kurbelschlaufenmotor als kompakter und laufruhiger pkw-antrieb - FSB

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Rosenkranz, H.-G. Kurbelschlaufenmotor als kompakter und laufruhiger Pkw-Antrieb MTZ 6/1997, 338 ... 6und vergrößert dadurch nicht den im Automobil notwendigen Bauraum. Die Welle rotiert entgegen dem Drehsinn derKurbelwelle und kann von der Außenseite der Steuerkette oder des Zahnriemens angetrieben werden.4.2 Reduzierte KolbengeräuscheEinen weiteren Beitrag zum günstigen Verhalten der Scotch-Yoke-Motoren in Bezug auf Lärmemission undVibrationen leistet die Reduzierung des Kolbenkippens. Der konventionelle Kolben wird nur durch den Kolbenschaftgeführt und ändert während der vier Takte eines Gaswechsel- und Verbrennungszyklusses, abhängig von Drehzahl undBelastung, zwischen zwei- und achtmal die Seite des Zylinders, an der er anliegt. Die Höhe desKolbenaufschlagimpulses, der das erzeugte Geräusch beeinflußt, hängt von der Seitenkraft ab, die auf den Kolbenwirkt. Der Scotch-Yoke-Mechanismus wird durch die beiden weit auseinander liegenden, fest miteinander verbundenenKolben geführt. Der weite Abstand verhindert dabei das Kolbenkippen weitgehend. Wichtiger noch ist jedoch dieTatsache, daß die Kolbenseitenkraft, die auch für die mechanischen Verluste des Kolbens und den Kolben- undZylinderverschleiß verantwortlich ist, beim Scotch-Yoke-Motor wesentlich geringer ist als beim konventionellenKurbeltrieb, Bild 5. Besonders die Kraftspitze nahe des oberen Totpunktes, wo wegen der relativ langsamenKolbenbewegung und der hohen Gastemperaturen die Kolbenschmierung problematisch ist, tritt beim Scotch-Yoke-Motor nur mit etwa der halben Amplitude auf. Die Seitenkraftspitze in der Nähe des unteren Totpunkts wird durch dieZündung des gegenüberliegenden Zylinders verursacht. Das an der Kurbelwelle abgegebene Drehmoment ist beimCMC-Scotch-Yoke-Motor, von Reibungseinflüssen abgesehen, gleich dem Reaktionsmoment, das durch dieSeitenkräfte der gegenüberliegenden Kolben am Hebelarm ihres Abstandes voneinander hervorgerufen wird. Je größerder Abstand der gegenüberliegenden Kolben ist, desto kleiner wird die Kraft, die senkrecht auf die Zylinderoberflächeausgeübt wird.Bild 5: Kolbenseitenkräfte des Scotch-Yoke- und des konventionellen Motors bei 4 000/minFig. 5: Piston sideforces of the Scotch Yoke and the conventional engine at 4 000 rpmBild 6: Maximaler Aufprallimpuls-Spitzenwert des Kolbens auf die ZylinderwandFig. 6: Maximum piston impact impulse onto the cylinderwall
Rosenkranz, H.-G. Kurbelschlaufenmotor als kompakter und laufruhiger Pkw-Antrieb MTZ 6/1997, 338 ... 7Bild 7: Reduzierung der Drehmomentschwankung durch Erhöhung der Zylinderzahl oder durch Verwendung desScotch-Yoke-KurbeltriebsFig. 7: Reduction of the peak to peak variation of the output torque by increasing the number of cylinders or byemploying a Scotch Yoke crank mechanismBeim konventionellen Motor entspricht das Moment in etwa der Kolbenseitenkraft multipliziert mit dem Abstand derKraftwirkungslinie von der Kurbelwellenachse. Vor jedem Anlagewechsel wird der Kolben durch die herrschendeSeitenkraft beschleunigt und trifft um so heftiger auf die Zylinderwand auf, je größer die beschleunigende Kraft und derBeschleunigungsweg ist. Unter der Annahme, daß das Kolbenspiel in beiden Motorbauarten gleich ist, ergibt sich beiniedriger Last ein geringer, bei Vollast aber ein beträchtlicher Vorteil für den Scotch-Yoke-Motor, Bild 6. Im amhäufigsten benutzten Drehzahlbereich um 2 000/min ist der größte Vorteil zu erwarten.4.3 Gleichförmigkeitsgrad des DrehmomentsDa Verbrennungsmotoren ihr Drehmoment intermittierend erzeugen, schwankt das momentan abgegebene Moment umein Vielfaches des nach außen abgegebenen durchschnittlichen Motormoments. Der Gleichförmigkeitsgrad wirdverbessert, wenn die Masse des Schwungrades erhöht wird. Dies verhindert aber gewollte schnelle Drehzahländerungenund erhöht das Motorgewicht. Die Drehmomentschwankungen werden durch die oszillierendenMassenträgheitswirkungen um die Kurbelwellenachse und durch die wechselnden Gasdrücke in den Zylindernbeeinflußt und sind bei Motoren mit weniger Zylindern größer als bei höherer Zylinderzahl. In Scotch-Yoke-Motorensind diese Drehmomentschwankungen in allen wichtigen Arbeitsbereichen wesentlich geringer als bei entsprechendenkonventionellen Motoren. Bild 7 zeigt das momentane Drehmoment eines Vierzylinder Scotch-Yoke-Motors beiVollast im Vergleich mit dem momentanen Drehmoment eines konventionellen Vierzylinder-Boxermotors untergleichen Bedingungen. Die Differenz zwischen den positiven und den negativen Drehmomentspitzen ist ein Maß für dieGleichförmigkeit der Drehmomentabgabe. Dieser Wert ist im gesamten Drehzahl/Drehmomentbereich für den Scotch-Yoke-Motor günstiger. Nur im Bereich sehr hoher Drehzahlen ist die Drehmomentschwankung beim Scotch-Yoke-Motor höher. Wegen der schnellen Aufeinanderfolge der Schwankungen machen sie sich hier nicht so störendbemerkbar wie bei sehr niedrigen Drehzahlen, wo sie neben den fühlbaren Vibrationen zusammen mit den Elastizitätendes Antriebsstranges Ruckeln verursachen können. Niedrige Schwingungsamplituden reduzieren auch das Entstehenschwer zu unterdrückender Resonanzschwingungen anderer Fahrzeugteile. Um die zyklischenDrehmomentschwankungen, die bei einem normalen Reihenmotor auftreten, zu reduzieren, könnte zum Beispiel voneinem Vierzylinder Reihenmotor auf einen Sechszylinder V-Motor übergegangen werden, allerdings mit dem damitverbundenen Anstieg der Kosten und einem um etwa 20 % erhöhten Platzbedarf. Es könnte aber auch ein Vierzylinder-Scotch-Yoke-Motor verwendet werden, der gleichzeitig den notwendigen Platzbedarf um etwa ein Viertel senkt. Dieberechneten Vollastwerte des momentanen Drehmoments eines entsprechenden konventionellen Sechszylindermotorssind ebenfalls in Bild 7 gezeigt.5 ZUSÄTZLICHE VORTEILEBeträchtliche Vorteile auf einem Gebiet müssen bei der heutigen ausgereiften Motorentechnik gewöhnlich mitNachteilen auf anderen Gebieten erkauft werden. Beim CMC-Scotch-Yoke-Motor scheint dies nicht der Fall zu sein.Hinsichtlich aller untersuchten Parameter verhalten sich die Scotch-Yoke-Motoren gleich oder sogar besser alsvergleichbare Motoren herkömmlicher Bauart.
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