DE102005056508A1

DE102005056508A1 - V-Motor mit mindestens einem Turbolader

Info

Publication number: DE102005056508A1
Application number: DE102005056508A
Authority: DE
Inventors: Urs Wenger; Ralf Dipl.-Ing. Centmayer (FH); Eberhard Dipl.-Ing. Wizgall
Original assignee: WEBER TECHNOLOGY AG
Current assignee: WEBER TECHNOLOGY AG
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-05-24
Also published as: US7377251B2; US20070107424A1; CN100510342C; CN1966950A; JP2007138940A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen V-Motor (1) mit mindestens einem Turbolader (2) und mindestens zwei Zylindern (4), der als Dieselmotor und als Außenbordmotor für Wasserfahrzeuge ausgebildet ist und bei dem eine von den mindestens zwei Zylindern (4) zu dem mindestens einen Turbolader (2) führende Abgasanlage (6) im Innenraum (8) eines durch die Zylinder (4) gebildeten V angeordnet ist. Weiterhin können in dem V-Motor (1) eine vertikal angeordnete Kurbelwelle (11), auf Umschlag verbaubare Zylinderköpfe (19) und mit Seewasser gespeiste Kühlkreisläufe vorgesehen sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen V-Motor mit mindestens einem Turbolader und mindestens zwei Zylindern, der als Dieselmotor und als Außenbordmotor für Wasserfahrzeuge ausgebildet ist.
Außenbordmotoren zum Antrieb von Booten sind allgemein bekannt. Diese werden typischerweise mit Klemmschrauben an das Heck des Bootes geklemmt und unterscheiden sich dadurch von Einbaumotoren, die im Innenraum des Bootes verbaut sind.
Wünschenswert bei Außenbordmotoren sind eine hohe Leistung, ein geringes Gewicht sowie ein möglichst dynamisches Fahrverhalten, d. h. der Motor sollte unmittelbar auf Steuerungsanweisungen reagieren. Aus diesem Grund sind Außenbordmotoren für Wasserfahrzeuge herkömmlicherweise als benzinverbrennende Otto-Motoren mit 4-Takt- oder 2-Takt-Prinzip ausgeführt. Der Anteil an Dieselaußenbordmotoren liegt bei weniger als einem Prozent. Ein Grund hierfür liegt in dem im Vergleich zu Benzinmotoren höheren Gewicht der Dieselmotoren bei gleicher Leistung. Das höhere Gewicht resultiert dabei üblicherweise aus dem größeren Hubraum und dem höheren Materialaufwand. Weiterhin weisen Dieselmotoren häufig ein trägeres Motorverhalten als Benzinmotoren auf, was sie für die Verwendung als Außenbordmotoren ungeeignet macht.
Auf der anderen Seite gibt es Gründe, die die Verwendung von Dieselmotoren als wünschenswert erscheinen lassen. Ein Dieselmotor zeichnet sich gegenüber einem Benzinmotor durch höhere Wirkungsgrade und durch einen niedrigeren Verbrauch aus. Zusätzlich wären mit einem Dieselaußenbordmotor bspw. die Emissionsgrenzwerte der Bodenseeabgasstufe 2 ohne Abgasnachbehandlung zu erreichen.
Weiterhin sind aufgrund aktueller Brandschutzordnungen für Großjachten separate Benzinvorräte an Bord unerwünscht. Da viele Großjachten ein Beiboot mit Außenbordmotor mitführen, wäre es von Vorteil, wenn dessen Außenbordmotor mit Diesel zu betreiben wäre. Es müsste dann kein zusätzlicher Benzinvorrat mitgeführt werden, und für den Außenbordmotor könnte derselbe Dieseltreibstoff wie für den Hauptantrieb der Jacht verwendet werden. Außerdem sind die Kraftstoffkosten für Diesel geringer als für normales Benzin.
Es besteht also ein Bedarf an einem Dieselaußenbordmotor für Wasserfahrzeuge, der in seinen Fahreigenschaften gegenüber einem Benzinmotor nicht abfällt und sich durch eine möglichst hohe Leistung bei geringem Gewicht auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird daher ein V-Motor mit mindestens einem Turbolader und mindestens zwei Zylindern vorgeschlagen, der als Dieselmotor und als Außenbordmotor für Wasserfahrzeuge ausgebildet ist und bei dem eine von den mindestens zwei Zylinder zu dem mindestens einen Turbolader führende Abgasanlage im Innenraum eines durch die Zylinder gebildeten V angeordnet ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der V-Motor zwei Zylinderbänke mit jeweils einer geraden Anzahl an Zylindern auf. Vorzugsweise weisen die Zylinderbänke jeweils zwei Zylinder auf. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich also um einen V4-Motor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede Zylinderbank jeweils einen Zylinderkopf auf.
In Ausgestaltung der Erfindung kann der Motor als 4-Takt-Motor ausgebildet sein. Das 4-Takt-Prinzip ermöglicht beste Wirkungsgrade bei gutem Emissionsverhalten.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist jeder Zylinderkopf Auslassventile, die derart angeordnet sind, dass ein Abgas in Richtung des Innenraums des durch die Zylinder gebildeten V ausströmt, und Einlassventile auf, die den Auslassventilen gegenüberliegend so angeordnet sind, dass in den Zylindern jeweils eine Querströmung eines zugeführten Kraftstoffs entsteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Zufuhr des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum über eine Direkteinspritzung.
Eine Kurbelwelle kann vertikal angeordnet sein, wenn sich der Motor in seiner Betriebsposition befindet. Vorzugsweise umfasst der V-Motor einen die Antriebswelle umgebenden Schacht, bei dem ein zur Kühlung und Schmierung des Motors verwendeter Ölkreislauf als Nasssumpfkreislauf ausgebildet ist und der Nasssumpf im Schaft angeordnet ist.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist ein zur Kühlung und Schmierung des Motors verwendeter Ölkreislauf als Trockensumpfkreislauf ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen V-Motor sind vorzugsweise mehrere Turbolader vorgesehen. Die Turbolader sind in einer Ausfüh rungsform der Erfindung strömungstechnisch in Reihe zueinander angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Turbolader strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet. Selbstverständlich sind auch weitere gemischte Kombinationen der Turbolader denkbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen V-Motors ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Ladeluft vorgesehen. Vorzugsweise ist in der Kühleinrichtung als Kühlmittel Seewasser vorgesehen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zur Kühlung von Motorkomponenten ein weiterer Motorkühlkreislauf vorgesehen. Dieser weitere Motorkühlkreislauf ist vorzugsweise offen. Als Kühlmittel ist bspw. Seewasser vorgesehen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Motorkühlkreislauf geschlossen und ein mit Seewasser gespeister Wasserwärmetauscher kühlt das in dem Motorkühlkreislauf vorgesehene Kühlmittel.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße V-Motor zwei von einer Kurbelwelle angetriebene Nebenwellen auf, die jeweils zumindest eine in einem der Zylinderköpfe angeordnete Nockenwelle antreiben.
Bevorzugt ist die Ausgestaltung der Zylinderköpfe derart symmetrisch, dass die beiden Zylinderköpfe gleiche Bauteile sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine isometrische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen V-Motors in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine seitliche teilweise Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen V-Motors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Unteransicht des erfindungsgemäßen V-Motors, in der das durch die Zylinder gebildete V deutlich wird.
4 zeigt eine Frontalansicht des erfindungsgemäßen V-Motors in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine weitere Perspektivansicht des erfindungsgemäßen V-Motors in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Perspektivansicht des erfindungsgemäßen V-Motors in einem eingebauten Zustand.
In 1 ist der erfindungsgemäße V-Motor 1 in seiner bevorzugten Ausführungsform zu sehen. Der Motor 1 umfasst ei nen Turbolader 2, vier Zylinder 4, eine Abgasanlage 6, die im Innenraum 8 eines durch die Zylinder 4 gebildeten V angeordnet ist, zwei Zylinderköpfe 10, wobei jeweils einer für jede der zwei aus jeweils zwei Zylindern 4 bestehende Zylinderbänke vorgesehen ist, und eine mit einer Kurbelwelle 11 gekoppelte Antriebswelle 12, die von einem Schaft 14 umgeben ist, wie in 2 dargestellt ist.
Der Motor 1 weist vier Zylinder 4 auf, die in zwei Zylinderbänken zu jeweils zwei Zylindern 4 angeordnet sind. Wie in 3 zu erkennen ist, sind die Zylinderbänke um einen Winkel α zueinander geneigt. Erfindungsgemäß wird als Kraftstoff ein Dieselkraftstoff verwendet.
Für jede Zylinderbank ist jeweils ein Zylinderkopf 10 vorgesehen. Beide Zylinderköpfe 10 sind dabei gleiche Bauteile. Das heißt ein Zylinderkopf 10 ist um 180° gedreht jeweils auch auf der gegenüberliegenden Zylinderbank verbaubar. Die Zylinderköpfe 10 können also auf Umschlag verbaut werden. Nur die Nockenwellen der Zylinderbänke unterscheiden sich voneinander. Eine Steuerkette (nicht dargestellt) zum Steuern der Nockenwelle ist jeweils mittig zwischen den Zylindern 4 jeder Zylinderbank angeordnet. Durch die weitere symmetrische Ausgestaltung der Zylinderköpfe 10 wird das Verwenden des gleichen Zylinderkopfs 10 auf beiden Zylinderbänken möglich. Neben einer einfacheren Montage werden auch die Herstellungskosten des Motors 1 wesentlich gesenkt, da nicht zwei unterschiedliche Zylinderköpfe 10 und damit verschiedene Einzelkomponenten vorgefertigt werden müssen.
An jedem der Zylinder 4 liegen sich die Einlass- und die Auslassventile (nicht dargestellt) auf den entgegengesetzten Kopfseiten so gegenüber, dass sich eine Querströmung für Frisch- und Abgas ergibt. Diese Anordnung erlaubt eine freie Rohrführung und erleichtert die Abdichtung der Rohre. Weiterhin wirkt sich die Querströmung günstig auf die Verbrennung in den Zylinder 4 aus.
Erfindungsgemäß sind die Ein- und Auslassseiten des Zylinderkopfs 10 an den gegebenen Bauraum angepasst. Dadurch kann die Abgasanlage 6 im Innenraum 8 des V untergebracht werden. Entsprechend sind auf den gegenüberliegenden Seiten die Zuleitungen 14 vorgesehen. Der Winkel α in 3 ist dabei entsprechend groß gewählt, so dass die Abgasanlage 6 problemlos in den Innenraum 8 des V passt, wie in den 4 und 5 dargestellt ist.
Die Abgasanlage 6 mündet in einen Turbolader 2. Durch die motornahe Platzierung des Turboladers wird ein höherer Wirkungsgrad und ein besseres Ansprechverhalten des Turboladers erlangt. Zur Erzielung einer höheren spezifischen Leistung, d.h. Motorleistung bezogen auf das Motorgewicht, wird eine Aufladung mit mehreren Turboladern vorgesehen. Diese können parallel oder gemischt in Reihe angeordnet sein. Der Turbolader kann dabei als Verstelllader ausgeführt (d. h. als VTG-Lader, Variable-Turbinengeometrie-Lader) sein. Bei dieser Art von Turboladern kann durch die variable Geometrie in der Turbineneinströmung das Aufstauverhalten der Turbine kontinuierlich verändert und damit die Abgasenergie besser genutzt werden.
Im Motor 1 sind zwei Kühlkreisläufe, einer zum Kühlen der Ladeluft und einer zum Kühlen des Motors 1 vorgesehen. Der Ladeluftkühlkreis wird dabei mit Seewasser als Kühlmittel betrieben. Die Kühlung des Motors 1 erfolgt mit einer Zweikreiskühlanlage. Bei der Zweikreiskühlanlage wird das sogenannte "closed loop"-Verfahren angewendet. Der geschlossene Kühlkreislauf des Motors 1 enthält dabei ein beliebiges Kühlmittel. Dieses Kühlmittel wird mittels eines Wasserwär metauschers der wiederum Seewasser als Kühlmittel verwendet gekühlt. Denkbar ist jedoch auch eine Ausführung mit einem einfachen Kühlkreis (open loop), bei der der Motor 1 direkt mit Seewasser durchströmt wird.
Als Einspritzsysteme zum Einspritzen des Dieselkraftstoffs wird das bekannte Pumpe-Leitung-Düse (PLD)-Verfahren benutzt. Wahlweise kann jedoch auch ein anderes Einspritzsystem bspw. das "common rail"-Verfahren verwendet werden.
Die Antriebswelle 12 des Motors 1 steht wie in 6 dargestellt ist, im eingebauten Zustand des Motors 1 vertikal. Dabei ist sie von einem Schaft 14 umgeben. Die Schmierung des Motors 1 kann daher mit Hilfe des Nasssumpfverfahren erfolgen. Der Nasssumpf befindet sich dabei im Schaft 14. Alternativ kann der Motor 1 selbstverständlich auch im Trockensumpfverfahren mit Hilfe eines Öltanks geschmiert werden.
Durch die voranstehend beschriebenen Merkmale wird ein Motor 1 mit sehr geringem Bauraum erlangt. Das Leistungsgewicht des Motors 1 beträgt weniger als 1 kg/kW. Die Fahreigenschaften des Bootes werden somit nicht durch ein zu hohes Motorgewicht bzw. durch zu geringe Leistung negativ beeinflusst. Im Vergleich zu herkömmlichen mit Benzin betriebenen Außenbordmotoren ist das Drehmoment bei niedriger Motorendrehzahl größer, wodurch sich eine höhere Leistungsreserve und eine bessere Beschleunigung ergibt. Der Kraftstoffverbrauch des erfindungsgemäßen Motors 1 ist gegenüber einem herkömmlichen Benzinmotor weitaus geringer. Im Teillastbetrieb liegt der Verbrauchsvorteil bei bis zu 35%.
Mit dem erfindungsgemäßen V-Motor 1 wird somit ein Dieselaußenbordmotor für Wasserfahrzeuge bereitgestellt, der in den Kriterien Leistungsgewicht, Dynamik und Verbrauch mit herkömmlichen Benzinmotoren gleichauf liegt und diese größtenteils sogar übertrifft. Somit ist er vorteilhaft für Boote und andere kleine Wasserfahrzeuge verwendbar.

Claims

V-Motor mit mindestens einem Turbolader (2) und mindestens zwei Zylindern (4), der als Dieselmotor und als Außenbordmotor für Wasserfahrzeuge ausgebildet ist und bei dem eine von den mindestens zwei Zylindern (4) zu dem mindestens einen Turbolader (2) führende Abgasanlage (6) im Innenraum (8) eines durch die Zylinder (4) gebildeten V angeordnet ist.
V-Motor nach Anspruch 1, der zwei Zylinderbänke mit jeweils einer geraden Anzahl an Zylindern (4) aufweist.
V-Motor nach Anspruch 2, bei dem die Zylinderbänke jeweils zwei Zylinder (4) aufweisen.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit jeweils einem Zylinderkopf (10) für jede Zylinderbank.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, der als 4-Takt-Motor ausgebildet.
V-Motor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem jeder Zylinderkopf (10) Auslassventile, die derart angeordnet sind, dass ein Abgas in Richtung des Innenraums des durch die Zylinder (4) gebildeten V ausströmt, und Einlassventile aufweist, die den Auslassventilen gegenüberliegend so angeordnet sind, dass in den Zylindern (4) jeweils eine Querströmung der zugeführten Ladung entsteht.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Zufuhr des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum über eine Direkteinspritzung erfolgt.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einer Kurbelwelle (11), die vertikal angeordnet ist, wenn sich der Motor (1) in seiner Betriebsposition befindet.
V-Motor nach Anspruch 8, mit einem die Antriebswelle (12) umgebenden Schaft (14), bei dem ein zur Kühlung und Schmierung des Motors (1) verwendeter Ölkreislauf als Nasssumpfkreislauf ausgebildet ist und der Nasssumpf in dem Schaft (14) angeordnet ist.
V-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein zur Kühlung und Schmierung des Motors (1) verwendeter Ölkreislauf als Trockensumpfkreislauf ausgebildet ist.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mehrere Turbolader (2) vorgesehen sind.
V-Motor nach Anspruch 11, bei dem die Turbolader (2) strömungstechnisch in Reihe zueinander angeordnet sind.
V-Motor nach Anspruch 11, bei dem die Turbolader (2) strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sind.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Ladeluft vorgesehen ist.
V-Motor nach Anspruch 14, bei dem in der Kühleinrichtung als Kühlmittel Seewasser vorgesehen ist.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zur Kühlung von Motorkomponenten ein weiterer Motorkühlkreislauf vorgesehen ist.
V-Motor nach Anspruch 16, bei dem der weitere Motorkühlreislauf offen ist und als Kühlmittel Seewasser vorgesehen ist.
V-Motor nach Anspruch 16, bei dem der weitere Motorkühlkreislauf geschlossen ist und ein mit Seewasser gespeister Wasserwärmetauscher das in dem weiteren Motorkreislauf vorgesehene Kühlmittel kühlt.
V-Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, der zwei von einer Kurbelwelle (11) angetriebene Nebenwellen aufweist, die jeweils zumindest eine in einem der Zylinderköpfe (10) angeordnete Nockenwelle antreiben.
V-Motor nach einem der Ansprüche 4 bis 19, bei dem die Ausgestaltung der Zylinderköpfe (10) derart symmetrisch ist, dass die beiden Zylinderköpfe (10) gleiche Bauteile sind.