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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Brennkraftmaschine für einen Fahrzeughybridantrieb.
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Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen werden im Allgemeinen mittels eines seitlich an der Brennkraftmaschine angebauten Starters gestartet, der eine mit Bürsten kommutierte Elektromaschine umfasst. Die Antriebswelle der Elektromaschine ist über einen Freilauf mit einem Ritzel verbunden, das beim Startvorgang axial in einen drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen, an einer Stirnseite der Brennkraftmaschine in einer Kupplungsglocke untergebrachten Zahnkranz eingespurt wird. Anschließend wird der Elektromaschine Strom zugeführt, um durch Andrehen des Ritzels die Kurbelwelle in Drehung zu versetzen und die Brennkraftmaschine zu starten. Der Einspurvorgang und die innerhalb der Kupplungsglocke trocken laufende, aus dem Zahnkranz und dem Ritzel bestehende Zahnradstufe verursachen jedoch während des Startvorgangs eine erhebliche Geräuschentwicklung. Darüber hinaus sind mit Bürsten kommutierte Elektromaschinen nur für einige hunderttausend Startvorgänge ausgelegt, was bei konventionellen Brennkraftmaschinen ausreicht, nicht jedoch bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem mit einer Start-Stop-Automatik ausgestatteten Hybridantrieb, wo der Starter für etwa 1 Million Startvorgänge ausgelegt werden muss.
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Daher werden bei Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb zumeist entweder verstärkte Starter konventioneller Bauart oder Riemenstarter eingesetzt, die gleichzeitig als Generator dienen können, oder die Brennkraftmaschine wird mit Hilfe der Elektromaschine des Hybridantriebs gestartet, die im rein elektrischen Betrieb für den Antrieb des Fahrzeugs sorgt.
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Bei Riemenstartern führen jedoch die zur Übertragung des Startmoments erforderlichen hohen Riemenvorspannungen im Normalbetrieb zu verhältnismäßig großen Reibungsverlusten. Außerdem ist der Gesamtwirkungsgrad bedingt durch eine andere elektrische Auslegung im Generatorbetrieb geringer als bei reinen Generatoren, so dass ein Teil des durch die Verwendung als Generator erzielbaren Verbrauchsvorteils wieder aufgezehrt wird. Darüber hinaus erfordert der Wechsel der Beanspruchung in dem beim Startvorgang als Lasttrum und im Normalbetrieb als Leertrum, oder umgekehrt, wirkenden Teil des Riemens einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand bzw. einen zweiten Riementrieb. Um das hohe Startmoment aufzubringen, benötigen Starter-Generatoren zudem im Allgemeinen eine deutlich höhere Betriebsspannung als die in Kraftfahrzeugen übliche Betriebsspannung von 12 Volt.
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Die gleichzeitige Verwendung der Elektromaschine des Hybridantriebs als Starter und als Antriebsmotor hat andere Nachteile bzw. macht ebenfalls Kompromisse erforderlich. So muss zum Beispiel die für den Start der Brennkraftmaschine erforderliche Leistung stets vorgehalten werden und kann nicht für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden, wenn im rein elektrischen Betrieb die Brennkraftmaschine ruckfrei zugestartet werden soll. Daher kann die potentielle Leistungsfähigkeit der Elektromaschine und anderer elektrischer Komponenten, wie Fahrzeugbatterie, Umrichter usw., nur zu einem geringen Teil für den eigentlichen Hauptzweck, nämlich für den elektrischen Fahrantrieb, genutzt werden.
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Aus der
DE 100 14 556 C1 ist bereits ein Starter der eingangs genannten Art mit einem zur Kurbelwelle koaxialen Rotor bekannt, bei dem zwischen dem Rotor und der Kurbelwelle ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Planetengetriebes mit einer Bremsvorrichtung angeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die
DE 101 02 015 A1 bekannt, welche eine Starter-Generator-Vorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer motorseitigen Eingangswelle und einem getriebeseitigen Ausgangsorgan betrifft, bei dem in einem ersten Betriebsbereich eine Umwandlung elektrischer Energie in eine Relativbewegung beziehungsweise Relativbeschleunigung zwischen einem Stator und einem Rotor mittels des Stators und des Rotors erfolgt und in einem zweiten Betriebsbereich eine Ausnutzung einer Relativbewegung zwischen dem Stator und dem Rotor zur Rückgewinnung von Energie erfolgt. Dabei soll der Stator fest mit einem Gehäuse verbunden sein, der Rotor über einen ersten Freilauf mit der Eingangswelle verbunden sein, dem Rotor drehfest ein Hohlrad eines Planetengetriebes zugeordnet sein, ein Planetenträger des Planetengetriebes drehfest mit der Eingangswelle verbunden sein und ein Sonnenrad des Planetengetriebes über einen zweiten Freilauf mit dem Gehäuse verbunden sein. Weiter betreffen die
GB 1 333 203 A einen Starter für eine Brennkraftmaschine und die
DE 32 41 486 A1 eine Vorrichtung zum Anlassen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Starter für eine Brennkraftmaschine und insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeughybridantriebs bereitzustellen, der einen sehr leisen Start ermöglicht, der sich für eine sehr große Anzahl von Startvorgängen auslegen lässt, der sich mit einer Betriebsspannung von 12 Volt betreiben lässt, der sich nahezu ohne zusätzlichen Bauraum in die Brennkraftmaschine integrieren lässt und der während des Normalbetriebs nur sehr geringe Reibungsverluste verursacht. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Starter bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, wobei ein Starter der Brennkraftmaschine vorzugsweise eine elektronisch kommutierte und permanenterregte Elektromaschine umfasst, deren Stator starr mit einem Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verbunden wird, während ihr Rotor drehbar auf der Kurbelwelle gelagert und über das Zykloidgetriebe mit der Kurbelwelle gekoppelt wird. Zudem sollen der Rotor und der Stator im Inneren eines topfförmigen Torsionsschwingungsdämpfers angeordnet sein.
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Durch die Verwendung des Zykloidgetriebes, das ein sehr großes Untersetzungsverhältnis besitzt, kann sich der Rotor der Elektromaschine sehr schnell drehen und damit die Elektromaschine bei hoher Leistungsdichte mit einer Betriebsspannung von 12 Volt betrieben werden.
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Zwischen dem Zykloidgetriebe und der Kurbelwelle ist zweckmäßig ein Freilauf vorgesehen, der im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine dafür sorgt, dass sich der Rotor und die drehenden Teile des Zykloidgetriebes nicht mit der Kurbelwelle mitdrehen, so dass nur minimale Reibungsverluste auftreten.
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Bevorzugt sind das Zykloidgetriebe und der Freilauf innerhalb des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine untergebracht, wo sie verschleißmindernd im Motoröl der Brennkraftmaschine laufen. Außerdem werden die beim Startvorgang von dem an sich schon geräuscharmen Zykloidgetriebe erzeugten Geräusche durch das Zylinderkurbelgehäuse weiter gedämpft, so dass ein sehr leiser Startvorgang möglich ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektromaschine im Inneren eines topfförmigen Torsionsschwingungsdämpfers der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dessen Ausgleichsgewicht auf die Außenseite des Torsionsschwingungsdämpfers verlegt ist. Durch diese Maßnahme und die Unterbringung des Zykloidgetriebes und des Freilaufs innerhalb des Zylinderkurbelgehäuses kann der Starter praktisch bauraumneutral in Brennkraftmaschinen integriert werden. Zweckmäßig ist das Ausgleichsgewicht dort neben einem Zahnriemenprofil für einen von der Kurbelwelle angetriebenen Zahnriementrieb angeordnet und über einen Dämpfergummi mit dem Torsionsschwingungsdämpfer verbunden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Längsschnittansicht eines Teils einer Brennkraftmaschine mit einem zu ihrer Kurbelwelle koaxialen Starter;
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2 eine perspektivische Längs- und Querschnittsansicht des Starters und eines zwischen dem Starter und der Kurbelwelle angeordneten Untersetzungsgetriebes;
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3 eine Querschnittsansicht eines zwischen dem Untersetzungsgetriebe und der Kurbelwelle angeordneten Freilaufs.
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In der Zeichnung ist ein Teil einer Brennkraftmaschine 1 eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs mit einem ausschließlich zum Starten der Brennkraftmaschine dienenden Starter 2, einem zwischen dem Starter 2 und der Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 angeordneten Untersetzungsgetriebe 4 und einem zwischen dem Untersetzungsgetriebe 4 und der Kurbelwelle 3 angeordneten Freilauf 5 dargestellt.
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Der Starter 2 besteht im Wesentlichen aus einer permanenterregten, elektronisch kommutierten, d. h. bürstenlosen, Elektromaschine 6. Neben der Elektromaschine 6 des Starters 2 umfasst der Hybridantrieb des Kraftfahrzeugs eine weitere Elektromaschine (nicht dargestellt), die als Generator und im elektrischen Fahrbetrieb als Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs dient.
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Die als Innenläufer ausgebildete Elektromaschine 6 umfasst einen Stator 7 und einen Rotor 8, die beide im Inneren eines hohlen topförmigen Torsionsschwingungsdämpfers 9 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet sind. Der Stator 7 ist unbeweglich an einem stirnseitigen Dichtflansch 10 der Brennkraftmaschine 1 befestigt, der ein aus dem Zylinderkurbelgehäuse 11 der Brennkraftmaschine 1 überstehendes Stirnende 12 der Kurbelwelle 3 umgibt. Der Rotor 8 ist drehbar auf dem überstehenden Stirnende 12 der Kurbelwelle 3 gelagert und ist über das Untersetzungsgetriebe 4 und über den Freilauf 5 mit der Kurbelwelle 3 gekoppelt, so dass seine Drehung beim Starten der Brennkraftmaschine 1 vom Untersetzungsgetriebe 4 untersetzt und dann über den blockierten Freilauf 5 auf die Kurbelwelle 3 übertragen werden kann, um diese anzudrehen.
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Um im Inneren des Torsionsschwingungsdämpfers 9 Platz für den Einbau des Stators 7 und des Rotors 8 zu schaffen, wurde ein Ausgleichsgewicht 13 des Torsionsschwingungsdämpfers 9 nach außen zu dessen Außenseite verlegt. Das Ausgleichsgewicht 13 ist dort stirnseitig von einem in den äußeren Umfang des Torsionsschwingungsdämpfers 9 eingeformten Keilriemenprofil 14 für ein von der Kurbelwelle 3 über einen Keilriementrieb (nicht dargestellt) angetriebenes Nebenaggregat angeordnet und ist über einen ringförmigen Dämpfungsgummi 15 mit dem äußeren Umfang des Torsionsschwingungsdämpfers 9 verbunden. Die Stirnwand des topfförmigen Torsionsschwingungsdämpfers 9 ist durch eine Stirnverzahnung 46 und eine Befestigungsschraube 16 drehfest mit dem Stirnende 12 der Kurbelwelle 3 verbunden.
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Der Stator 7 umfasst ein mit Befestigungsschrauben (nicht sichtbar) am Dichtflansch 10 der Brennkraftmaschine 1 festgeschraubtes Statorblechpaket 17 und eine in Ausnehmungen des Statorblechpakets 17 angeordnete Statorwicklung 18. Das Statorblechpaket 17 ist an seinem inneren Umfang und an seinem äußeren Umfang jeweils durch einen Luftspalt 19, 20 vom gegenüberliegenden äußeren Umfang des Rotors 8 bzw. vom gegenüberliegenden inneren Umfang des Torsionsschwingungsdämpfers 9 getrennt. Das Statorblechpaket 17 erstreckt sich mit einem die Befestigungsschrauben umgebenden hohlzylindrischen Verlängerungsteil 21 bis zu einer äußeren Stirnfläche des Dichtflanschs 10.
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Der Rotor 8 ist drehfest auf einer Hohlwelle 22 befestigt, deren von der Brennkraftmaschine 1 abgewandtes Stirnende über ein Wälzlager 23 drehbar auf der Kurbelwelle 3 gelagert ist, wobei der zwischen der Hohlwelle 22 und der Kurbelwelle 3 gebildete Ringspalt 24 stirnseitig vom Wälzlager 23 durch einen Dichtring 25 abgedichtet ist. Das Wälzlager 23 wird mit Motoröl der Brennkraftmaschine 1 geschmiert, das durch den Freilauf 5 und das Untersetzungsgetriebe 4 hindurch in den Ringspalt 24 gelangt und dessen Austritt aus dem Ringspalt 24 durch den Dichtring 25 verhindert wird. Die Hohlwelle 22 erstreckt sich durch eine mit einem weiteren Dichtring 26 versehene Bohrung des Dichtflanschs 10 ins Innere des Zylinderkurbelgehäuses 11 bis zum Untersetzungsgetriebe 4, wo sie auf einem Nadellager 27 gelagert ist.
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Das Untersetzungsgetriebe 4 ist ein Zykloidgetriebe, das zusammen mit dem Freilauf 5 im Inneren des Zylinderkurbelgehäuses 11 zwischen dem Dichtflansch 10 und einem ersten Hauptlager 28 der Kurbelwelle 3 untergebracht ist, wo es ebenso wie der Freilauf 5 durch das Motoröl der Brennkraftmaschine 1 geschmiert wird.
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Das Zykloidgetriebe 4 umfasst neben einem vom Stirnende der Hohlwelle 22 gebildeten Exzenter 29 ein mit einer zykloidischen Außenverzahnung 30 mit einer Zähnezahl von n versehenes Zykloidrad 31, das eine Reihe von axialen Bohrungen 32 aufweist und über ein Nadellager 33 auf dem Exzenter 29 gelagert ist, sowie eine als Einheit mit dem Dichtflansch 10 ausgebildete zykloidische Innenverzahnung 34 mit einer Zähnezahl von n + 1. In jede Bohrung 32 des Zykloidrades 10 ragt ein in eine axiale Gewindebohrung 38 in einem Außenring 39 des Freilaufs 5 eingeschraubter, in Richtung des Zykloidgetriebes 4 über den Außenring 39 überstehender und mit einer drehbaren Rolle 35 versehener Teil 37 eines Gewindebolzens 36.
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Wenn beim Starten der Brennkraftmaschine der Rotor 8 des Starters 2 in Drehung versetzt wird, treibt er über die drehfest mit dem Rotor 8 verbundene Hohlwelle 22 den Exzenter 29 des Zykloidgetriebes 4 an. Dieser wiederum treibt das Zykloidrad 31 an, das sich auf der stationären zykloidischen Innenverzahnung 34 des Dichtflanschs 10 abwälzt, wobei es die in die Bohrungen 32 ragenden Gewindebolzen 36 des Außenrings 39 des Freilaufs 5 mitnimmt. Die Rollen 35 auf den überstehenden Teilen 37 der Gewindebolzen 36 rollen dabei in den Bohrungen 32 des Zykloidrads 31 ab. Da sich das Zykloidrad 31 pro Umdrehung des Rotors 8 und damit des Exzenters 29 nur um einen ”Zahn” weiterdreht, wird mit dem kompakt bauenden Zykloidgetriebe 4 ein großes Untersetzungsverhältnis erreicht, das der Zähnezahl n des Zykloidrads 31 entspricht. Da Zykloidgetriebe außerdem sehr leise und verschleißarm sind und wenig Bauraum benötigen, eignen sie sich sehr gut als Untersetzungsgetriebe 4 zwischen dem Starter 2 und der Kurbelwelle 3.
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Der Freilauf 5 besteht im Wesentlichen aus dem mit den Gewindebohrungen 38 und Gewindebolzen 36 versehenen Außenring 39, einem drehfest mit der Kurbelwelle 3 verbundenen Innenring 40 und einer Mehrzahl von zylindrischen Blockierrollen 41, die jeweils in einer nach außen zum inneren Umfang des Außenrings 38 hin offenen Ausnehmung 42 des Innenrings 40 untergebracht sind und von einer Schraubendruckfeder 43 in einer in die Ausnehmung 42 mündenden Bohrung 44 gegen den inneren Umfang des Außenrings 39 angepresst werden. Die Ausnehmungen 42 sind so geformt, dass die Blockierrollen 41 auf dem inneren Umfang des Außenrings 39 abrollen, solange sich im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 der mit der Kurbelwelle 3 verbundene Innenring mit einer höheren Drehzahl als der Außenring 39 in Richtung des Pfeils A in 3 dreht.
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Wenn jedoch der Außenring 39 beim Starten der Brennkraftmaschine 1 im Stillstand der Kurbelwelle 3 vom Starter 2 mit einer die Drehzahl der Kurbelwelle 3 übersteigenden Drehzahl in Richtung des Pfeils A angetrieben wird, bewegen sich die Blockierrollen 41 auf eine Auflaufschräge 45 der Aussparungen 42, so dass sie sich zwischen dem Außenring 39 und dem Innenring 40 verklemmen und diese drehfest miteinander verbinden. Der derart blockierte Freilauf 5 führt dazu, dass die Kurbelwelle 3 von dem vom Starter 2 angetriebenen Außenring 39 in Richtung des Pfeils A mitgenommen wird. Sobald die Brennkraftmaschine 1 gezündet hat, wird die Kurbelwelle 3 so stark beschleunigt, dass der Innenring 40 den Außenring 39 in Richtung des Pfeils A überholt, wodurch die Blockierung des Freilaufs 5 wieder aufgehoben wird und sich der Innenring 40 in Bezug zum Außenring 39 dreht. Der Starter 2 kann dann abgeschaltet werden, wodurch sich der Rotor 8 bis zum Stillstand verlangsamt, der ebenso wie die beweglichen Teile des Zykloidgetriebes 4 wegen des Freilaufs 5 nicht mehr von der Kurbelwelle 3 angetrieben wird. Daher entstehen im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine nur im Freilauf 5 selbst minimale Reibungsverluste.
