden Druckverluste vermieden.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform wäre es auch möglich, die Ölwanne bzw. den Sammelraum 14 nicht unterhalb des Kurbelgehäuses 2, sondern seitlich desselben zu plazieren, da das Öl in der Phase des hohen Drucks in dem Kurbelraum 3 sogar nach oben gefördert werden könnte.

Dadurch, daß sich die Drosselöffnungen 13 nicht an der untersten Stelle des Kurbelraums 3 befinden, wird noch effektiver verhindert, daß Öl durch die Drosselöffnungen 13 von dem sich im vorliegenden Fall direkt unterhalb des Kurbelgehäuses 2 befindlichen Sammelraum 14 in den Kurbelraum 3 zurückgedrängt werden kann, da die Drosselöffnungen 13 verhältnismäßig weit oberhalb des Ölspiegels in dem Sammelraum 14 angeordnet sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Brennkraftmaschine mit einem einen Kurbelraum festlegenden Kurbelgehäuse, in welchem eine Kurbelwelle eine Rotationsbewegung ausführt, wobei an der Kurbelwelle wenigstens ein Pleuel mit einem zugeordneten Kolben angebracht ist, welcher entlang einer Zylinderlaufbahn eines Zylinders eine oszillierende Bewegung ausführt, wobei sich in dem Kurbelgehäuse Öl zur Schmierung des wenigstens einen Kolbens befindet, und wobei bei mehreren an der Kurbelwelle angeordneten Pleueln die Kurbelweile in Abschnitte unterteilt ist, welche jeweils in axialer Richtung durch Lagerstühle des Kurbelgehäuses begrenzt sind und an welchen jeweils wenigstens ein Pleuel angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelraum (3) für jeden Kurbelwellenabschnitt (10) in Einzelkurbelräume (11) aufgeteilt ist, welche jeweils gegeneinander abgedichtet sind, und daß für jeden Einzelkurbelraum (11) lediglich wenigstens eine Drosselöffnung (13) vorgesehen ist, durch welche das Öl zu einem sich außerhalb des Kurbelraums (3) befindlichen Sammelraum (14) gelangen kann.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelkurbelräume (11) dadurch gegeneinander abgedichtet sind, daß die Lagerstühle (9) bis zu einer den Kurbelraum (3) zu seiner Unterseite hin begrenzenden Wandung (12) geführt sind.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich oberhalb der wenigstens einen Drosselöffnung (13) ein Stauraum (15) für das Öl befindet.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Drosselöffnung als Schlitz (13) ausgebildet ist.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum als Ölwanne (14) ausgebildet ist.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Reihenbauweise der Brennkraftmaschine (1) an jedem Kurbelwellenabschnitt (10) genau ein Pleuel (5) angebracht ist.
  7. 7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer V-Bauweise der Brennkraftmaschine (1) an jedem Kurbelwellenabschnitt (10) genau zwei Pleuel (5) angebracht sind.
  8. 8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Boxerbauweise der Brennkraftmaschine (1) an jedem Kurbelwellenabschnitt (10) ein oder zwei Pleuel (5) angebracht sind.
  9. 9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer W-Bauweise der Brennkraftmaschine (1) an jedem Kurbelwellenabschnitt (10) genau drei Pleuel (5) angebracht sind.
  10. 10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Sternbauweise der Brennkraftmaschine (1) an jedem Kurbelwellenabschnitt (10) mindestens vier Pleuel (5) angebracht sind.






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