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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinenvorrichtung zur Anbindung einer Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit an eine Kurbelwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind bereits Brennkraftmaschinenvorrichtungen mit einer Kurbelwelle, mit einer mit der Kurbelwelle gekoppelten Massenausgleichseinheit, die zumindest eine von der Kurbelwelle angetriebene Ausgleichsmasse aufweist, mit zumindest einer Getriebeeinheit zur Anbindung der wenigstens einen Ausgleichsmasse an die Kurbelwelle und mit einer an die Kurbelwelle angebundenen Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Anbindung der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit an die Kurbelwelle zu realisieren. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschinenvorrichtung mit einer Kurbelwelle, mit einer mit der Kurbelwelle gekoppelten Massenausgleichseinheit, die zumindest eine von der Kurbelwelle angetriebene Ausgleichsmasse aufweist, mit zumindest einer Getriebeeinheit zur Anbindung der wenigstens einen Ausgleichsmasse an die Kurbelwelle und mit einer an die Kurbelwelle angebundenen zusätzlichen Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit.
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Es wird vorgeschlagen, dass die zusätzliche Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit mittels der Getriebeeinheit zur Anbindung der Massenausgleichseinheit an die Kurbelwelle angebunden ist. Dadurch kann eine Anzahl von Getriebeelementen zur Anbindung der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit reduziert werden, während zeitgleich ein Drehzahlverhältnis zwischen einer Drehzahl der Kurbelwelle und der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit vorteilhaft eingestellt werden kann. Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung kann somit eine einfache und flexibel anpassbare Anbindung der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit realisiert werden, wodurch eine kostengünstige Anbindung der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit erreicht werden kann.
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Unter einer „Antriebsmaschineneinheit” soll in diesem Zusammenhang eine Einheit zur Bereitstellung eines Moments verstanden werden, wie insbesondere ein Motor. Unter einer „Arbeitsmaschineneinheit” soll weiter insbesondere eine Einheit verstanden werden, die zur Speicherung und/oder Energieumwandlung von kinetischer Energie dazu vorgesehen ist, ein Moment aufzunehmen, wie insbesondere ein Generator. Unter einer „Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit” soll damit insbesondere eine Einheit verstanden werden, die in zumindest einem Betriebszustand zur Bereitstellung eines Moments und in zumindest einem Betriebzustand zur Aufnahme eines Moments zur Speicherung und/oder Energieumwandlung vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit zur Realisierung eines Start-Stop-Systems, eines Starter-Generator-System und/oder eines Energierückgewinnungssystems vorgesehen. Vorteilhafterweise umfasst die Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit genau eine Antriebsmaschine, die zur Energiespeicherung und zur Energierückgewinnung vorgesehen ist. Die Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit kann dabei für verschiedene Energieformen vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Antriebsmaschine als ein Startergenerator ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, ein von der Kurbelwelle bereitgestelltes Moment in elektrische Energie und elektrische Energie in ein Antriebsmoment für die Kurbelwelle umzuwandeln. Prinzipiell sind aber auch pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheiten denkbar. Unter einer „Getriebeeinheit” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, die allgemein dazu vorgesehen ist, eine Drehzahl, die die Kurbelwelle aufweist, in eine Drehzahl für die Ausgleichsmasse umzusetzen. Vorzugsweise ist dabei die Drehzahl für die Ausgleichsmasse größer als die Drehzahl der Kurbelwelle, d. h. die Getriebeeinheit stellt vorzugsweise einen Hochtrieb für die Ausgleichsmasse bereit.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Getriebeeinheit ein erstes Teilgetriebe zur Anbindung der Massenausgleichseinheit und ein dem ersten Teilgetriebe nachgeschaltetes zweites Teilgetriebe zur Anbindung der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit aufweist. Dadurch kann eine einfache Anbindung der Startergeneratoreinheit an die Kurbelwelle realisiert werden. Unter einem „nachgeschalteten Teilgetriebe” soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass das zweite Teilgetriebe dem ersten Teilgetriebe in einem von der Kurbelwelle ausgehenden Kraftfluss nachgeschaltet ist. Unter einem „Kraftfluss” soll dabei insbesondere ein Weg eines Moments in einem Bauteil oder einer Baugruppe von einer Einleitungsstelle bis zu einer Aufnahmestelle verstanden werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der Teilgetriebe wenigstens eine Zahnradpaarung aufweist, die einen Hochtrieb bereitstellt. Dadurch kann eine hohe Drehzahl der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit erreicht werden, wodurch ein Bauraumbedarf der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit bei gleichzeitig hoher Leistungsabgabe gering gehalten werden kann. Ein Übersetzungsverhältnis des den Hochtrieb bereitstellenden Teilgetriebes ist somit vorteilhafterweise kleiner als 1. Die beiden Teilgetriebe weisen vorzugsweise ein gemeinsames Gesamtübersetzungsverhältnis auf, dessen Betrag kleiner als 0,5 ist. Besonders bevorzugt ist dabei der Betrag des Gesamtübersetzungsverhältnisses kleiner als 0,3. Vorteilhafte Werte für das Gesamtübersetzungsverhältnis sind dabei 0,25 für eine als Ottomotor ausgebildete Brennkraftmaschine und 0,2 für eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine. Unter einem „Hochtrieb” soll dabei insbesondere ein Teilgetriebe verstanden werden, durch dessen Übersetzungsverhältnis eine Drehzahl des angetriebenen Bauteils größer ist als eine Drehzahl des antreibenden Bauteils. In diesem Zusammenhang soll dabei die Kurbelwelle als antreibendes Bauteil und die Massenausgleichseinheit bzw. die Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit als angetriebenes Bauteil angesehen werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschinenvorrichtung zumindest ein Nebenaggregat umfasst, das mittels der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit an die Kurbelwelle angebunden ist. Dadurch kann eine vorteilhafte und einfache Anbindung der Nebenaggregate realisiert werden. Unter einer „Anbindung mittels der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass ein Kraftfluss für dieses Nebenaggregat von der Kurbelwelle über die Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit an das Nebenaggregat geleitet wird.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass die Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit eine Trennkupplung aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Antriebsmaschine der Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit von der Kurbelwelle zu entkoppeln. Dadurch kann eine Flexibilität im Antrieb der Nebenaggregate erhöht werden. Unter einer „Trennkupplung” sollen verschiedene Ausgestaltungen zur Herstellung und Trennung einer drehfesten Verbindung verstanden werden, wie beispielsweise formschlüssig verbindende Kupplungen, reibschlüssig verbindende Kupplungen oder auch schaltbare Freiläufe. Durch eine derartige Ausgestaltung kann dabei insbesondere das zumindest eine an die Antriebs- und/oder Arbeitsmaschineneinheit angebundene Nebenaggregat unabhängig von der Brennkraftmaschine betrieben werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenvorrichtung,
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2 die Brennkraftmaschinenvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht und
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3 eine Anordnung einer Kurbelwelle, einer Getriebeeinheit und einer Starter-Generator-Einheit der Brennkraftmaschinenvorrichtung.
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Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenvorrichtung. Die Brennkraftmaschinenvorrichtung umfasst eine Kurbelwelle 10 und eine mit der Kurbelwelle 10 gekoppelte Massenausgleichseinheit 11. Außerdem umfasst die Brennkraftmaschinenvorrichtung eine Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 mit genau einer Antriebsmaschine 22, die mechanisch an die Kurbelwelle 10 angebunden ist. Die Kurbelwelle 10 weist vier Pleuelanbindungen 23, 24, 25, 26 auf, denen jeweils ein nicht näher dargestellter Pleuel zugeordnet ist. Die Brennkraftmaschine ist als ein Reihen-Vier-Zylinder-Motor mit vier entlang einer Rotationsachse 27 der Kurbelwelle 10 hintereinander angeordneten Zylindern ausgebildet.
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Die Massenausgleichseinheit 11 ist als ein sogenannter Lanchesterantrieb ausgebildet. Sie ist dazu vorgesehen, Massenkräfte zweiter Ordnung auszugleichen, die dadurch entstehen, dass nicht näher dargestellte Pleuel der Brennkraftmaschine bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 10 gegenüber einer Zylinderachse verkippen. Die Massenausgleichseinheit 11 umfasst zwei Ausgleichswellen 28, 29, an denen jeweils eine Ausgleichsmasse 12, 13 angeordnet ist. Die Ausgleichsmassen 12, 13 sind über die Ausgleichswellen 28, 29 mechanisch mit der Kurbelwelle 10 verbunden. Die Ausgleichsmassen 12, 13 werden mechanisch von der Kurbelwelle 10 angetrieben. Sie bilden jeweils ein Gegengewicht aus, das komplementär zu den durch die Drehbewegung der Kurbelwelle 10 hervorgerufenen Massenkräften wirkt.
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Zur Anbindung der Ausgleichsmassen 12, 13 an die Kurbelwelle 10 umfasst die Brennkraftmaschinenvorrichtung eine Getriebeeinheit 14, die eine Drehzahl, die die Kurbelwelle 10 aufweist, in Drehzahlen für die Ausgleichsmassen 12, 13 übersetzt. Die Getriebeeinheit umfasst zwei Teilgetriebe 16, 30 zum Antrieb der Ausgleichsmassen 12, 13. Das erste Teilgetriebe 16 ist zwischen der Kurbelwelle 10 und der ersten Ausgleichsmasse 12 angeordnet. Das erste Teilgetriebe 16 weist ein Übersetzungsverhältnis von –0,50 auf. Die Drehzahl für die erste Ausgleichsmasse 12 ist damit stets doppelt so große wie die Drehzahl der Kurbelwelle 10. Eine Drehrichtung der Ausgleichsmasse 12 ist einer Drehrichtung der Kurbelwelle 10 entgegengesetzt. Das zweite Teilgetriebe 30 ist zwischen der ersten Ausgleichsmasse 12 und der zweiten Ausgleichsmasse 13 angeordnet. Es weist ein Übersetzungsverhältnis von –1,00 auf. Die Drehzahlen der beiden Ausgleichsmassen 12, 13 sind somit stets gleich groß. Drehrichtungen der beiden Ausgleichsmassen 12, 13 sind einander entgegengesetzt.
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Das erste Teilgetriebe 16 umfasst ein drehfest mit der Kurbelwelle 10 verbundenes erstes Zahnrad 31 und ein drehfest mit der Ausgleichsmasse 12 verbundenes zweites Zahnrad 32 (vgl. 3). Die beiden miteinander kämmenden Zahnräder 31, 32 bilden somit eine Zahnradpaarung 18 aus, die einen Hochtrieb für die erste Ausgleichsmasse 12 bereitstellt. Das zweite Teilgetriebe 30 umfasst ein drehfest mit der zweiten Ausgleichsmasse 13 verbundenes Zahnrad 33, das mit dem drehfest mit der ersten Ausgleichsmasse 12 verbundenen Zahnrad 32 kämmt. Die beiden Zahnräder 32, 33 bilden eine Zahnradpaarung 34 des zweiten Teilgetriebes 30 aus.
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Die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 ist mittels der Getriebeeinheit 14, mittels der die Massenausgleichseinheit 11 an die Kurbelwelle 10 angebunden ist, an die Kurbelwelle 10 angebunden. Ein Kraftfluss von der Kurbelwelle 10 zu der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 wird vollständig über das erste Teilgetriebe 16, die die Ausgleichsmasse 12 an die Kurbelwelle 10 anbindet, geleitet. Die Getriebeeinheit 14 umfasst dazu ein drittes Teilgetriebe 17, mittels dem die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 mechanisch mit der Kurbelwelle 10 verbunden ist.
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Das dritte Teilgetriebe 17 umfasst zwei weitere Zahnräder 35, 36, die gemeinsam mit dem Zahnrad 32 des Teilgetriebes 16 zwei weitere Zahnradpaarungen 19, 37 ausbilden. Das Zahnrad 35 ist als ein Zwischenrad ausgebildet. Das Zahnrad 36 ist drehfest mit einer Eingangswelle 39 der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 verbunden. Das dritte Teilgetriebe 17 weist zwischen dem Zahnrad 32 und dem Zahnrad 36 ein Übersetzungsverhältnis von ca. 0,5 auf. Das Teilgetriebe 17 stellt somit einen weiteren Hochtrieb bereit. Eine Drehzahl der Eingangswelle 39 der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 ist somit ca. viermal so groß wie die Drehzahl der Kurbelwelle 10.
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In einer Grundrissprojektion, d. h. in einer Aufsicht auf die Brennkraftmaschinenvorrichtung von oben, ist die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 parallel versetzt zu der Kurbelwelle 10 angeordnet. Die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 ist in einem entlang der Kurbelwelle 10 gerichteten axialen Bereich angeordnet. Das Zahnrad 31 der Getriebeeinheit 14, das drehfest mit der Kurbelwelle 10 verbunden ist, ist in axialer Richtung zwischen der dritten Pleuelanbindung 25 und der vierten Pleuelanbindung 26 angeordnet. Der Bereich, in dem die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 angeordnet ist, erstreckt sich im Wesentlichen über einen axialen Bereich der Brennkraftmaschinenvorrichtung, in dem die ersten drei Pleuelanbindungen 23, 24, 25 angeordnet sind (vgl. 2).
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Die Antriebsmaschine 22 der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 ist als eine Elektromaschine ausgebildet. Die Antriebsmaschine 22 ist in einem normalen Betriebszustand drehfest mit der Eingangswelle 39 verbunden. Zum Starten der Brennkraftmaschine stellt die Antriebsmaschine 22 ein Moment bereit, das mittels der Getriebeeinheit 14 auf die Kurbelwelle 10 übertragen wird. Ein von der Brennkraftmaschine bereitgestelltes Moment wird mittels der Getriebeeinheit 14 an die Antriebsmaschine 22 übertragen, die dann als ein Generator wirkt. Die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 stellt somit ein Starter-Generator-System bereit. Zudem kann die Antriebsmaschine 22 auch parallel zu der Brennkraftmaschine betrieben werden. In Abhängigkeit einer von der Antriebsmaschine 22 abgebbaren Leistung ist somit mittels der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 auch ein Mild-Hybrid mit einem Boost-Modus und einem Rekuperationsmodus realisierbar. Die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 stellt damit weiter ein Energierückgewinnungssystem bereit. Außerdem realisiert die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 ein Start-Stop-System, mittels dem beispielsweise ein Schnellstartsystem für die Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann.
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Zusätzlich zu der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 umfasst die Brennkraftmaschinenvorrichtung weitere Nebenaggregate 20, 40. Die Nebenaggregate 20, 40 sind teilweise an die Kurbelwelle 10 und teilweise an die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 angebunden. Das Nebenaggregat 40 ist dabei als eine Kühlmittelpumpe ausgebildet. Das Nebenaggregat 20 ist als Kältemittelverdichter ausgebildet.
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In einer Aufrissprojektion senkrecht zu der Rotationsachse 27 der Kurbelwelle 10 ist die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 seitlich unterhalb der Kurbelwelle 10 angeordnet. Das Nebenaggregat 20 ist oberhalb der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 in etwa in Höhe der Kurbelwelle 10 angeordnet. Das Nebenaggregat 40 ist seitlich oberhalb der Kurbelwelle 10 angeordnet (vgl. 1).
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Zur Anbindung des Nebenaggregats 40 an die Kurbelwelle 10 umfasst die Brennkraftmaschinenvorrichtung einen ersten Riementrieb 41 mit einer mit der Kurbelwelle 10 verbundenen Riemenscheibe 42 und mit einer mit dem Nebenaggregat 40 verbundenen Riemenscheibe 43. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bindet der Riementrieb 41 lediglich das Nebenaggregat 40 an. Grundsätzlich können aber auch noch weitere Nebenaggregate mittels des Riementriebs 41 betrieben werden. Ein Kraftfluss für das Nebenaggregat 40 wird ausgehend von der Kurbelwelle 10 über den Riementrieb 41 direkt an das Nebenaggregat 40 geleitet.
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Zur Anbindung des Nebenaggregats 20 an die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 umfasst die Brennkraftmaschinenvorrichtung einen zweiten Riementrieb 44 mit einer mit der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 verbunden Riemenscheibe 45 und mit einer mit dem Nebenaggregat 20 verbundenen Riemenscheibe 46. Die Eingangswelle 39 durchsetzt dabei die Antriebsmaschine 22 der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 vollständig. Die Riemenscheibe 45 zur Anbindung des Nebenaggregats 20 ist auf einer der Getriebeeinheit 14 abgewandten Seite der Antriebsmaschine 22 angeordnet. Ein Kraftfluss für das Nebenaggregat 20 wird ausgehend von der Kurbelwelle 10 über die Getriebeeinheit 14 an die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 geleitet. Ausgehend von der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 wird der Kraftfluss über den Riementrieb 44 an das Nebenaggregat 20 geleitet.
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Zur Entkopplung der Antriebsmaschine 22 von der Kurbelwelle 10 umfasst die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 eine Trennkupplung 21. Die Trennkupplung 21 ist wirkungsmäßig zwischen dem Zahnrad 36 und der Antriebsmaschine 22 angeordnet. Zur Anordnung der Trennkupplung 21 ist die Eingangswelle 39 zweiteilig ausgeführt. Ein erster Teil der Eingangswelle 39 ist drehfest mit dem Zahnrad 36 verbunden. Ein zweiter Teil der Eingangswelle 39 ist drehfest mit der Antriebsmaschine 22 verbunden.
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Das Nebenaggregat 20 ist unabhängig von der Brennkraftmaschine antreibbar. In einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine eine Drehzahl gleich Null aufweist, wird die Trennkupplung 21 geöffnet. Anschließend wird für die Antriebsmaschine 22 der Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 eine Drehzahl eingestellt, die für den Betrieb des Nebenaggregats 20 erforderlich ist. Weist die Brennkraftmaschine eine Drehzahl größer als Null auf, wird die Trennkupplung 21 geschlossen, wodurch das Nebenaggregat 20 über die Antriebs- und Arbeitsmaschineneinheit 15 von der Kurbelwelle 10 angetrieben wird.
