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Die
Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat für Fahrzeuge mit den Merkmalen
aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Sie
geht von der deutschen Offenlegungsschrift
DE 39 40 945 A1 aus. In
dieser ist ein Antriebsaggregat für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge,
beschrieben, das aus mehreren, mit Maschinenwellen über Kupplungseinrichtungen
leistungsbedarfsabhängig
verbindbare Brennkraftmaschinen besteht. Jede als modulares Antriebsaggregat
dienende Brennkraftmaschine weist mehrere Arbeitsräume, d.
h. Brennräume
auf. Zur Erzielung einer kurzen Baulänge jeder als Modul dienenden Brennkraftmaschine
und damit einer kurzen Gesamtbaulänge des Antriebsaggregates
wird in der
DE 39 40
945 A1 vorgeschlagen, dass die Arbeitsräume jeder Brennkraftmaschine
um die jeweilige Maschinenwelle verteilt angeordnet sind. Bei hohem
Leistungsniveau bietet sich hinsichtlich einer kurzen Baulänge die
Gestaltung einer als Modul dienenden Brennkraftmaschine als X-Brennkraftmaschine
an. Bezüglich
baulicher Einzelheiten einer X-Brennkraftmaschine wird auf die
US 4,512,291 und die EP-A-0187
930 verwiesen. Ferner werden in der
DE 39 40 945 A1 als weitere einsetzbare Brennkraftmaschinen
ein Sternmotor, ein V-Motor, ein Boxermotor, ein Zweitaktmotor, der
insbesondere als Zweitakt-Otto-Motor ausgebildet ist, sowie ein
Kreiskolbenmotor vorgeschlagen.
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Die
im Stand der Technik vorgeschlagene Koppelung von konventionellen
Brennkraftmaschinen, die freie, wenn auch teilweise geringe Kräfte und Momente
aufweisen, wie z.B. Reihen-6-Zylinder-, Vierzylinder-, Boxermotor
oder andere, sowie Kreiskolbenmotoren, führt im PKW zu höherem Bauaufwand
und erscheint aus Packagegründen
nicht sinnvoll durchführbar.
Bei einer Triebwerksabschaltung mit Kreiskolbenmotoren, welche je
nach Bauweise über
fast keine freien Kräfte
und Momente verfügen, bleiben
zusätzlich
deren prinzipiellen Nachteile, wie das schlechte Oberflächen-Volumenverhältnis des Brennraums,
die Einschränkung
in der Verdichtung und die problematische Abdichtung des Kreis-
oder Drehkolbens erhalten. Der größte gravierende Nachteil, mit
Ausnahme von Kreiskolbenmotoren, besteht jedoch wie bereits geschildert
in den freien Massen, die beim Betrieb des Antriebsaggregates zu
einer störenden
Laufunruhe führen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Antriebsaggregat
für Fahrzeuge
mit einer wesentlich verbesserten Laufruhe bei gleichzeitig geringerem
Bauraumbedarf aufzuzeigen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 dadurch gelöst,
dass die Brennkraftmaschinen des Antriebsaggregats einen hypozykloidischen
Kurbeltrieb aufweisen.
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Bezüglich Aufbau,
Vorteile und Funktionsweise von Brennkraftmaschinen mit hypozykloidischen
Kurbeltrieb wird insbesondere auf die europäische Patentschrift
EP 0 809 749 B1 hingewiesen. Weiter
wird zur Optimierung der Laufruhe auf die europäische Patentschrift
EP 0 847 481 B1 verwiesen. Zusätzlich zeichnen
sich Brennkraftmaschinen mit hypozykloidischem Kurbeltrieb, insbesondere
wie jene in dem Patent
EP
0 809 749 B1 beschrieben, durch ihre kompakte Bauweise
aus. Im Gegensatz zu konventionellen Boxermotoren können aufgrund
der Kurbelwellengestaltung auch bei großen Hub-/Bohrungsverhältnissen
Zylinderabstände
wie bei Reihenmotoren realisiert werden. In Verbindung mit dem fehlenden
Zylinderversatz bauen sie somit kürzer und auch schmaler, da
die übliche
Begrenzung der Pleuelgeige zu den Laufbuchsen entfällt.
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Darüber hinaus
besitzen Brennkraftmaschinen mit einem hypozykloidischem Kurbeltrieb
in vorteilhafter Weise einen vollkommenen Massen- und Momentenausgleich,
der auch beim Abschalten einer Brennkraftmaschine eines Antriebsaggregats
erhalten bleibt. Dies gilt ebenso für den gleichmäßigen Zündabstand,
wenn man unter Verwendung des 4-Takt-Verfahrens als Basis ein 4-Zylinder-Modul wählt. Das
Fehlen unterschiedlicher Beschleunigungen im OT/UT (unteren Totpunkt/oberer
Totpunkt des Kolbens) ist ein weiterer Vorteil für die Koppeltechnik. Bei konventionellen
Motoren treten dadurch sehr hohe Torsionsmomente innerhalb der ohnehin
längeren
Kurbelwelle auf. Sie erreichen bei den gängigen Maximaldrehzahlen etwa
das 3- bis 4-fache des abgegebenen Nutzmomentes, die bereits ohne
Gaskraft nur durch die unterschiedlichen Massenkräfte im OT/UT
auftreten. Aus diesen Gründen
eignen sich erfindungsgemäß Brennkraftmaschinen
mit einem hypozykloidischem Kurbeltrieb am besten zur Lösung der
o. g. Aufgabe.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
2 stellt eine erste bevorzugte Ausgestaltungsvariante für das Antriebsaggregat
für Fahrzeuge
dar.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
3 stellt eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltungsvariante
dar.
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Gemäß Patentanspruch
4 verfügen
die Antriebsaggregate gemäß der Patentansprüche 1 bis
3 über
eine Kupplungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur phasenstarren
Kopplung der Brennkraftmaschinen. Diese Ausgestaltung gewährleistet,
dass nach dem Zuschalten einer weiteren Brennkraftmaschine bzw.
Kurbeltriebs eine definierte Winkellage der beiden Abtriebs-, bzw.
Kurbelwellen zueinander gewährleistet
ist. Damit ist sichergestellt, dass die Brennkraftmaschinen mit
einem gleichmäßigen Zündabstand,
betrieben werden (z.B.: bei 8-Zylinder-Viertakt-Bauweise: 180° im 4-Zylinderbetrieb
und 90° im
8-Zylinder-Betrieb). Diese Funktion kann beispielsweise von einem
Rastbolzen übernommen werden.
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Da
der zeit- und/oder hubvariable Ventiltrieb hauptsächlich im
unteren Teillastbereich Verbrauchsvorteile aufweist und in diesem
Bereich gem. Patentanspruch 5 vorzugsweise nur ein Modul, d. h.
eine Brennkraftmaschine betrieben wird, ist es aus Kostengründen besonders
vorteilhaft, nur dieses entsprechende Modul damit auszustatten.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen
in drei Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat
mit zwei direkt koppelbaren 4-Zylinder-Brennkraftmaschinen;
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2 zeigt
ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat
mit drei miteinander koppelbaren Brennkraftmaschinen;
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat
mit vier miteinander koppelbaren Brennkraftmaschinen;
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1 zeigt
die Aufsicht auf eine dreidimensionale Darstellung der hypozykloidischen
Kurbeltriebe eines erfindungsgemäßen Antriebsaggregates, bestehend
aus einer ersten Brennkraftmaschine 3 und einer zweiten
Brennkraftmaschine 3'.
Die erste und die zweite Brennkraftmaschine 3, 3' sind Vierzylinder-Brennkraftmaschinen
mit zueinander fluchtenden Abtriebswellen 4, 4', die mit einer
Kupplungseinrichtung 2 kuppelbar sind. Um eine phasen starre Kopplung
der Brennkraftmaschinen 3, 3' darzustellen, weist die Kupplungseinrichtung 2 eine
Rasteinrichtung 6 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein Verriegelungsstift ist. Jede Brennkraftmaschine weist somit
vier Kolben 8, 8' auf,
wobei jeweils zwei diametral zueinander angeordnete Kolben 3 bzw. 3' über ein
gemeinsames Kolbenmittelteil 9 bzw. 9' miteinander
in Wirkverbindung stehen. Zwischen den Kolben jeder Brennkraftmaschine 3, 3' ist jeweils eine
Watt'sche Geradführung 7, 7' angeordnet,
wobei jeweils nur die oberen, dem Betrachter zugewandten Anlenkhebel
erkennbar sind.
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Zum
genauen Brennkraftmaschinenaufbau und zur Funktionsweise des hypozykloidischen
Kurbeltriebs wird nochmals auf die Ausführungen in den europäischen Patentschriften
EP 0 809 749 B1 und
EP 0 847 481 B1 verwiesen.
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1 zeigt
beispielhaft eine direkte Koppelung zweier Brennkraftmaschinen mit
hypozykloidischen Kurbeltrieben über
die schaltbare Kupplungseinrichtung 2. Hierbei ist zu beachten,
dass nach dem Zuschalten des zweiten Kurbeltriebes der zweiten Brennkraftmaschine 3' eine definierte
Winkellage der beiden Kurbelwellen zueinander gewährleistet
sein muss. Hiermit wird sichergestellt, dass die zwei Brennkraftmaschinen 3, 3' mit gleichmäßigem Zündabstand
betrieben werden (z.B. bei 8-Zylinder-Bauweise: 180° im Vierzylinderbetrieb
und 90° im
8-Zylinderbetrieb). Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Funktion
von der Rasteinrichtung 6 übernommen. In einer weiteren
bevorzugten Ausgestaltungsvariante weist die erste Brennkraftmaschine 3 darüber hinaus
einen, in keiner der 1 bis 3 dargestellten
hub- und/oder zeitvariablen Ventiltrieb
auf, um im niedrigen Drehzahl- und Teillastbetrieb ein möglichst
großes
Kraftstoffeinsparungspotential aufzuweisen.
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Die
Brennkraftmaschinen 3, 3' mit ihrem hypozykloidischen Kurbelgetriebe
zeichnen sich, wie in den 1 bis 3 erkennbar,
durch eine sehr kompakte Bauweise aus. Diese resultiert aus einer
sehr geringen Baulänge
bei einem gleichen Zylinderabstand wie bei Reihenbrennkraftmaschinen,
dem fehlenden Zylinderversatz und aus einer extrem geringen Bauhöhe, da die
Kolben 8, 8',
bzw. Zylinder in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sind. Weiterhin
weisen diese Hubkolben-Brennkraftmaschinen 3, 3' gegenüber Brennkraftmaschinen
in Boxerbauweise eine geringere Baubreite auf, da die Kolbenhemden
aufgrund der großen
Abstützlänge extrem
kurz ausgeführt
werden können.
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Am
meisten ist die Eigenschaft hervorzuheben, dass Brennkraftmaschinen
mit einem hypozykloidischen Kurbelgetriebe einen vollkommenen Massen- und Momentenausgleich
aufweisen, der auch beim Abschalten einzelner Brennkraftmaschinen; z.B. 3' erhalten bleibt.
Dies gilt ebenso für
den gleichmäßigen Zündabstand.
Aus diesen Gründen
eignen sich Brennkraftmaschinen 3, 3' mit einem hypozykloidischen
Kurbelgetriebe ganz besonders für
ein gattungsgemäßes Antriebsaggregat 1 in
Kraftfahrzeugen.
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In 2 gelten
für gleiche
Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in 1. 2 zeigt
eine Aufsicht auf die hypozykloidischen Kurbeltriebe eines Antriebsaggregates 1 bestehend
aus drei Brennkraftmaschinen 3, 3' und 3''.
Während
die erste und die zweite Brennkraftmaschine 3, 3' jeweils als
4-Zylinder-Aggregate ausgeführt
sind, ist die dritte Brennkraftmaschine 3'' als
8-Zylinder-Brennkraftmaschine, d.
h. aus zwei starr miteinander gekoppelten 4-Zylinder-Brennkraftmaschinen ausgeführt. Die
Abtriebswellen 4, 4' und 4'' sind wiederum zueinander fluchtend.
Der Hauptunterschied zwischen 1 und 2 liegt
darin, dass die drei Brennkraftmaschinen 3, 3', 3'' zusätzlich eine gemeinsame Abtriebswelle 5 aufweisen,
die weitgehend parallel zu den brennkraftmaschineneigenen Abtriebswellen 4, 4', 4'' ausgerichtet ist. Die Abtriebswellen 4, 4', 4'' sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
jeweils über
einen Zahnkettentrieb und eine Kupplungseinrichtung 2, 2', 2'' mit jeweils einer Rasteinrichtung 6, 6', 6'' mit der gemeinsamen Abtriebswelle 5 verbindbar.
Auch in diesem zweiten Ausführungsbeispiel
ist die erste Brenn kraftmaschine 3 vorzugsweise mit einem
hub- und/oder zeitvariablen Ventiltrieb ausgestattet.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Abtriebswellen 4, 4', 4'' jeweils über einen Zahnkettentrieb in
Verbindung mit den Kupplungseinrichtungen 2, 2', 2'' mit der gemeinsamen Abtriebswelle 5 verbindbar.
An Stelle des Zahnkettentriebs ist auch ein Zahnriementrieb möglich. Das Zuschalten
des Kurbeltriebs, bzw. der Abtriebswelle 4' der zweiten Brennkraftmaschine 3', deren Kurbelwelle
aus o. g. Gründen
ebenfalls vorzugsweise um 90° gedreht
zur Abtriebswelle 4 der ersten Brennkraftmaschine 3 angeordnet
ist, erfolgt über
die Kupplungseinrichtung 2'.
Das Zuschalten der dritten Abtriebswelle 4'' der
dritten Brennkraftmaschine 3'' erfolgt über die
Kupplungseinrichtung 2''. Die Kupplungseinrichtung 2, über welche
die Abtriebswelle 4 der ersten Brennkraftmaschine 3 mit
der gemeinsamen Abtriebswelle 5 verbindbar ist, wird nur
benötigt, wenn
die erste Brennkraftmaschine 3 im Betrieb aufgrund einer
technischen Störung
stillgelegt werden muss.
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In
einem weiteren nicht figürlich
dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die dritte Brennkraftmaschine 3'' ebenfalls
durch zwei separate vierzylindrige Brennkraftmaschinen mit jeweils
einem hypozykloidischen Kurbeltrieb dargestellt werden. In diesem
Fall erfolgt das Zuschalten des dritten Kurbeltriebes vorzugsweise
in Kombination mit dem vierten Kurbeltrieb, z.B. durch eine direkte
Kopplung wie in 1, ebenfalls über die
Kupplungseinrichtung 2''. In diesem
Fall weist die Abtriebswelle 3'' der
dritten Brennkraftmaschine 3'' eine um 45° und die
Abtriebswelle des vierten Kurbeltriebes der vierten Brennkraftmaschine
eine um 135° gedrehte
Position zur Abtriebswelle 4 der ersten Brennkraftmaschine 3 auf. Dadurch
werden folgende gleichmäßige Zündabstände gewährleistet:
- – 180° im 4-Zylinderbetrieb,
- – 90° im 8-Zylinderbetrieb
und
- – 45° im 16-Zylinderbetrieb.
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Die
Winkellagen der drei Abtriebswellen 4, 4', 4'' und der vierten Abtriebswelle
sind wie im ersten Ausführungsbeispiel
durch Rasteinrichtungen 6, 6', 6'' und
in o. g. Fall über
eine vierte Rasteinrichtung zu sichern.
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Die
Kraftübertragung
der einzelnen Brennkraftmaschinen 3, 3', 3'' auf die gemeinsame Antriebswelle 5 kann
in weiteren Ausführungsbeispielen auch über Zahnradpaarungen,
Rollenkettentriebe oder andere geeignete Mechanismen erfolgen.
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In 3,
in der für
gleiche Bauteile wiederum die gleichen Bezugsziffern wie in den 1 und 2 gelten,
werden die Abtriebswellen 4, 4' und die Abtriebswellen 4'', 4''' von vier Brennkraftmaschinen 3, 3', 3'', 3''' mit hypozykloidischen
Kurbeltrieben über
die schaltbaren Kupplungseinrichtungen 2, 2' direkt und über die
dritte Kupplungseinrichtung 2'' wiederum
mit der Abtriebswelle 5 verbunden. Auf diese Weise sind
mit einer singulären
Transmission zur Abtriebswelle 5 ebenfalls alle Motorbetriebsvarianten darstellbar
(4-, 8-, 12-, 16-Zylinderbetrieb).
Alle zuvor genannten Ausführungen
zu den unterschiedlichen Kopplungsmöglichkeiten gelten auch für das Ausführungsbeispiel
in 3.
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Aus
kostenmäßiger und
fertigungstechnischer Betrachtung sind baugleiche Module, bzw. Brennkraftmaschinen 3, 3', 3'', 3''' erstrebenswert.
Es kann jedoch sinnvoll sein, z.B. aus weiteren Verbrauchsgründen oder
aus vertriebstechnischen Notwendigkeiten von Hubraumvariationen
auch unterschiedliche Hubräume
miteinander zu kombinieren.
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Die
Baugröße des Anlassers
und die für
den Kaltstart erforderliche Batteriekapazität können aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
sehr gering gehalten werden, da grundsätzlich nur die erste Brennkraftmaschine 3 gestartet
wird. Dabei wird zunächst
nur eine geringe Ölmenge
erwärmt,
um möglichst
schnell die Reibung zu reduzieren. Im warmen Betriebszustand hingegen
sind alle Brennkraftmaschinen durch einen gemeinsamen Öl- und Wasserkreislauf
verbunden, so dass sowohl im jeweiligen Teiltriebwerk (Brennkraftmaschine)
die richtigen Temperaturen anliegen und auch für die temporär stillgelegten
Brennkraftmaschinen 3', 3'', 3''' eine entsprechende
Temperatur vorgehalten wird. Die Zu- und Abschaltung der einzelnen
Brennkraftmaschinen 3', 3'', 3''' kann halb-
oder vollautomatisch erfolgen. Entsprechende Schaltprogramme können beispielsweise
auf Fahrerwunsch zwischen „Sport" oder „Eco" gewählt werden.
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Die
Zuschaltung einzelner Module (Brennkraftmaschinen 3', 3'', 3''') kann vorzugsweise
auch durch Elektromotoren unterstützt werden, um z.B. für den kurzen Übergang
ein höheres
Moment zur Verfügung
zu stellen. Bei Hybrid-Antrieben
kann diese Funktion ohne Mehraufwand integriert werden. In Verbindung
mit der Koppeltechnik könnte
so durch zusätzliche
Nutzung der Bremsenergie-Rückgewinnung
im entsprechenden Zyklus (z.B. KV 01) die Brennstoffsverbrauchsreduzierung
von 25 % auf ca. 35 % erhöht
werden.
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Insgesamt
ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung folgende Vorteile:
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Packagefunktion:
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Die
kompakte Bauform und der vollkommene Massen- und Momentenausgleich
des hypozykloidischen Kurbeltriebes begünstigen ein modulares Triebwerkskonzept
im Bauraum herkömmlicher
Fahrzeuge. Die kompakte und kurze Bauweise eröffnet besondere Vorteile hinsichtlich
Gewicht, Design, Crash und Fußgängeraufprallschutz.
Der gleichmäßige Zündabstand
sowohl der einzelnen Brennkraftmaschinen 3, 3', 3'', 3'' wie
auch des gesamten Antriebsaggregates 1 bleibt erhalten.
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Wirkungsgrad:
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Wie
oben bereits beschrieben, können
bei Komplettabschaltung einzelner Brennkraftmaschinen 3', 3'', 3''' die höchsten Wirkungsgradverbesserungen
erzielt werden. Es sind Verbrauchspotentiale von etwa 25 % (z.B.
im Zyklus KV01) zu erzielen, so weit es sich um die Stilllegung
von einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine
eines 8-Zylinder-Antriebsaggregates handelt. Bei mehr als 8-zylindrigen
Antriebsaggregaten sind bei aktiven 4 Zylindern im Leerlauf und
im unteren Teillastbereich die Verbrauchseinsparungen entsprechend
höher.
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Schaltungsstrategie:
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Gestartet
wird jeweils nur eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine. Dadurch ist
nur ein kleiner Anlasser mit geringem Gewicht und geringerer Batteriekapazität erforderlich.
Dieser Vorteil ist bei tiefen Temperaturen besonders signifikant.
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Fertigung/Kosten:
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Es
existieren für
alle Antriebsaggregatskonfigurationen (4-, 8-, 12- und 16-Zylinder) bestenfalls nur
eine oder eine geringe Anzahl von Grund-Brennkraftmaschinen und
Zylinderkopfeinheiten. Daraus ergeben sich erhebliche Einsparungen
aufgrund der geringen Variantenvielfalt im Bereich der Fertigung der
einzelnen Brennkraftmaschinen 3, 3', 3'', 3''', bzw.
der kompletten Antriebsaggregate 1.
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Variabilitäten des
Ventiltriebes, insbesondere Öffnungsdauer-
und Hubvariabilitäten
zur Reduzierung des Verbrauchs und der Emissionen sind hauptsächlich im
unteren Teillastbereich wirksam und daher nur im ersten Teillastmodul,
d. h. der ersten Brennkraftmaschine 3 erforderlich, wodurch nochmals
die Kosten gesenkt werden können.
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- 1.
- Antriebsaggregat
- 2,
2', 2''
- Kupplungseinrichtung
- 3,
3', 3'', 3'''
- Brennkraftmaschine
- 4,
4', 4'', 4'''
- Abtriebswelle
- 5.
- gemeinsame
Abtriebswelle
- 6,
6', 6''
- Rasteinrichtung
- 7,
7', 7'', 7'''
- Watt'sche Geradführung
- 8,
8', 8'',8'''
- Kolben
- 9,
9', 9'', 9'''
- Kolbenmittelteil