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Dokumentenidentifikation DE102004021360B4 19.03.2009
Titel Brennkraftmaschine mit Zylinderpaaren
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Pölzl, Hans-Werner, 74206 Bad Wimpfen, DE
DE-Anmeldedatum 30.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004021360
Offenlegungstag 15.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse F02B 75/22  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Zylinderpaaren, die V-förmig zueinander angeordnet sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Einbau einer eine hohe Anzahl von Zylindern aufweisenden Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug stellt hohe Anforderungen an die Auslegung des zur Verfügung stehenden Motorraumes.

Wird beispielsweise eine zwölfzylindrige Brennkraftmaschine mit v-förmig zueinander angeordneten Zylinderpaaren als Frontmotor in einem Personenkraftwagen längs eingebaut, erfordern die zur Fahrgastzelle eng beieinander angeordneten Längsträger eine eher schmal bauende Brennkraftmaschine, wodurch ein kleiner V-Winkel zwischen den Zylinderpaaren erforderlich ist.

Die in der Modellentwicklung stetig tiefer nach unten gezogenen Motorhauben hingegen erfordern eine flach bauende Brennkraftmaschine, die einen großen V-Winkel zwischen den Zylinderpaaren erfordert. Zudem erfordert der Fußgängerschutz, dass zwischen der Motorhaube und der Brennkraftmaschine ein Abstand von mindestens sechs Zentimetern besteht, wodurch an der Vorderseite des Personenkraftwagens ebenfalls flach ausgebildete, einen großen V-Winkel aufweisende Brennkraftmaschinen vorteilhaft sind.

Zum Reduzieren der Baulänge von Brennkraftmaschinen mit v-förmiger Zylinderanordnung ist es bekannt, dass die Pleuel der in Zylinderbänken benachbarten Zylinderpaare am gleichen Kurbelzapfen der Kurbelwelle angeordnet werden. Dabei ist an jedem Kurbelzapfen der Kurbelwelle für jedes der zwei Pleuel eines Zylinderpaares ein separater Kurbelzapfensitz ausgearbeitet.

Bei der Vorgabe einer gleichmäßigen Zündfolge ist der Winkel (V-Winkel), in dem die Zylinderbänke v-förmig zueinander angeordnet sind, von der Anzahl der Zylinder abhängig. Beispielsweise sind bei einem Sechszylinder die Zylinderbänke in einem V-Winkel von 120 Grad, bei einem Achtzylinder in einem V-Winkel von 90 Grad und bei einem Zwölfzylinder in einem V-Winkel von 60 Grad zueinander angeordnet.

Eine Möglichkeit den Winkel zwischen den Zylinderbänken bei, einer gegebenen Anzahl von Zylindern bis zu ca. 30 Grad zu verändern besteht in dem Versetzen der Kurbelzapfensitze der Pleuel eines Kurbelzapfens, wie es beispielsweise in der EP 0 470 721 A1 beschrieben ist.

So können unter Beibehaltung einer gleichmäßigen Zündfolge die v-förmigen Zylinderbänke beispielsweise eines Sechszylinders bei einem Versatzwinkel der Kurbelzapfensitze eines Kurbelzapfens von 30 Grad in einem V-Winkel von 90 Grad zueinander gestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Brennkraftmaschine mit Zylinderpaaren, die v-förmig zueinander angeordnet sind, gemäß dem Oberbegriff es Patentanspruchs 1 anzugeben, die an den zur Verfügung stehenden Motorraum eines Kraftfahrzeugs angepasst werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach die Zylinder eines Zylinderpaares in einem ersten Winkel V-förmig zueinander angeordnet sind, und die Zylinder mindestens eines weiteren Zylinderpaares in einem zweiten Winkel V-förmig zueinander angeordnet sind.

Dabei ist es beispielsweise möglich die Zylinder aller Zylinderpaare der Brennkraftmaschine in verschiedenen Winkeln v-förmig zueinander anzuordnen, wodurch ein gleitender Übergang von einer schmal zu einer flach bauenden Brennkraftmaschine erreicht wird.

In einer einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zylinder der Zylinderpaare der Brennkraftmaschine in zwei Winkeln v-förmig zueinander angeordnet werden. Dabei erfolgt der Übergang von dem ersten V-Winkel auf den zweiten V-Winkel im mittleren Bereich der Brennkraftmaschine. Bei einer zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine genau in der Mitte, bei einer zehnzylindrigen Brennkraftmaschine zwischen dem zweiten oder dem dritten Zylinderpaar.

Bei der Auslegung der Brennkraftmaschine mit Zylinderpaaren, die zwei unterschiedliche V-Winkeln aufweisen, würde der konventionelle Nockenwellen aufweisende Ventiltrieb im mittleren Bereich mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle über ein Pleuel mit dem Kolben eines Zylinders verbunden ist. Dabei sind die Pleuel eines Zylinderpaares an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angeordnet, wobei an dem Kurbelzapfen für jedes Pleuel ein Kurbelzapfensitz ausgebildet ist. Um eine gleichmäßige Zündfolge zu erreichen weisen die Kurbelzapfensitze einen Versatzwinkel auf, der an den V-Winkel des jeweiligen Zylinderpaares angepasst ist.

Die v-förmig zueinander angeordneten Zylinderpaare bilden zwei Zylinderreihen (oder Zylinderbänke). In einer letzten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zwei Zylinderreihen jeweils von genau einem Zylinderkopf abgedeckt werden.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftmaschine ist zur Fahrgastzelle hin schmal ausgebildet, wodurch sie leichter zwischen nah beieinander liegende Längsträger angeordnet werden kann. Zur Fahrzeugfront ist die Brennkraftmaschine flach ausgebildet, wodurch sie auch unter eine tief herunter gezogene Motorhaube passt, und wobei der zum Fußgängerschutz notwendige Abstand zwischen der Motorhaube und der Brennkraftmaschine leicht einzuhalten ist.

Im folgenden ist eine Brennkraftmaschine mit Zylinderpaaren, die v-förmig zueinander angeordnet sind, anhand von drei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit sechs Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

1.1 die Seitenansicht einer zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei die Zylinder der Zylinderpaare v-förmig zueinander angeordnet sind, und wobei der V-Winkel, der zwischen den Zylindern eines Zylinderpaares besteht, bei jedem Zylinderpaar unterschiedlich ist,

1.2 die stirnseitige Ansicht der in 1 dargestellten zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine,

2.1 eine Seitenansicht einer zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei der V-Winkel bei jeweils zwei aneinander grenzenden Zylinderpaaren gleich ist,

2.2 die stirnseitige Ansicht der in 2 dargestellten zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine,

3.1 die Seitenansicht einer zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder der ersten drei Zylinderpaare und die Zylinder der zweiten drei Zylinderpaare einen unterschiedlichen V-Winkel zueinander aufweisen,

3.2 die stirnseitige Ansicht der in 3 dargestellten zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine.

Eine zwölfzylindrige Brennkraftmaschine mit v-förmiger Zylinderanordnung soll als Frontmotor in Längsrichtung in einen Personenkraftwagen eingebaut werden. Durch die vor der Fahrgastzelle im Motorraum nahe beieinander stehenden Längsträger und durch die an der Vorderseite des Personenkraftwagens zum Kühler weit heruntergezogene Motorhaube wird die zwölfzylindrige Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen V-Winkeln ausgebildet.

Bei der zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine ist der Kolben eines Zylinders über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden. Zur Reduzierung der Baulänge der Brennkraftmaschine sind beide Pleuel eines Zylinderpaares an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angeordnet. Dabei ist an jedem Kurbelzapfen der Kurbelwelle für beide Pleuel eines Zylinderpaares jeweils ein Kurbelzapfensitz ausgebildet.

1.1 zeigt die Seitenansicht einer zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine, bei der alle sechs Zylinderpaare einen unterschiedlichen V-Winkel aufweisen. Die V-Winkel des ersten, von den Zylindern 1 und 7 gebildeten Zylinderpaares beträgt 90 Grad, der des zweiten Zylinderpaares beträgt 84 Grad, der des Dritten 78 Grad, des Vierten 72 Grad, des Fünften 66 Grad und des von den Zylindern 6 und 12 gebildeten, sechsten Zylinderpaares beträgt 60 Grad.

Um trotz des Übergangs in dem V-Winkel der Zylinderpaare von 60 Grad auf 90 Grad eine gleichmäßige Zündfolge beizubehalten weisen die zwei Kurbelzapfensitze eines Kurbelzapfens einen Winkelversatz (Split Pin) auf, der an den V-Winkel des jeweiligen Zylinderpaars angepasst ist.

Das sechste Zylinderpaar mit seinem V-Winkel von 60 Grad weist einen Kurbelzapfensitzversatz von 0 Grad auf. Das fünfte Zylinderpaar mit seinem V-Winkel von 66 Grad weist einen Kurbelzapfensitzversatz von 6 Grad auf. Das vierte Zylinderpaar mit seinem V-Winkel von 72 Grad weist einen Kurbelzapfensitzversatz von 12 Grad auf. Das dritte Zylinderpaar mit seinem V-Winkel von 78 Grad weist einen Kurbelzapfensitzversatz von 18 Grad auf. Das zweite Zylinderpaar mit seinem V-Winkel von 84 Grad weist einen Kurbelzapfensitzversatz von 24 Grad auf, und das erste Zylinderpaar mit seinem V-Winkel von 90 Grad weist einen Kurbelzapfensitzversatz von 30 Grad auf.

Während die auf die Kurbelwelle einwirkenden Kräfte zur Abtriebseite der Kurbelwelle zunehmen, wird der Winkelversatz der Kurbelzapfensitze zur Abtriebsseite von Zylinderpaar zu Zylinderpaar stetig kleiner. Durch diese sich vorteilhaft ergänzenden Eigenschaften ist die Standfestigkeit der Brennkraftmaschine trotz des Winkelversatzes zwischen den Kurbelzapfensitzen gegeben.

1.2 zeigt die zwölfzylindrige Brennkraftmaschine, bei der jeder der sechs Zylinderpaare einen unterschiedlichen V-Winkel aufweist. Dabei ist zu erkennen, dass die Brennkraftmaschine zur Fahrgastzellenseite schmal und hoch baut, und zur Vorderseite des Personenkraftwagens breit und flach baut. Eine derartige Brennkraftmaschine kann vorteilhaft einen Ventiltrieb aufweisen, der elektromagnetische oder elektrohydraulische Aktoren zum Betätigen der Gaswechselventile aufweist.

2.1 zeigt einen vereinfachten Aufbau einer zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine, bei dem jeweils zwei benachbarte Zylinderpaare den gleichen V-Winkel aufweisen, wodurch die Brennkraftmaschine drei unterschiedliche V-Winkel zwischen den Zylinderpaaren aufweist. Die vorderen zwei, von den Zylindern 1, 2, 7 und 8 gebildeten Zylinderpaare weisen einen V-Winkel von 90 Grad auf, die mittleren zwei, von den Zylindern 3, 4, 9 und 10 gebildeten Zylinderpaare weisen einen V-Winkel von 75 Grad auf und die hinteren zwei, von den Zylindern 5, 6, 11 und 12 gebildetren Zylinderpaare weisen einen V-Winkel von 60 Grad auf.

2.2 zeigt die zwölfzylindrige Brennkraftmaschine, deren Zylinderpaare mit den drei unterschiedlichen V-Winkeln zueinander angeordnet sind. Auch bei dieser Ausführungsform wird eine Anpassung der Bauform der Brennkraftmaschine an den zur Verfügung stehenden Motorraum des Personenkraftwagens erreicht. Eine derartige Brennkraftmaschine kann einen Ventiltrieb aufweisen, bei dem die Gaswechselventile der zwei den gleichen V-Winkel aufweisenden Zylinderpaare von gemeinsamen Nockenwellen betätigt werden. Die Verbindung zwischen den Nockenwellen der einen unterschiedlichen V-Winkel aufweisenden Zylinderpaare kann über Zahnräder oder über Kegelräder erfolgen, die gegebenenfalls auf Verbindungswellen angeordnet sind.

3.1 zeigt einen nochmals vereinfachten Aufbau einer zwölfzylindrigen Brennkraftmaschine, bei dem jeweils drei benachbarte Zylinderpaare im gleichen V-Winkel zueinander angeordnet sind, wodurch die Brennkraftmaschine lediglich zwei unterschiedliche V-Winkel aufweist. Die von den Zylindern 1, 2, 3, 7, 8 und 9 gebildeten Zylinderpaare weisen dabei einen V-Winkel von 90 Grad auf, die von den Zylindern 4, 5, 6, 9, 10, 11 und 12 gebildeten Zylinderpaare weisen einen V-Winkel von 60 Grad auf.

3.2 zeigt die zwölfzylindrige Brennkraftmaschine deren Zylinderpaare mit nur zwei unterschiedlichen V-Winkeln zueinander angeordnet sind. Die Anpassung der Bauform der Brennkraftmaschine an den zur Verfügung stehenden Motorraum des Personenkraftwagens wird auch bei dieser Ausführung erreicht. Eine derart ausgebildete Brennkraftmaschine kann einen Ventiltrieb aufweisen, bei dem die Gaswechselventile der jeweils drei den gleichen V-Winkel aufweisenden Zylinderpaare von gemeinsamen Nockenwellen betätigt werden. Der Antrieb dieser Nockenwellen erfolgt beispielsweise über mindestens einen Kettentrieb, der die Nockenwellen im mittleren Bereich der Kurbelwelle mit der Kurbelwelle verbindet.

Die Zylinder der in den Figuren gezeigten zwölfzylindrigen Brennkraftmaschinen bilden zwei Zylinderreihen, wobei alle Zylinder einer Zylinderreihe in einem Zylinderblock angeordnete sind, der als separates Bauteil ausgebildet ist. Gegebenenfalls können die zwei Zylinderblöcke beider Zylinderreihen als gemeinsames Bauteil ausgebildet sein. Bedingt durch die unterschiedlichen V-Winkel der Zylinderpaare weisen diese Zylinderblöcke eine Achse auf, die nicht parallel zur Achse der Kurbelwelle ausgerichtet ist.

Auf die zwei Zylinderblöcke der Brennkraftmaschine kann jeweils ein Zylinderkopf montiert werden. Bei einer zehnzylindrigen Brennkraftmaschine, die gemäß den 1.1 und 1.2 ausgebildet ist, und die V-Winkel von 60 Grad bis 90 Grad aufweist, weist das mittlere Zylinderpaar einen V-Winkel von 75 Grad auf. Auf diesem mittleren Zylinderpaar sitzt der Zylinderkopf senkrecht auf der Zylinderlaufbahn. Gegenüber dem zweiten und vierten Zylinderpaar tritt hierbei ein Versatzwinkel auf, der sich gegenüber dem ersten und fünften Zylinderpaar entsprechend verdoppelt. Für diese Zylinderpaare werden Kolben verwendet, deren Kolbenboden eine den Versatzwinkel kompensierende Form aufweisen.

Vorteilhaft ist bei der so ausgebildeten Brennkraftmaschine, dass die Zylinderköpfe einen konventionellen Ventiltrieb aufweisen, bei dem die Gaswechselventile aller Zylinder einer Zylinderreihe von durchgehenden Nockenwellen betätigt werden.

Die Nockenwellen sind dabei ebenfalls nicht parallel zur Kurbelwelle ausgerichtet, wodurch der Antrieb des Ventiltriebes vorteilhaft über Königswellen oder über Zahnriemen erfolgt. Ein Kettentrieb kann verwendet werden, wenn die Nockenwellen oder die Kurbelwelle über einen eine Schrägverzahnung aufweisenden Zwischenzahnradsatz angetrieben wird.

Zur Reduzierung der Baulänge der beschriebenen Brennkraftmaschinen können die Zylinder einer Zylinderreihe abwechselnd versetzt angeordnet werden, wie es beispielsweise in der DE 4037272 A1 mit einem Versetzungswinkel von 15 Grad beschrieben ist.

Die beschrieben Ausführungsformen ermöglichen den Einbau der Brennkraftmaschinen in Motorräume, bei denen die Längsträger zur Fahrgastzelle hin nahe beieinander stehen, und bei denen die Motorhauben an der Fahrzeugvorderseite tief herunter gezogen sind, wobei ein großer Abstand zur Brennkraftmaschine möglich ist.


Anspruch[de]
Brennkraftmaschine mit Zylinderpaaren, die v-förmig zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder eines Zylinderpaares in einem ersten V-Winkel zueinander angeordnet sind, und dass die Zylinder mindestens eines weiteren Zylinderpaares in mindestens einem zweiten V-Winkel zueinander angeordnet sind. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder aller Zylinderpaare der Brennkraftmaschine in verschiedenen V-Winkeln zueinander angeordnet sind. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder der Zylinderpaare der Brennkraftmaschine in zwei V-Winkeln zueinander angeordnet sind, und dass der Übergang von dem ersten V-Winkel auf den zweiten V-Winkel im mittleren Bereich der Brennkraftmaschine erfolgt. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine einen Ventiltrieb und eine Kurbelwelle aufweist, und dass. die Ventiltrieb im mittleren Bereich der Brennkraftmaschine mit der Kurbelwelle verbunden ist. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle über ein Pleuel mit einem Kolben eines Zylinders verbunden ist, dass die Pleuel eines Zylinderpaares an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angeordnet sind, dass an einem Kurbelzapfen für beide Pleuel eines Zylinderpaares ein Kurbelzapfensitz ausgebildet ist, und dass die Kurbelzapfensitze einen Versatzwinkel aufweisen. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die v-förmig zueinander angeordneten Zylinderpaare zwei Zylinderreihen bilden, und dass auf einer Zylinderreihe ein durchgehender Zylinderkopf montiert ist.






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