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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugantriebsstrangs
mit einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, in denen mit
einer gemeinsamen Kurbelwelle verbundene Kolben arbeiten, bei welchem
Verfahren die Lastanpassung der Brennkraftmaschine zumindest teilweise
dadurch erfolgt, dass die Zylinder nach einem vorbestimmten Programm
selektiv abgeschaltet werden. Die Erfindung betrifft weiter einen
Fahrzeugantriebsstrang.
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8 zeigt
mit der gestrichelten Linie einen Fahrzyklus, wie er im NEDC (New
European Driving Cycle) zur Verbrauchsmessung durchfahren wird. Die
Abszisse zeigt die Testzeit in Sekunden; die rechtsseitige Ordinate
zeigt die Fahrgeschwindigkeit.
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Wenn
ein solcher Fahrzyklus mit einem Fahrzeug der „Golfklasse” mit einem üblichen
Vierzylinder-Ottomotor mit zwei Liter Hubraum durchfahren wird,
wird die Brennkraftmaschine bei üblichen
Getriebeübersetzungen
ständig
im Teillastbetrieb betrieben, d. h. in einem Betriebsbereich, in
dem die Füllung
der einzelnen Zylinder weit unterhalb der Füllung liegt, bei der ein günstiger
spezifischer Verbrauch erzielt wird. Wie allgemein bekannt, steigt
der spezifische Verbrauch der Brennkraftmaschine, ausgehend von
einem Minimum, mit abnehmender Last an, wobei dieser Anstieg bei
Ottomotoren ausgeprägter
ist als bei Dieselmotoren.
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In 8 sind
auf der linksseitigen Ordinate die gefeuerten Zylinder bzw. Betriebszustände der Brennkraftmaschine
angegeben, bei denen Zylinder selektiv abgeschaltet werden. Dabei
bedeutet 2 Zyl-P einen Betrieb, bei dem gegenüber dem normalen Vierzylinderbetrieb
ein Zylinder aussetzt, der nachfolgende Zylinder befeuert wird,
dann wieder ein Zylinder aussetzt, der dann nachfolgende Zylinder
befeuert wird und anschließend
alle vier Zylinder aussetzen, woraufhin der Zyklus neu beginnt (Zweizylinderbetrieb
mit Pause). 2 Zyl bedeutet, dass die Brennkraftmaschine derart betrieben
wird, dass zwischen je zwei befeuerten Zylindern ein Zylinder aussetzt.
4 Zyl bedeutet, dass alle vier Zylinder in üblicher Weise befeuert werden.
Wie ersichtlich, genügt
für den
bei weitem größten Teil
des NEDC ein Betreiben der Brennkraftmaschine im 2 Zyl-P Modus.
Für einen kleinen
Teil ist der 2 Zyl Modus erforderlich. Für einen noch kleineren Teil
werden alle vier Zylinder benötigt.
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9 gibt
die im NEDC durch Zylinderabschaltung möglichen Verbrauchseinsparungen
abhängig
von den möglichen
Betriebsmoden an. Der Modus 4/2 bedeutet, dass die Maschine sowohl
im 4 Zyl Modus als auch im 2 Zyl Modus betrieben wird. Der Modus
4/2/2-P bedeutet, dass alle in 10 gezeigten
Moden möglich
sind. Die jeweiligen Moden, mit denen die Maschine im Leerlauf betrieben
wird, sind gesondert angegeben. Wie ersichtlich, lassen sich je
nach Modus Verbrauchsvorteile zwischen 10 und 18% erzielen. Dies
liegt daran, dass die Brennkraftmaschine im 2 Zyl Modus gegenüber dem
4 Zyl Modus mit doppeltem Mitteldruck (doppelter Zylinderfüllung) betrieben
wird und im 2 Zyl-P Modus mit einem effektiven Hubvolumen von lediglich
500 cm3 und entsprechend vierfachem Mitteldruck
betrieben wird. In 11 sind weiter die bei Konstantfahrt
möglichen
Verbrauchsminderungen, abhängig
vom jeweiligen Modus, angegeben.
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Alle
angegebenen Werte beziehen sich auf einen Betrieb der Brennkraftmaschine,
bei dem die Ladungswechselventile der nicht gefeuerten Zylinder zur
Vermeidung von Strömungsverlusten
und Auskühlen
geschlossen bleiben. Dies ist durch an sich bekannte schaltbare
Ventiltriebe bzw. Ventilbetätigungseinrichtung
möglich.
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Ein
Problem, das sich bei der Zylinderabschaltung stellt, liegt in der
dadurch bedingten erheblichen Zunahme von Drehungleichförmigkeiten
und Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle und Ungleichförmigkeiten
und Schwankungen des von der Kurbelwelle abgegeben Drehmoments,
wodurch der Fahrkomfort für
die Fahrzeuginsassen beeinträchtigt wird.
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10 zeigt
für einen
Vierzylindermotor im 2 Zyl Modus, in dem nach jeweils 360° Kurbelwellendrehung
ein Arbeitstakt erfolgt, von zwei Liter Hubraum bei einem Betrieb
mit einem Mitteldruck von 2 bar und einer mittleren Drehzahl von
2000 min–1 in der
Linie I den Drehmomentverlauf und in der Linie II den Drehzahlverlauf.
Das Drehmoment ist auf der linksseitigen Ordinate als Abweichung
von dem mittleren Wert angegeben, wobei O Nm dem Mittelwert entspricht.
Die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit ist auf der rechtsseitigen
Ordinate angegeben. Die Abszisse gibt die jeweilige Stellung der
Kurbelwelle an. Wie ersichtlich, ändern sich die Winkelgeschwindigkeit
und der Drehmomentverlauf mit einer Peri odizität, die dem Abstand zwischen
der Feuerung zweier Zylinder entspricht (im Beispiel 360°) um den
mittleren Wert von 2000 min–1 bzw. den Mittelwert
des Drehmoments.
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11 entspricht
der 10, zeigt die Situation jedoch im 2 Zyl-P Modus.
Wie ersichtlich, sind sowohl die Drehmomentänderungen als auch die Winkelgeschwindigkeitsänderungen
erheblich größer als
im 2 Zyl Modus. Damit die über
vier Umdrehungen der Kurbelwelle gemittelte Drehzahl von etwa 2000
min–1 konstant
bleibt, muss das während der
Arbeitstakte (bei jeweils 180° und
540° Kurbelwellendrehung)
aufzubringende Drehmoment, d. h. die Füllung des jeweiligen Zylinders,
erheblich größer sein
als im Fall der 10. Im Unterschied zur 10 schwankt
die Winkelgeschwindigkeit nicht innerhalb jeweils einer Kurbelwellenumdrehung
um einen Mittelwert, sondern nimmt mit deutlichen Einbrüchen bei
180° KW
und 540° KW
zunächst
zu, um dann wieder abzunehmen, so dass gemittelt über 2 Kurbelwellenumdrehungen
der Mittelwert von 2000 min–1 erreicht wird.
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Wie
aus einem Vergleich der 10 und 11 ersichtlich,
sind im 2 Zyl-P Modus die zeitlichen Änderungen des Drehmoments und
der Drehzahl, die mit einem Arbeitstakt einhergehen, erheblich größer als
im 2 Zyl Modus. Die unmittelbar durch einen Arbeitstakt ausgelösten Drehmoment-
und Drehzahlschwankungen werden im Folgenden als Drehmoment- bzw.
Drehzahlungleichförmigkeit
bezeichnet. Sie wiederholen sich im Abstand der Arbeitstakte. Diesen
Ungleichförmigkeiten überlagert sich
eine Drehzahlschwankung, die die durch den Modus gegebene Periodizität hat, also
im Beispiel der 13 eine Periodizität von vier
Kurbelwellenumdrehungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die
durch Zylinderabschaltung möglichen
Verbrauchsvorteile zu nutzen, ohne dass damit eine für die Fahrzeuginsassen
nicht akzeptable Komfortbeeinträchtigung
einhergeht.
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Eine
Lösung
dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
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Erfindungsgemäß werden
durch die Arbeitstakte der Brennkraftmaschine bedingte Drehungleichförmigkeiten
unmittelbar mechanisch dadurch ausgeglichen, dass einer Beschleunigung
der Kurbelwelle infolge eines Arbeitstaktes dadurch entgegen gewirkt
wird, dass kinetische Energie in ein Ausgleichsmassebauteil eingespeist
wird und diese kinetische Energie in Phasen, in denen die Kurbelwelle im
Anschluss an einen Arbeitstakt abgebremst würde, in die Kurbelwelle rückgespeist
wird. Durch das mechanische Ausgleichsmassebauteil nicht ausgeglichene
Drehzahl- bzw. Winkelgeschwindigkeitsänderungen oder Drehzahlschwankungen
werden mit Hilfe einer Elektromaschine ausgeglichen, die generatorisch
und motorisch betrieben werden kann. Auf diese Weise kann zum Ausgleich
von Drehzahlungleichförmigkeiten
bzw. Drehzahlschwankungen mit einer verhältnismäßig kleinen Elektromaschine
gearbeitet werden, in der keine hohen Leistungen umgesetzt werden
müssen
und deren Energiespeicher klein ausgelegt werden kann, gegebenenfalls
nur durch einen Kondensator gebildet ist.
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Die
Ansprüche
2 und 3 sind auf zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
gerichtet.
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Die
Ansprüche
4 bis 6 kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren.
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Der
Anspruch 7 ist auf einen Fahrzeugantriebsstrang zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gerichtet.
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Der
erfindungsgemäße Fahrzeugantriebsstrang
wird mit den Merkmalen der Ansprüche
8 bis 16 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In
den Figuren stellen dar:
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1 eine
Prinzipanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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2 Drehmoment-
und Drehzahlverläufe im
2 Zyl Modus mit Wirksamkeit eines Ausgleichsmassebauteils,
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3 Drehmoment-
und Drehzahlverläufe im
2 Zyl-P Modus mit Wirksamkeit eines Ausgleichsmassebauteils,
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4 Drehzahlverläufe zur
Erläuterung
der Wirksamkeit einer über
ein Addiergetriebe eingekoppelten Elektromaschine,
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5 u. 6 Stirnansichten
einer Ausgleichseinrichtung mit einem beweglichen Ausgleichsmassebauteil,
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7 eine
Prinzipdarstellung einer Stellvorrichtung,
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8 das
im NEDC zu durchfahrende Fahrprofil mit dafür erforderlichen Betriebsmoden,
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9 im
NEDC durch unterschiedliche Betriebsmoden mögliche Verbrauchseinsparungen,
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10 Drehzahl-
und Drehmomentschwankungen im Modus 2 Zyl, und
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11 Drehzahl-
und Drehmomentschwankungen im Modus 2 Zyl-P.
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Gemäß 1 weist
ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs eine Brennkraftmaschine 100,
im dargestellten Beispiel eine Vierzylinderbrennkraftmaschine, auf,
deren Kurbelwelle 102 unmittelbar oder über eine drehfest mit der Kurbelwelle
verbundene Zwischenwelle mit einem Eingang einer Koppelvorrichtung 104 verbunden
ist, deren Ausgangswelle 106 über eine Kupplung 108 und
ein Getriebe 110 mit einer Antriebswelle 112 des
Fahrzeugs verbunden ist, die wiederum über ein Differential 114 die
Räder einer
angetriebenen Fahrzeugachse oder, bei Allradantrieb alle Räder des
Fahrzeugs antreibt.
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Der
Antriebsstrang enthält
erfindungsgemäß eine Ausgleichseinrichtung,
die einen mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zusammenwirkenden mechanischen
Teil 120 und einen eine Elektromaschine 122 und
die Koppelvorrichtung 104 enthaltenden elektrischen Teil 124 aufweist.
Die Elektromaschine kann mit Hilfe eines steuerbaren Wechselrichters 126 gesteuert
werden und in an sich bekannter Weise zwischen generatorischem und
motorischem Betrieb umgeschaltet werden, wobei sie im generatorischen
Betrieb elektrische Energie in einen elektrischen Energiespeicher 128 einspeichert
und im motorischen Betrieb dem Energiespeicher 128 Energie entnimmt.
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Die
Kupplung 108 und das Getriebe 110 können jedwelcher
bekannter Bauart sein, wie Anfahrkupplung, Wandlerkupplung, Handschaltgetriebe, automatisches
Getriebe usw.
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Die
Koppelvorrichtung 104, mit der die Elektromaschine 122 mit
der Kurbelwelle 102 gekoppelt wird, kann unterschiedlichster
Bauart sein. Im einfachsten Fall ist sie unmittelbar durch einen
drehfest mit der Kurbelwelle 102 verbundenen Rotor der
Elektromaschine 122 gebildet, wobei die Ausgangswelle 106 dann
einteilig mit der Kurbelwelle 102 ausgebildet sein kann.
Der Rotor muss nicht unmittelbar auf der Kurbelwelle angeordnet
sein, sondern kann über eine Übersetzungsstufe,
mit der die Drehzahl der Ausgangswelle der Elektromaschine 122 auf
die Drehzahl der Kurbelwelle 102 bzw. Ausgangswelle 106 übersetzt
wird, angekoppelt sein.
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In
eine abgeänderten
Ausführungsform
kann die Koppelvorrichtung 104 durch ein Addiergetriebe, beispielsweise
ein Planetengetriebe, gebildet sein, dessen Sonnenrad 104a mit
der Kurbelwelle 102 drehfest verbunden ist, dessen Planetenträger 104b mit
der Ausgangswelle 106 drehfest verbunden ist und dessen
Hohlrad 104c mit der Elektromaschine 122 drehfest
verbunden ist.
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Für ein solches
Planetengetriebe gilt allgemein: nS +
(ZH/ZS) × nH – (1
+ ZH/ZS) × nP = 0, wobei
- ns
- = Drehzahl des Sonnenrades,
- nH
- = Drehzahl des Hohlrades,
- nP
- = Drehzahl des Planetenträger,
- ZH
- = Zähnezahl
des Hohlrades, und
- ZS
- = Zähnezahl
des Sonnenrades.
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Die
Elektromaschine 122 kann die einzige Maschine zur Stromerzeugung
des Fahrzeugs sein. In diesem Fall ist der Energiespeicher 128 eine übliche Fahrzeugbatterie.
Wenn die Elektromaschine 122 zusätzlich zur üblichen elektrischen Fahrzeugsausrüstung vorhanden
ist, kann der ihr zugeordnete Energiespeicher 128 lediglich
durch einen Kondensator gebildet sein.
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Zur
Steuerung der beschriebenen Anordnung ist ein elektronisches Steuergerät 132 vorgesehen,
dessen Eingänge
mit einem Fahrpedalsensor 134 sowie weiteren Sensoren,
beispielsweise einem Drehzahlsensor 136 zur Erfassung der
Fahrzeuggeschwindigkeit, einem Drehzahl sensor zum Erfassen der Drehzahl
der Maschine 100, einem Sensor zum Erfassen der Temperatur
der Maschine usw. verbunden sind. Das Steuergerät 132 enthält in an
sich bekannter Weise einen Mikroprozessor mit Programm- und Datenspeichern
und ist funktional in eine Selektivsteuereinrichtung 132a,
eine Laststeuereinrichtung 132b, eine Ausgleichssteuereinrichtung 132c und eine
Elektromaschinensteuereinrichtung 132d unterteilt. Die
Selektivsteuereinrichtung 132a legt, abhängig von
den Betriebsbedingungen des Antriebsstrangs, beispielsweise der
Stellung des Fahrpedals und der Fahrzeuggeschwindigkeit, den Modus
fest, in dem die Brennkraftmaschine 100 betrieben wird. Die
Laststeuereinrichtung 132b steuert das Laststellglied 138 sowie
weitere Parameter der Brennkraftmaschine. Die Ausgleichssteuereinrichtung 132c steuert
die Verstellvorrichtung 140 und die Elektromaschinensteuereinrichtung 132d steuert
die elektronische Steuereinrichtung 126 der Elektromaschine 122.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Ausgleichseinrichtung wird weiter unten beschrieben. Im Folgenden
wird zunächst
die grundsätzliche
Funktion der Ausgleichseinrichtung erläutert.
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2 entspricht
der 12, jedoch mit aktivem mechanischem
Teil 120 der Ausgleichseinrichtung. Die eingetragene Bezeichnung „mit CRE” bedeutet
mit wirksamem „Crankshaft
Rotation Equalizer”.
Wie ersichtlich, sind gegenüber
der 22 sowohl die Drehmomentänderungen
als auch die Winkelgeschwindigkeitsänderungen erheblich vermindert.
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3 entspricht
der 13, jedoch mit wirksamem mechanischen
Teil 120 der Ausgleichseinrichtung. Wie ersichtlich, sind
auch hier die Drehmomentungleichförmigkeiten gegenüber der 13 insbesondere im Bereich von 0° KW bis 720° KW deutlich
vermindert. Entsprechend sind die Winkelgeschwindigkeitsänderungen
gegenüber
der 13 deutlich verstetigt. Deutlich
sichtbar ist die mit der Periodizität der Befeuerung der Brennkraftmaschine,
d. h. vier Kurbelwellenumdrehungen einhergehende Schwankung der
Drehzahl um die mittlere Drehzahl von 2000 min–1,
die durch den mechanischen Teil 120 der Ausgleichseinrichtung
nicht ausgeglichen wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Elektromaschine im Wesentlichen lediglich zum Ausgleich der Winkelgeschwindigkeitsänderungen
verwendet, die nach mechanischem Ausgleich der Drehungleichförmigkeiten
verbleiben. Wie aus den Figuren ersichtlich, dient die Elektromaschine
dann im Wesentlichen lediglich dazu, den Drehzahlanstieg und den
Drehzahlabfall der Kur belwelle der Brennkraftmaschine auszugleichen,
der umso ausgeprägter
ist, je größer der Kurbelwinkelabstand
zwischen zwei gefeuerten Zylindern liegen. Auf diese Weise kann
der Leistungsbedarf der Elektromaschine erheblich vermindert werden
und ist zur Zwischenspeicherung der von der Elektromaschine im generatorischen
Betrieb erzeugten elektrischen Energie nur ein verhältnismäßig kleiner
Energiespeicher erforderlich, beispielsweise ein Kondensator.
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4 zeigt
beispielhaft die Wirksamkeit der Elektromaschine 122 (1)
bei ihrer Ankopplung über
das Addiergetriebe 104 zum Ausgleich der Drehzahlschwankungen
gemäß der Kurve
II der 3. Die Kurve nS der 4 zeigt,
bezogen auf die linke Ordinate, die Drehzahl nS des
Sonnenrades 104a des Planetengetriebes, die gleich der
Drehzahl der Kurbelwelle 102 ist. Bei still stehendem Hohlrad 104c beträgt die Drehzahl
des Planetenträgers 104b, die
gleich der Drehzahl der Ausgangswelle 106 ist, nP = nS/(1
+ ZH/ZS).
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Wenn
ZH/ZS = 0,5, beträgt bei einer
Kurbeldrehzahl von 2000 min–1 die Drehzahl der Ausgangswelle 106 also
etwa 1330 min–1.
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Die
Kurve nH gibt die Drehzahl des Hohlrades
an, bezogen auf die rechte Ordinate, mit der die Abweichung der
Drehzahl des Sonnenrades von der Solldrehzahl 2000 min–1 jeweils
kompensiert werden kann, so dass die Drehzahl des Planetenträgers nP auf dem Wert von etwa 1300 min–1 bleibt.
Wenn mit der Elektromaschine 122 kein Ausgleich von Drehzahlschwankungen
erforderlich ist, ist das Hohlrad 104c mittels einer nicht
dargestellten Bremse, gesteuert von der elektronischen Steuereinrichtung 132,
blockiert, wobei die Bremse auch an der Elektromaschine 122 eingreifen
kann. Sobald ein Ausgleich einer Drehzahlschwankung um einen Sollwert,
im dargestellten Beispiel ein Ausgleich der Schwankung der Drehzahl
des Sonnenrades um 2000 min–1 erforderlich ist,
wird die Drehzahl der Elektromaschine 122 derart gesteuert,
dass der Drehzahl des Planetenträgers
bzw. der Ausgangswelle 106 auf dem sich aus der Übersetzung
des Addiergetriebes ergebenden konstanten Wert bleibt. Die Übersetzung
von der Elektromaschine 122 auf das Hohlrad 104c wird
jeweils im Hinblick auf eine günstige
Auslegung der Elektromaschine gewählt, die, bei gelöster Bremse, das
Stützmoment
zur Abstützung
des über
die Kurbelwelle 102 eingeleiteten Drehmoments aufbringen muss.
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Auch
wenn die Drehzahlregelung der Elektromaschine 122, die
bei negativen Drehzahlen nH der 4 generatorisch
und bei positiven Drehzahlen motorisch betrieben wird, keinen vollständigen Ausgleich
der Drehzahlabweichungen zulässt,
so lassen sich dennoch die Drehzahlschwankungen zu einem erheblichen
Anteil kompensieren.
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Im
Folgenden wird der mechanische Teil 20 der Ausgleichseinrichtung
beispielhaft beschrieben:
Gemäß 5, die eine
Stirnansicht des mechanischen Teils 120 (1)
der Ausgleichseinrichtung zeigt, weist die Kurbelwelle 102 der
Hubkolbenbrennkraftmaschine einen radial vorstehenden Mitnehmeransatz 12 auf,
der drehfest mit der Kurbelwelle 102 verbunden oder einteilig
mit ihr ausgebildet ist. Auf der Kurbelwelle 102 ist neben
dem Mitnehmeransatz 12 ein Ausgleichsmassebauteil 14 gelagert,
das bezüglich
der Drehachse A der Kurbelwelle 10 in vorteilhafter Weise
ausgewuchtet ist.
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Axial
neben dem Ausgleichsmassebauteil 14 ist ein Lagerschild 16 (schraffiert;
in 5 ist die axiale Anordnung nicht sichtbar) um
eine von der Drehachse A der Kurbelwelle 102 entfernte
Achse B an einem nicht dargestellten Motorgehäuse schwenkbar gelagert. Das
Lagerschild 16 weist eine Durchgangsöffnung 20 auf, durch
die hindurch sich die Kurbelwelle 10 erstreckt, so dass
die geschilderte Baugruppe an einem Stirnende der Kurbelwelle oder
in einem mittleren Bereich der Kurbelwelle angeordnet sein kann.
Die Schwenkachse B ist parallel zur Drehachse A der Kurbelwelle.
An dem relativ zur Kurbelwelle verschwenkbaren Lagerschild 16 ist
eine Führungskoppel 22 drehbar
gelagert, von der ein radialer Arm 24 vorsteht.
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Der
radiale Arm ist über
einen Arm 26a eines zweiarmigen Koppelgliedes 26 mit
dem Mitnehmeransatz 12 verbunden. Der andere Arm 26b des
Koppelgliedes 26 ist über
ein weiteres Koppelglied 28 in einem Gelenk 29 mit
dem Ausgleichsmassebauteil 14 verbunden. Das Koppelglied 28 ragt
bspw. in einen radialen Schlitz (nicht dargestellt) des Ausgleichmassebauteils 14 ein
und ist darin mittels eines Zapfens gelagert. Die Schwenkachsen
der Gelenke, um die die Koppelglieder relativ zueinander und zu
dem Mitnehmeransatz 12, der Führungskoppel 22 und dem
Ausgleichsmassenbauteil 14 schwenkbar sind, sind zueinander
parallel und parallel zu den Achsen A und B.
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Durch
Verschwenken des Lagerschildes 16 um das motorgehäusefeste
Lager mit der Achse B lässt
sich der Abstand zwischen der Drehachse C, um die die Führungskoppel 22 dreht
und der Drehachse A der Kurbelwelle verändern. Zum Verschwenken des
Lagerschildes 16 ist eine insgesamt mit 140 bezeichnete
Verstellvorrichtung vorgesehen, die ein Stellglied 42 aufweist,
das mit einem Arm 44 gelenkig verbunden ist, der starr
mit dem Lagerschild 16 verbunden ist. Etwa in Verlängerung
des Arms 44 weist das Lagerschild 16 auf seiner
entgegengesetzten Seite einen weiteren, mit ihm starr verbundenen
Arm 46 auf, der um die Schwenkachse B schwenkbar ist. Das
Stellglied 42 der Verstellvorrichtung 140 kann
in an sich bekannter Weise mittels eines Hydraulikzylinders, eines
Elektromotors oder sonstwie gemäß 7 in
senkrechter Richtung bewegt werden, wobei die Bewegbarkeit vorteilhafter
Weise durch Anschläge 48 und 50 begrenzt
ist.
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Die
geschilderte Vorrichtung kann bei in einander geschachtelter Bauweise
sehr kompakt bauen. Das Ausgleichsmassebauteil 14 ist zwischen
der Führungskoppel 22 und
dem Mitnehmeransatz 12 auf der Kurbelwelle gleichachsig
mit der Drehachse A der Kurbelwelle drehbar gelagert. Die Führungskoppel 22 ist
um die durch das Lagerschild 16 definierte Drehachse C
drehbar gelagert. Axial neben der Führungskoppel 22 erstrecken
sich die Arme 44 und 46 des Lagerschildes 16.
Es versteht sich, dass die relativ zur Kurbelwelle exzentrische
Schwenkbarkeit des Lagerschildes 16 und dessen Verstellung
auch durch andere Konstruktionen gewährleistet sein kann, bspw.
dadurch, dass das Lagerschild unmittelbar mit einem Zapfen im Motorgehäuse gelagert
ist, der exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist.
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5 stellt
den Zustand der Anordnung dar, bei der die Drehachse C der Führungskoppel 22 einen
maximalen Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle 102 hat.
Die Verbindungslinie zwischen den Drehachsen A und C ist vorteilhafter
Weise etwa parallel zur Bewegungsrichtung der mit der Kurbelwelle 102 verbundenen,
nicht dargestellten Kolben der Brennkraftmaschine und deckt sich
in der dargestellten Aufsicht vorteilhafter Weise mit der Bewegungslinie
der Kolben. Geringfügige
Richtungsänderungen
der Verbindungslinie bei einem Verschwenken des Lagerschildes 16 um
die Schwenkachse B können
außer
Betracht bleiben.
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6 zeigt
den Zustand der Anordnung der 5, bei dem
die Drehachsen A und C zusammen fallen, das heißt der Zustand maximale Exzentrizität gemäß 7 ist
in einen konzentrischen Zustand verstellt, bei dem die Führungskoppel 22 sich
gleichachsig zur Kurbelwelle 10 dreht. In diesem Zustand bleibt
die Relativstellung zwischen dem Mitnehmeransatz und den Koppelgliedern 26 und 28 und
dem radialen Arm 24 konstant, so dass sich das Ausgleichsmassebauteil 14 jeweils
mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle 16 dreht.
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Die
Anordnung des Mitnehmeransatzes 12, des abgewinkelten Koppelgliedes 26 und
des Koppelgliedes 28 sowie die gelenkige Verbindung zwischen
den genannten Bauteilen ist derart, dass bei exzentrischer Anordnung
der Führungskoppel
relativ zur Kurbelwelle während
einer Umdrehung der Kurbelwelle bzw. des Mitnehmeransatzes 12 das
Koppelglied 26 einmal relativ zum Mitnehmeransatz 12 verschwenkt
wird und dadurch die Winkelgeschwindigkeit des Ausgleichsmassebauteils 14 sich
gegenüber
der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einmal vergrößert und
entsprechend einmal verkleinert. Auf diese Weise können Drehungleichförmigkeiten bzw.
Drehzahlschwankungen, wie sie im 2 Zyl Modus einer Vierzylinder-Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine
auftreten, ausgeglichen werden, indem die Anordnung gemäß 5 auf
die Maschine derart abgestimmt ist, dass in der Phase, in der die
Kurbelwelle durch den gefeuerten Zylinder beschleunigt würde, von
der Kurbelwelle in das Ausgleichsmassebauteil durch Beschleunigung
des Ausgleichsmassebauteils auch bei konstant drehender Kurbelwelle
Energie von der Kurbelwelle in das Ausgleichsmassebauteil übertragen
wird und in der Phase, in der die Kurbelwelle die Kolben lediglich
mitschleppt, bzw. Verdichtungsarbeit leisten muss, die überschüssige Energie des
Ausgleichsmassebauteils in die Kurbelwelle zurückgespeist wird. Auf diese
Weise werden Drehungleichförmigkeiten
der Kurbelwelle im 2 Zyl Modus zumindest teilweise ausgeglichen,
wie aus den 2 und 3 ersichtlich.
Während
der P (Pause) Phase des 2 Zyl-P Modus wird die Anordnung gemäß 5 in
die Neutral- bzw. Koaxialstellung gemäß 8 bewegt,
in der vom Ausgleichsmassebauteil 14 her kein aktiver Drehungleichförmigkeitsausgleich
erfolgt, sondern das Ausgleichsmassebauteil lediglich in Folge seines
Trägheitsmoments
Drehwinkelgeschwindigkeitsschwankungen vermindert.
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7 zeigt
schematisch eine besonders einfache Ausführungsform einer Verstelleinrichtung 140. Der
Arm 44 des Lagerschildes 16 (1)
ist gelenkig mit einem als Stellglied 42 die nenden Schaft
eines Kolbens 72 einer doppelt wirkenden Kolbenzylindereinheit 74 verbunden,
deren Druckräume über zwei Leitungen 76 und 78 miteinander
verbunden sind. In jeder der Leitungen 76 und 78 ist
ein Rückschlagventil 80 und 82 angeordnet,
wobei die Rückschlagventile 80 und 82 gegensinnig
zueinander wirken. Weiter ist in jeder der Leitungen ein Absperrventil 84 bzw. 86 angeordnet.
Durch die exzentrische Lagerung des Lagerschildes 16 wirken
auf den Arm 44 während
einer Umdrehung des Ausgleichsmassebauteils 14 alternierend
Kräfte,
die gemäß den Figuren
nach oben oder nach unten gerichtet sind. Je nach Öffnung eines
der Absperrventile 84 oder 86 kann ein in der Kolbenzylindereinheit 74 befindliches
Hydraulikfluid nur von dem einen Druckraum in den anderen strömen, so
dass durch zweckentsprechende Steuerung der Absperrventile 84 und 86 eine
Verstellung in die eine oder in die andere Richtung erfolgt, ohne
dass dazu eine externe Druckmittelquelle erforderlich ist. Es versteht
sich, dass durch eine geeignete Hydraulikfluid-Nachfülleinrichtung
sichergestellt ist, dass die Leitungen und die Kolbenzylindereinheit
ständig
luftfrei mit Hydraulikfluid gefüllt
sind.
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Bezug
nehmend wiederum auf 1 wird die Gesamtfunktion der
erfindungsgemäßen Einrichtung
zum Ausgleich von durch selektive Befeuerung von Zylindern verursachten
Drehungleichförmigkeiten
der Kurbelwelle nochmals kurz erläutert:
Abhängig von
der Stellung des Fahrpedals 134 und der Fahrzeuggeschwindigkeit
wird in der elektronischen Steuereinrichtung 132 der Leistungsbedarf
der Brennkraftmaschine ermittelt und der Betriebsmodus bestimmt.
Solange die Brennkraftmaschine mit allen Zylindern betrieben wird,
wird die Verstellvorrichtung 140 in die Neutralstellung
gemäß 6 bewegt. Wenn
der Modus 2 Zyl entschieden wird, ermittelt die Ausgleichssteuereinrichtung 132c der
Steuereinrichtung 132 entsprechend in ihr abgelegten, auf
die jeweilige Brennkraftmaschine abgestimmten Programmen diejenige
Stellung der Verstellvorrichtung 140, d. h. denjenigen
Abstand zwischen den Drehachsen A und C (5), bei
dem mittels des Ausgleichsmassebauteils 88 die Drehungleichförmigkeiten
der Kurbelwelle, die auch von der Stellung des Laststellgliedes 138 abhängen, optimal
ausgeglichen werden. Weiter bestimmt die Elektromaschinensteuereinrichtung 132d den
Drehzahlverlauf, mit dem die vom Ausgleichsmassebauteil 88 nicht
ausgeglichenen, durch den zylinderselektiven Betrieb der Brennkraftmaschine
bedingten Drehzahländerungen-
bzw. Schwankungen der Kurbelwelle 102 über das Ad diergetriebe 104 ausgeglichen
werden sollen und steuert den Wechselrichter Steuereinrichtung 126 für einen entsprechenden
Drehzahlverlauf der Elektromaschine 122 an.
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Bei
Betrieb der Brennkraftmaschine im 2 Zyl-P Modus laufen die genannten
Vorgänge
in gleicher Weise ab, jedoch wird die Verstellvorrichtung 140 in
der P-Phase (Kurbelwellendrehung) zwischen 720° und 1440° (13)
auf Neutral (Drehachsen A und C fallen zusammen) gestellt.
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Der
Betrieb der Ausgleichseinrichtung kann, wie vorbeschrieben vorgesteuert
erfolgen, oder kann zusätzlich
oder ausschließlich
geregelt erfolgen, indem die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle 102 und/oder
der Antriebswelle 106 erfasst werden und einem Regler zugeführt wird,
der die Verstellvorrichtung 140 und die elektronische Steuereinrichtung 126 derart
ansteuert, dass Drehzahländerungen
der Kurbelwelle und der Antriebswelle minimiert werden. Es versteht
sich, dass die von entsprechenden Sensoren erfassten Drehungleichförmigkeiten
der Kurbelwelle und der Antriebswelle entsprechend der unterschiedlichen
Periodizitäten
der zu beseitigenden Ungleichförmigkeiten
in ungleicher Weise gefiltert werden, beispielsweise werden für die Regelung
der Verstellvorrichtung 140 Änderungen von jeweils über 20° Kurbelwellendrehung
gleitend gemittelten Winkelgeschwindigkeiten herangezogen, während für die Steuerung
des Wechselrichters 126 Änderungen der Winkelgeschwindigkeiten über jeweils
360° Kurbelwellendrehung
gleitend gemittelt werden.
-
Der
mechanische Teil 120 der Ausgleichseinrichtung wurde anhand
seiner Anwendung auf den 2 Zyl Modus einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine
beschrieben. Durch Abänderung
der Kopplung zwischen der Drehung der Kurbelwelle, der Führungskoppel
und des Ausgleichsmassebauteils sowie erforderlichenfalls einer Übersetzung
zwischen der Drehung der Kurbelwelle und der Drehung des Mitnehmeransatzes 12 lassen
sich unterschiedliche Moden bei unterschiedlichen Motoren ausgleichen.
Beispielsweise können
die Koppelglieder 26 und 28 durch zwei Koppelglieder
ersetzt werden, von denen eines den Mitnehmeransatz 12 mit
dem radialen Arm 24 der Führungskoppel verbindet und
das andere den radialen Arm 24 mit dem Ausgleichsmassebauteil 14 verbindet.
Auf diese Weise lässt
sich erreichen, dass das Ausgleichsmassebauteil während einer
Umdrehung der Kurbelwelle zweimal beschleunigt und verzögert wird.
Zusätzlich
zur Verstellbarkeit des Lagerschildes 16 kann das Ausgleichsmassebauteil 14 mit
veränderbarem
Trägheitsmoment
ausgebildet werden, indem es beispielsweise zwei in einem Abstand
veränderbare
Massekörper
enthält.
Die Elektromaschine 122 kann derart ausgelegt sein, dass
er nicht nur für
einen Ausgleich von Drehzahlschwankungen dient, sondern auch zum
Rückspeisen
von Bremsenergie im Schubbetrieb dient oder als Motor zum Antrieb
oder zur Unterstützung
des Antriebs des Fahrzeugs.
-
Der
elektrische Teil 124 wurde vorstehend anhand der über das
Addiergetriebe 104 mit dem Antriebsstrang verbundenen Elektromaschine 122 erläutert. Alternativ
kann die Elektromaschine 122 auch drehfest mit der Kurbelwelle 102 verbunden
sein, wobei das Addiergetriebe 104 dann entfallen kann
oder lediglich eine Übersetzungsstufe
zwischen dem Rotor der Elektromaschine 122 und der Kurbelwelle 102 bzw.
Antriebswelle 112 bildet. In diesem Fall muss das Drehmoment
der Elektromaschine 122 jeweils derart gesteuert werden,
dass es den nach Ausgleich der Drehmomentungleichförmigkeiten
an der Kurbelwelle 102 der Brennkraftmaschine 100 wirksamen Drehmomentschwankungen
um das mittlere abgegebene Drehmoment genau entgegen gesetzte Drehmomentschwankungen
erzeugt, wodurch die Drehzahl der Kurbelwelle 102 selbst
konstant gehalten wird. Auch in diesem Fall kann die Steuerung der Elektromaschine 122 abhängig von
der Last und dem jeweiligen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine gesteuert
werden oder der Betrieb der Elektromaschine 122 kann geregelt
werden, indem die Winkelgeschwindigkeitsänderungen der Kurbelwelle 102 erfasst
und einem Regler zugeführt
werden, der den Wechselrichter 126 derart ansteuert, dass
die Winkelgeschwindigkeitsänderungen
minimiert werden.
-
- 12
- Mitnehmeransatz
- 14
- Ausgleichsmassebauteil
- 16
- Lagerschild
- 20
- Durchgangsöffnung
- 22
- Führungskoppel
- 24
- radialer
Arm
- 26
- Koppelglied
- 26a
- Arm
- 26b
- Arm
- 28
- Koppelglied
- 29
- Gelenk
- 40
- Verstelleinrichtung
- 42
- Stellglied
- 44
- Arm
- 46
- Arm
- 48
- Anschlag
- 50
- Anschlag
- 52
- Koppelglied
- 54
- Arm
- 56
- Arm
- 58
- Koppelglied
- 60
- Kolben
- 62
- Pleuel
- 64
- Umfangsverzahnung
- 66
- Ausgleichsmassebauteil
- 68
- Umfangsverzahnung
- 72
- Kolben
- 74
- Kolben/Zylindereinheit
- 76
- Leitung
- 78
- Leitung
- 80
- Rückschlagventil
- 82
- Rückschlagventil
- 84
- Absperrventil
- 86
- Absperrventil
- 88
- Ausgleichsmassebauteil
- 90
- Unwucht
- 92
- Unwucht
- 100
- Brennkraftmaschine
- 102
- Kurbelwelle
- 104
- Koppelvorrichtung
- 104a
- Sonnenrad
- 104b
- Planetenträger
- 104c
- Hohlrad
- 106
- Ausgangswelle
- 112
- Antriebswelle
- 120
- mechanischer
Teil
- 122
- Elektromaschine
- 124
- elektrischer
Teil
- 126
- Wechselrichter
- 128
- Energiespeicher
- 132
- elektronische
Steuereinrichtung
- 132a
- Selektivsteuereinrichtung
- 132b
- Laststeuereinrichtung
- 132c
- Ausgleichssteuereinrichtung
- 132d
- Elektromaschinensteuereinrichtung
- 134
- Fahrpedalsensor
- 136
- Drehzahlsensor
- 138
- Laststellglied
- 140
- Verstellvorrichtung