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Als V-Motor ausgebildeter 10-Zylinder-Motor mit 5fach gekröpfter Kurbelwelle
Die Erfindung bezieht sich auf einen als V-Motor ausgebildeten 10-Zylinder-Motor
mit 5fach gekröpfter Kurbelwelle und mit je zwei um 90° oder nahezu um 90° zueinander
geneigten Zylindern.
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10-Zylinder-V-Motoren,welche mit sämtlichenZylindern als Brennkraftmaschinen
arbeiten, sind bisher praktisch nicht angewendet worden, offenbar deswegen nicht,
weil hierbei im allgemeinen bei gleichen Zündabständen hohe Kippmomente der bei
5facher Kröpfung nicht längssymmetrischen Kurbelwelle auftreten.
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Es ist zwar eine 10-Zylinder-Maschine bekannt, welche in V-Form angeordnete
und unter 90° zueinander geneigte Zylinder aufweist. Von den zehn Zylindern sollen
jedoch maximal acht mit Kraftstoff, die übrigen, beispielsweise auch alle Zylinder,
mit Druckluft betrieben werden.
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Dieser bestenfalls nur teilweise mit Zündung arbeitenden bekannten
Maschine liegt ein grundsätzlich anderer Aufbau zugrunde, welcher die Erzeugung
von Dampf in Kühlmänteln von Brennkraftzylindern zum Antrieb eines Luftverdichters
erfordert. Eine derartig komplizierte Anlage, bei der Energie mehrfach umgewandelt
werden muß, ist für den Antrieb von Kraftfahrzeugen ungeeignet und läßt sich allenfalls
bei stationären Anlagen verwenden, wobei überdies ein befriedigender Ausgleich der
Drehmassenkräfte und der Kippmomente nicht erzielbar ist.
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Die Erfindung besteht demgegenüber im wesentlichen darin., daß der
Motor, insbesondere Kraftfahrzeugmotor, als Viertaktbrennkraftmaschine ausgebildet
ist und die Kolben der je um 90° oder nahezu um 90° zueinander geneigten Zylinder
auf die gleiche Kröpfung der Kurbelwelle arbeiten, wobei die Kurbeln der Kurbelwelle,
in Umfangsrichtung gerechnet, in der Reihenfolge 1-2-4-5-3 der Zylinder aufeinanderfolgen.
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Nur mit diesen Konstruktionsmerkmalen ausgerüstete 10-Zylinder-Motoren
bieten einen optimalen Massenausgleich, wobei infolge der entsprechenden Kröpfungsfolge
das durch Gegengewichte nicht ausgleichbare sehr hohe Kippmoment erster Ordnung
vollständig ausgeglichen wird durch die Anordnung jeweils eines auf die gleiche
Kröpfung arbeitenden Zylinderpaares, dessen V-Winkel 90° beträgt.
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Gegenüber bekannten 8-Zylinder-Motoren bietet der neuartige 10-Zylinder-Motor
den wesentlichen Vorteil, daß freie Kräfte bis zur 10. Ordnung ausgeglichen werden,
während im Falle der 8-Zylinder-Maschine ein Ausgleich nur bis zur 4. Ordnung möglich
ist.
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Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung zündet abwechselnd
ein Zylinder der einen Reihe und ein Zylinder der zur ersten Reihe um etwa 90° geneigten
anderen Reihe des V-Motors, wobei die Zündabstände der Zylinder abwechselnd 90 und
54° betragen.
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Ein anderes wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
bei einer gleichgerichteten Zylinderfolge 1-2-3-4-5 der einen Reihe und 6-7-8-9-10
der anderen Reihe der in V-Form zueinander angeordneten Zylinder eine Zündfolge
1-9-4-8-3-7-2-10-5-6-1 vorgesehen ist.
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Für die Serienfabrikation eines 10-Zylinder-Motors bietet das letztgenannte
Merkmal den Vorteil, daß gleiche Ventilsteuerwellen und gleiche Abgasleitungen bei
beiden V-Reihen möglich sind, der Bau des Motors damit also wesentlich vereinfacht
wird.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte konstruktive Maßnahmen sind
der Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles
zu entnehmen. Hierbei zeigt Fig. 1 ein Diagramm der durch Gegengewichte auszugleichenden
Kippmomente 1. Ordnung (Fig. l a) für verschiedene Kröpfungsanordnungen (Fig.
1 b), Fig.2 das durch Gegengewichte nicht ausgleichbare Kippmcment 1. Ordnung für
die verschiedenen Kröpfungsanordnungen in Abhängigkeit vom V-Winkel und Fig. 3 die
Kippmomente 2. Ordnung für die verschiedenen Kröpfungsanordnungen in Abhängigkeit
vom V-Winkel, Fig.4 die schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kurbelwelle, Fig. 5 den Kröpfungsstern der Kurbelwelle und Fig. 6 schematisch eine
Zündfolge der Maschine (Fig.6a) und den Zündabstand zwischen den einzelnen Zündungen
(Fig. 6b).
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Grundsätzlich hat der 10-Zylinder-V-Motor mit 5fach gekröpfter Kurbelwelle
den Vorteil, daß die freien Kräfte der 1., 2., 4., 6. und B. Ordnung ausgeglichen
sind. Es sind infolgedessen nur die freien Kräfte 10. Ordnung zu berücksichtigen.
Auch treten bei entsprechender Bauart keine freien Drehmomente bis zur 4., 5. Ordnung
auf; dagegen ist die 5fach gekröpfte Kurbelwelle nicht längssymmetrisch
und
damit auch nicht kippmomentenfrei. Die Größe des Kippmomentes wird hierbei stark
beeinflußt von der Anordnung der Kröpfungen im zentrisch symmetrischen Kröpfungsstern,
der einen sehr weitgehenden Kräfte- und Drehmomentenausgleich ermöglicht.
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Insgesamt ergeben sich vierundzwanzig Variationen bezüglich der Kröpfungsfolge
für einen 5fachen Kröpfungsstern, doch sind hiervon jeweils zwölf Variationen spiegelsymmetrisch
und damit identisch. Da auch von den verbleibenden zwölf Möglichkeiten je zwei Anordnungen
teilspiegelsymmetrisch sind, d. h. praktisch die gleichen Verhältnisse ergeben,
so verbleiben folgende grundsätzlich verschiedene Variationsmöglichkeiten für die
Aufeinanderfolge der Kröpfungen in Drehrichtung der Kurbelwelle, wobei die Kröpfungen
entsprechend den zugeordneten Zylindern bezeichnet sind:
| a) 1-2-3-4-5 d) 1-3-2-4-5 |
| b) 1-2-3-5-4 e) 1-3-2-5-4 |
| c) 1-2-4-5-3 f) 1-4-3-2-5 |
In Fig. 1 sind die bei allen V-Winkeln a gleich großen Kippmomente 1. Ordnung, die
durch Gegengewichte ausgleichbar sind, für die verschiedenen Kröpfungsanordnungen
größenordnungsmäßig im Vergleich zueinander dargestellt, und zwar in Fig. 1 a für
die obengenannten sechs KröpfungsfoIgen a) bis f), deren Kröpfungssterne schematisch
unter dem jeweiligen Kippmoment in Fig. 1 b angedeutet sind. Wie ersichtlich, ist
bei der Ausführung c) mit der Kröpfungsfolge 1-2-4-5-3 das auszugleichende Kippmoment
1. Ordnung am größten, während es bei der Ausführung f) am kleinsten ist.
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Fig. 2 zeigt in einem Diagramm, in welchem die Kippmomente 1. Ordnung
M, über dem V-Winkel der Maschine aufgetragen sind, den durch Gegengewichte nicht
ausgleichbaren Kippmomentenanteil 1. Ordnung für die verschiedenen Kröpfungsfolgen.
Wie ersichtlich, ist das nicht ausgleichbare Kippmoment 1. Ordnung für alle Kröpfungsfolgen
bei einem V-Winkel von 90° gleich Null, was an sich für andere Motoren bekannt ist,
so daß bei entsprechend angeordneten und bemessenen Gegengewichten ein durch die
Unsymmetrie der Kurbelwelle hervorgerufenes Kippmoment 1. Ordnung um eine zur Kurbelwellenachse
senkrechte Achse nicht mehr auftritt. Für einen von 90° nach oben oder unten abweichenden
V-Winkel vergrößert sich jedoch das nicht ausgleichbare Kippmoment 1. Ordnung verhältnismäßig
sehr schnell, vor allem auch für die Ausführung c), während die Ausführung f) nur
ein verhältnismäßig kleines, nicht ausgleichbares Kippmoment erzeugt.
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Grundsätzlich umgekehrt sind jedoch die Verhältnisse für die Kippmomente
2. Ordnung. In Fig.3 sind die Kippmomente 2. Ordnung Ma über dem V-Winkel der Maschine
aufgetragen. Die Kippmomente 2. Ordnung sind bei allen V-Winkeln für die Ausführung
f) am größten, während sie für die Ausführung c) am kleinsten sind. Hieraus ergibt
sich, daß als günstigste Anordnung einer 10-Zylinder-V-Maschine mit 5fach gekröpfter
Kurbelwelle die Ausführung c) in Betracht kommt, wenn gleichzeitig der V-Winkel
90° beträgt. In diesem Falle sind für die Ausführung c) die sonst verhältnismäßig
großen nicht ausgleichbaren Kippmomente 1. Ordnung gleich Null, während die Kippmomente
2. Ordnung ein Minimum betragen.
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In Fig. 4 ist eine Kurbelwelle der Ausführung c) dargestellt, während
Fig. 5 den dazugehörigen Kröpfungsstern zeigt. Der V-Winkel a beträgt 90°, d. h.,
es sind jeweils die Zylinder der Reihe 1 bis 5 einerseits und der Reihe 6 bis 10
andererseits unter einem Winkel a von 90° zueinander angeordnet, wobei die Kolben
je zweier dieser Zylinder mittels ihrer zugeordneten Pleuelstangen an die gleiche
Kurbelkröpfung, z. B. (wie schematisch angedeutet) an die Kurbelkröpfung 1, angelenkt
sind.
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Ein vollkommener Ausgleich der Kippmomente 1. Ordnung wird hierbei
durch die Gegengewichte g1, g2, g3 bzw. g1', g2', g,' erreicht, welche jeweils dem
resultierenden Kippmoment entgegengesetzt gerichtet sind und etwa die in Fig. 5
dargestellte Winkellage einnehmen. Wie eine Berechnung ergibt, beträgt der Winkel
ß zwischen der Richtung der Gegengewichte g1', g,', g3' und der Kurbelkröpfung
1 bzw. zwischen der Richtung der Gegengewichte g1, g'2, g3 und der Kurbelkröpfung
5 etwa 18°.
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Fig. 6 zeigt in Fig. 6 a die abwechselnde Zündfolge der beiden Zylinderreihen
l-2-3-4-5 bzw.6-7-8-9-10 und in Fig.6b den Zündabstand zwischen den einzelnen Zündungen
in Kurbelwinkelgrad gemessen. Der Zündabstand beträgt hierbei abwechselnd 90 und
54°. Die ungleiche Größe der Zündabstände ist hierbei wegen der großen Zylinderzahl
ohne Nachteil für den Lauf der Maschine.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Ausführung c) mit der in Fig.
6 dargestellten Zündfolge besteht in folgendem: Insgesamt sind mit einer Kröpfungsanordnung
c) folgende sechzehn Zündfolgen möglich: 1. 1-2- 4-5-3-7-9-10-8-6-1 2. 1-2- 4-5-6-7-9-10-8-3-1
3. 1-2- 4-8-3-7-9-10-5-6-1 4. 1-2- 4-8-6-7-9-10-5-3-1 5. 1-2-10-5-3-7-9- 4-8-6-1
6. 1-2-10-5-6-7-9- 4-8-3-1 7. 1-2-10-8-3-7-9- 4-5-6-1 B. 1-2-10-8-6-7-9- 4-5-3-1
9. 1-9- 4-5-3-7-2-10-8-6-1 10. 1-9- 4-5-6-7-2-10-8-3-1 11. 1-9- 4-8-3-7-2-10-5-6-1
12. 1-9- 4-8-6-7-2-10-5-3-1 13. 1-9-10-5-3-7-2- 4-8-6-1 14. 1-9-10-5-6-7-2- 4-8-3-1
15. 1-9-10-8-3-7-2- 4-5-6-1 16. 1-9-10-8-6-7-2- 4-5-3-1 Alle Zündfolgen außer
der in Fig.6 dargestellten Zündfolge Nr. 11 bedingen ungleiche Steuerwellen der
Einspritzpumpen bzw. der die Zylinder steuernden Ventilsteuerwellen, sofern je eine
Pumpe bzw. je eine Ventilsteuerwelle pro Reihe vorgesehen ist. Auch können bei Zusammenfassung
der Abgasleitungen, z. B. zum Zwecke des Antriebes einer Abgasturbine, im Höchstfalle
zwei Zylinder einer Reihe mit einem Zündabstand von 288° einerseits und 432° andererseits
zusammengeführt werden. Bei allen diesen Zündfolgen müßten infolgedessen verschiedene
Abgasrohre verwendet werden. Nur bei der Zündfolge Nr.ll entsprechend Fig.6 sind
für beide Reihen gleiche Steuerwellen sowie eine gleiche Zusammenfassung der Abgasleitungen
möglich.