DE1096112B

DE1096112B - 10-cylinder engine designed as a V-engine with 5-point crankshaft

Info

Publication number: DE1096112B
Application number: DED26557A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Otto Lang
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1957-10-02
Filing date: 1957-10-02
Publication date: 1960-12-29

Description

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.10-cylinder engine designed as a V-engine with 5-point crankshaft The invention relates to a 10-cylinder engine designed as a V-engine with 5 cranked crankshafts and two each at 90 ° or almost 90 ° to each other inclined cylinders.

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.10-cylinder V-engines, which with all cylinders as internal combustion engines work have so far not been used in practice, apparently not for that reason, because this generally has high breakdown torques at the same ignition intervals 5-fold cranking does not occur with a longitudinally symmetrical crankshaft.

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.Although a 10-cylinder engine is known which is arranged in a V-shape and has cylinders inclined at 90 ° to one another. Of the ten cylinders should however a maximum of eight with fuel, the rest, for example also all cylinders, operated with compressed air.

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.This known, at best, only partially works with ignition The machine is based on a fundamentally different structure, which is the generation of steam in cooling jackets of internal combustion cylinders to drive an air compressor requires. Such a complicated system, in which the energy is converted several times must be, is unsuitable for driving motor vehicles and can at best use in stationary systems, with a more satisfactory balance of the Torque forces and the overturning moments is not achievable.

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.The invention consists essentially in that. That the Engine, in particular a motor vehicle engine, designed as a four-stroke internal combustion engine is and the pistons of the cylinder inclined by 90 ° or almost 90 ° to each other work on the same offset of the crankshaft, the cranks of the crankshaft, Calculated in the circumferential direction, the cylinders follow one another in the order 1-2-4-5-3.

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.Only 10-cylinder engines equipped with these design features offer an optimal mass balance, whereby as a result of the corresponding cranking sequence the very high tilting moment of the first order, which cannot be compensated by counterweights is completely compensated by the arrangement of each one on the same Crank working cylinder pair, the V-angle is 90 °.

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.Compared to known 8-cylinder engines, the new 10-cylinder engine offers the essential advantage that free forces are balanced up to the 10th order, while in the case of the 8-cylinder engine, compensation is only possible up to the 4th order is.

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.According to a further essential feature of the invention, it ignites alternately one cylinder of the one row and one cylinder of the one inclined at about 90 ° to the first row Another row of the V-engine, with the ignition intervals of the cylinders alternating between 90 and 54 °.

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.Another essential feature of the invention is that with a rectified cylinder sequence 1-2-3-4-5 of one row and 6-7-8-9-10 the other row of cylinders arranged in a V-shape to one another have a firing order 1-9-4-8-3-7-2-10-5-6-1 is provided.

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.The latter can be used for the series production of a 10-cylinder engine Feature the advantage that the same valve control shafts and the same exhaust pipes both V-series are possible, the construction of the engine is thus much easier will.

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).Further details and advantageous design measures can be found in the description of an exemplary embodiment shown schematically in the drawing. 1 shows a diagram of the 1st order tilting moments to be compensated by counterweights (FIG. 1 a) for various cranking arrangements (FIG. 1 b), FIG V-angles and FIG. 3 the tilting moments of the 2nd order for the various offset arrangements depending on the V-angle, FIG. 4 the schematic perspective illustration of a crankshaft according to the invention, FIG. 5 the offset star of the crankshaft and FIG. 6 schematically a firing sequence of the machine (Fig. 6a) and the ignition interval between the individual ignitions (Fig. 6b).

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.Basically the 10-cylinder V-engine has a 5-point crankshaft the advantage that the free forces of the 1st, 2nd, 4th, 6th and 8th order are balanced are. As a result, only the 10th order free forces have to be taken into account. With a corresponding design, there are also no free torques up to the 4th or 5th order on; on the other hand, the 5-fold cranked crankshaft is not longitudinally symmetrical and thus also not free of overturning moments. The size of the overturning moment becomes strong here influenced by the arrangement of the crankings in the centrally symmetrical cranking star, which enables a very extensive balance of forces and torques.

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.Altogether there are twenty-four variations with regard to the offset sequence for a 5-fold offset star, but twelve variations of each of these are mirror-symmetrical and therefore identical. Since two arrangements each of the remaining twelve possibilities are partially mirror-symmetrical, i.e. practically result in the same conditions, the following fundamentally different variation possibilities remain for the succession of the cranks in the direction of rotation of the crankshaft, the cranks being designated according to the assigned cylinders: 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, the tilting moments of the first order, which are equal at all V angles a and which can be compensated by counterweights, are shown in terms of magnitude in comparison with one another for the various cranking arrangements, namely in Fig. 1 a for the above-mentioned six cranking shapes a) to f), the cranking stars of which are indicated schematically under the respective tilting moment in FIG. 1 b. As can be seen, in version c) with the offset sequence 1-2-4-5-3, the 1st order tilting moment to be compensated is greatest, while it is smallest in version f).

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.Fig. 2 shows a diagram in which the tilting moments of the 1st order M, are plotted against the V-angle of the machine, the counterweights not compensatable tilting moment component of the 1st order for the various cranking sequences. As can be seen, the tilting moment that cannot be compensated is of the first order for all cranking effects at a V-angle of 90 ° equal to zero, which is known per se for other engines, so that with appropriately arranged and dimensioned counterweights a through the 1st order tilting moment caused by asymmetry of the crankshaft about a crankshaft axis vertical axis no longer occurs. For one that deviates from 90 ° upwards or downwards However, the V angle increases proportionally to the 1st order tilting moment that cannot be compensated very quickly, especially for execution c), while execution f) only a relatively small, non-compensable tilting moment is generated.

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.In principle, however, the conditions for the overturning moments are reversed 2nd order. In Fig. 3 the tilting moments of the 2nd order Ma are over the V-angle of the machine applied. The tilting moments of the 2nd order are for the execution for all V-angles f) largest, while they are smallest for execution c). From this it follows that the cheapest arrangement of a 10-cylinder V-machine with 5-fold cranked Crankshaft execution c) comes into consideration if the V angle is at the same time 90 °. In this case, they are otherwise proportionate for execution c) large 1st order tilting moments that cannot be compensated equal to zero, while the tilting moments 2nd order to be a minimum.

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.In Fig. 4, a crankshaft of the embodiment c) is shown while Fig. 5 shows the associated offset star. The V angle a is 90 °, i.e. H., it is the cylinders of rows 1 to 5 on the one hand and rows 6 to 10 on the other hand arranged at an angle α of 90 ° to each other, the pistons two of these cylinders by means of their associated connecting rods to the same Crank offset, e.g. B. (as indicated schematically) to the crank crank 1, articulated are.

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°.A complete compensation of the tilting moments of the 1st order is achieved here by the counterweights g1, g2, g3 or g1 ', g2', g, ', which are each directed in the opposite direction to the resulting tilting moment and approximately assume the angular position shown in FIG. As a calculation shows, the angle β between the direction of the counterweights g1 ', g,', g3 'and the crank throw 1 or between the direction of the counterweights g1, g'2, g3 and the crank throw 5 is approximately 18 °.

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.Fig. 6 shows in Fig. 6a the alternating firing order of the two rows of cylinders 1-2-3-4-5 or 6-7-8-9-10 and in Fig. 6b the ignition interval between the individual ignitions measured in crank angle degrees. The ignition interval is alternately 90 and 54 °. The unequal size of the ignition intervals is due to the large number of cylinders without any disadvantage for the running of the machine.

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.Another essential advantage of embodiment c) with the firing sequence shown in Fig. 6 consists in the following: In total, the following sixteen firing sequences are possible with a crank arrangement c): 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 All firing sequences except for the firing sequence no. 11 shown in FIG. 6 result in unequal control shafts of the injection pumps or of the valve control shafts controlling the cylinders, provided that one pump or one valve control shaft is provided per row. Also, when summarizing the exhaust lines, z. B. for the purpose of driving an exhaust gas turbine, at most, two cylinders in a row with an ignition interval of 288 ° on the one hand and 432 ° on the other hand. As a result, different exhaust pipes would have to be used for all of these ignition sequences. The same control shafts and the same combination of the exhaust pipes are only possible for both rows with the ignition sequence no.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Trained as a V-engine 10-cylinder engine with 5-fold cranked crankshaft and with two cylinders inclined by 90 ° or almost 90 ° to each other, characterized in that the engine, in particular a motor vehicle engine, is designed as a four-stroke internal combustion engine and the Pistons of the cylinders, each inclined by 90 ° or almost 90 ° to one another, work on the same offset of the crankshaft, with the cranks of the crankshaft, calculated in the circumferential direction, following one another in the order 1-2-4-5-3 of the cylinders. 2. 10-cylinder engine according to claim 1, characterized in that alternately a cylinder of one row and a cylinder of the other row of the V-engine inclined by about 90 ° to the first row ignites and the ignition intervals of the cylinders alternately 90 and 54 ° be. 3. 10-cylinder engine according to claim 1 and 2, characterized in that with a rectified cylinder sequence 1-2-3-4-5 of one row and 6-7-8-9-10 of the other row of the in V- Form mutually arranged cylinders a firing sequence 1-9-4-8-3-7-2-10-5-6-1 is provided. 4. 10-cylinder engine according to claim 1 to 3, characterized in that the same control shafts and / or the same exhaust pipes are provided for both rows of the V-engine. 5. 10-cylinder engine according to claim 1 to 4, characterized in that the crankshaft has counterweights only at its first and last crank or outside the outermost main bearing, the counterweights at one end of the crankshaft being directed opposite to those at the other end thereof and are preferably offset by approximately 18 ° in relation to one of the cranks. Considered publications German Patent Nos. 736 679, 735 925, 426 201; Schrön, The dynamics of the internal combustion engine, 1947, p.56.