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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennkraftmaschinen, die als Ottomotor, Dieselmotor oder Gasturbine ausgestaltet sein können.
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Aus der
DE 37 21 712 A1 ist eine Einrichtung zur Dämpfung von Schwingungen bekannt. Die bekannte Einrichtung kann im Antriebsstrang eines Fahrzeugs zwischen Motor und Getriebe vorgesehen sein. Die Einrichtung weist zwei Schwungradelemente auf, zwischen denen eine Dämpfungsvorkehrung vorgesehen ist. Hierbei ist das Eingangsteil das eine mit dem Motor verbindbare Schwungradelement und das Ausgangsteil ist das andere, mit dem Antriebsstrang über eine Kupplung verbindbare Schwungradelement. Die Dämpfungsvorkehrung enthält einen durch Bauteile des einen Schwungradelements gebildeten, mit viskosem Medium, wie einem pastösen Mittel, gefüllten Ringkanal mit praktisch geschlossenem, zum Beispiel kreisringförmigen, Querschnitt, in dem Kraftspeicher, wie Federn, enthalten und abgestützt sind, an die sich der Querschnitt des Ringkanals anschmiegt und der gegebenenfalls bis auf einen geringen Spalt durch einen mit dem zweiten Schwungradelement im Drehschluss stehenden, radial in den Ringkanal hineinragenden Flanschkörper, der die anderen Abstützbereiche für die Federn bildet, abgedichtet ist.
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Die aus der
DE 37 21 712 A1 bekannte Einrichtung hat den Nachteil, dass bei der Dämpfung der Drehungleichförmigkeit Energie durch hydraulische Dämpfung beziehungsweise Reibeinrichtungen zwischen den Schwungradelementen gezielt vernichtet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine optimierte Dämpfung ermöglicht ist. Speziell ist eine vorteilhafte Ausnutzung der Energie der Drehmomentschwankungen möglich, wobei Reibungsverluste reduziert sind und elektrische Energie erzeugt werden kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung möglich.
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Durch Induktion kann die Energie der Drehschwingungen zumindest teilweise in Form von elektrischer Energie zurückgewonnen werden.
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Vorteilhaft ist es, dass das erste Schwungradelement und das zweite Schwungradelement über zumindest ein Federelement miteinander gekoppelt sind. Ferner ist es vorteilhaft, dass das erste Schwungradelement als im Wesentlichen scheibenförmiges erstes Schwungradelement ausgestaltet ist und dass das zweite Schwungradelement als im Wesentlichen scheibenförmiges Schwungradelement ausgestaltet ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Feder-Masse-System gebildet werden, um ein mittleres Drehmoment eines Verbrennungsmotors an den Antriebsstrang zu übertragen, wobei bei konstanter Drehzahl die Relativbewegung zwischen den Schwungradelementen verschwindet. Die Dämpfung der Amplitude der Schwankung des Drehmoments erfolgt durch die Umsetzung in elektrische Energie mittels eines geeigneten elektrischen Generators.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass der Generator ein Spulenelement, das mit einem der Schwungradelemente verbunden ist, und einen Magneten aufweist, der mit dem anderen Schwungradelement verbunden ist, und dass zur Umsetzung der Relativbewegung in elektrische Energie das Spulenelement relativ zu dem Magneten bewegt wird. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass das Spulenelement um einen Magnetpol des Magneten geführt ist und zur Umsetzung der Relativbewegung in elektrische Energie relativ zu dem Magnetpol bewegt wird. Somit kann durch Induktion zumindest ein Teil der Energie der Drehungleichförmigkeit in elektrische Energie umgesetzt werden. Hierdurch wird einerseits die Drehungleichförmigkeit verkleinert und andererseits kann die entstehende elektrische Energie genutzt werden. Im Unterschied zu einem Zweimassenschwungrad kann hierbei eine Ansprechzeit verkürzt, die Entstehung von Reibung verringert und die Energie der Drehungleichförmigkeit zurückgewonnen werden.
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Vorteilhaft ist es auch, dass das Spulenelement zwischen einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol des Magneten angeordnet ist und dass eine Wicklungsachse des Spulenelements zumindest näherungsweise entlang eines Feldlinienverlaufs von dem magnetischen Nordpol zu dem magnetischen Südpol ausgerichtet ist. Hierbei kann das Spulenelement in vorteilhafter Weise eine oder mehrere Wicklungen aufweisen, die bezüglich der Wicklungsachse ausgestaltet sind. Somit kann durch Bewegungsinduktion eine Spannung an dem Spulenelement erzeugt werden, die proportional zur relativen Geschwindigkeit ist. Der Magnet kann in vorteilhafter Weise als Permanentmagnet ausgebildet sein. Hierdurch wird ein einfacher und robuster Aufbau ermöglicht.
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Vorteilhaft ist es, dass das erste Schwungradelement mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist und dass das zweite Schwungradelement mit einer Kupplungsachse einer Kupplung verbunden ist. Hierdurch kann die Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung in vorteilhafter Weise in einen Antriebsstrang integriert werden.
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Ferner kann die von dem Generator erzeugte elektrische Energie, die aus der Umwandlung der Relativbewegung entsteht, genutzt werden. Speziell ist es vorteilhaft, dass die elektrische Energie zur Erwärmung von Abgasen, zur Regeneration eines Partikelfilters, zur Erwärmung eines Katalysators, zur Heizung einer Glühkerze, zur Ölerwärmung, zur Heizung von hydraulischen Medien, beispielsweise für eine Servolenkung oder eine Bremsanlage, und/oder zum Betrieb einer elektrischen Insassenheizung dient. Somit kann die erzeugte elektrische Energie in vorteilhafter Weise direkt an einer anderen Stelle in Wärme umgesetzt werden. Hierdurch ist eine vorteilhafte Ausnutzung der Energie möglich, wobei eine Speicherung in einem Akkumulator oder dergleichen nicht erforderlich ist. Hierdurch ergibt sich eine optimierte Ausgestaltung, die mit einem relativ geringen Aufwand eine vorteilhafte Ausnutzung der Energie der Drehmomentschwankungen ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
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2 einen Schnitt durch die in 1 dargestellte Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie;
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3 eine auszugsweise Darstellung der in 2 dargestellten Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung im weiteren Detail und
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4 den in 1 mit IV bezeichneten Ausschnitt der Einrichtung zur Dämpfung und Energierückgewinnung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Einrichtung 1 zur Dämpfung und Energierückgewinnung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung. Die Einrichtung 1 dient hierbei für Brennkraftmaschinen und kann beispielsweise in einem Antriebsstrang zwischen der Brennkraftmaschine und einer Kupplung angeordnet sein. Speziell eignet sich die Einrichtung 1 für Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen. Hierbei kann die Einrichtung 1 für luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen und gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 zur Dämpfung und Energierückgewinnung eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Die Einrichtung 1 weist ein erstes Schwungradelement 2 und ein zweites Schwungradelement 3 auf. Das erste Schwungradelement 2 ist im Wesentlichen als scheibenförmiges Schwungradelement 2 ausgestaltet. Das zweite Schwungradelement 3 ist als scheibenförmiges Schwungradelement 3 ausgestaltet. Hierbei weist das erste Schwungradelement 2 einen U-förmigen Rand 4 auf, der das zweite Schwungradelement 2 umfänglich umgibt.
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Das erste Schwungradelement 2 ist mit einer Kurbelwelle 5 einer Brennkraftmaschine verbunden. Das zweite Schwungradelement 3 ist mit einer Kupplungsachse 6 einer Kupplung verbunden.
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Die Ausgestaltung der Einrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist im Folgenden auch unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
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2 zeigt die in 1 dargestellte Einrichtung 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie. Das erste Schwungradelement 2 weist im Bereich seines Randes 4 Stützvorsprünge 7, 8 auf, die sich radial nach innen erstrecken.
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Ferner weist das zweite Schwungradelement 3 Stützvorsprünge 9, 10 auf, die sich radial nach innen erstrecken. Zwischen dem Stützvorsprung 7 des ersten Schwungradelements 2 und dem Stützvorsprung 9 des zweiten Schwungradelements 3 ist ein als Feder 11 ausgestaltetes Federelement 11 angeordnet. Ferner ist zwischen dem Stützvorsprung 8 des ersten Schwungradelements 2 und dem Stützvorsprung 10 des zweiten Schwungradelements 3 ein als Feder 12 ausgestaltetes Federelement 12 angeordnet. Die Federn 11, 12 sind hierbei entlang einer Umfangsrichtung angeordnet. Ferner können die Federn 11, 12 auf Zug und Druck belastet werden. Die scheibenförmigen Schwungradelemente 2, 3 haben eine gewisse Masse. Durch die Zusammenwirkung der Schwungradelemente 2, 3 mit den Federn 11, 12 ist somit ein Federn-Masse-System gebildet, das Drehmomentschwankungen aufnehmen kann. Solche Drehmomentschwankungen treten bei der Übertragung eines Drehmoments von der Kurbelwelle 5 auf die Kupplungsachse 6 auf.
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Die Anzahl der Stützvorsprünge und der Federelemente ist nicht festgelegt und kann an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sein.
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Außerdem sind Generatoren 15, 16 vorgesehen, die zur Erzeugung von elektrischer Energie dienen. Infolge der Drehmomentschwankungen kommt es zu einer gewissen Relativbewegung zwischen den Schwungradelementen 2, 3. Hierbei werden die Federn 11, 12 gespannt und entlastet. Die infolge der Drehmomentschwankungen auftretende Relativbewegung wird von den Generatoren 15, 16 zur Erzeugung der elektrischen Energie genutzt, so dass ein Teil der infolge der Drehmomentschwankungen zur Verfügung stehenden Energie mechanisch gespeichert wird und ein anderer Teil von den Generatoren 15, 16 in elektrische Energie umgesetzt wird.
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Die Anzahl der Generatoren ist nicht festgelegt und kann an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sein.
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Die Funktionsweise der Generatoren 15, 16 ist anhand der 3 am Beispiel des Generators 15 im weiteren Detail beschrieben.
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3 zeigt einen prinzipiellen Aufbau des Generators 15 in einer schematischen Darstellung. Hierbei ist ein Magnet 17 mit dem ersten Schwungradelement 2 verbunden. Hierbei sind in der 3 Pole 18, 19, 20 des Magneten 17 veranschaulicht. Die Pole 18, 20 sind hierbei als magnetische Nordpole ausgestaltet, während der Pol 19 als magnetischer Südpol ausgestaltet ist. Die magnetischen Pole 18, 19, 20 können auch umgekehrt ausgestaltet sein, das heißt, die Pole 18, 20 als magnetische Südpole und der Pol 19 als magnetischer Nordpol. Außerdem ist ein Spulenelement 21 vorgesehen, dass in diesem Ausführungsbeispiel um den magnetischen Südpol 19 des Magneten 17 geführt ist. Das Spulenelement 21 ist auf geeignete Weise mit dem zweiten Schwungradelement 3 verbunden. Hierbei kann das Spulenelement 21 beispielsweise in und entgegen einer Richtung 22 bewegt werden. Die Bewegung in und entgegen der Richtung 22 entspricht der Relativbewegung zwischen den Schwungradelementen 2, 3. Hierdurch wird zwischen Anschlussstellen 23, 24 des Spulenelements 21 durch magnetische Induktion eine Induktionsspannung erzeugt. Die Anschlussstellen 23, 24 sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einem elektrischen Verbraucher 25 verbunden. Die erzeugte elektrische Energie wird von dem elektrischen Verbraucher 25 unmittelbar verbraucht. Somit wird auf Grund der entstehenden Induktionsspannung ein Induktionsstrom erzeugt, der durch den elektrischen Verbraucher 25 fließt.
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Als elektrischer Verbraucher 25 dient vorzugsweise eine elektrische Heizeinrichtung. Somit kann die von dem Generator 15 erzeugte elektrische Energie zur Erzeugung von Wärme genutzt werden. Diese Wärme kann für die Abgasnachbehandlung eingesetzt werden. In der Abgasnachbehandlung müssen die meisten Komponenten, zum Beispiel der Oxidationskatalysator, der NOx-Speicherkatalysator (NSC) und das Dieselpartikelfilter (DPF) für Dieselmotoren oder der Dreiwegekatalysator für Ottomotoren, aufgewärmt werden, um eine optimale Betriebstemperatur zu erreichen. Die Aufwärmung kann entweder dazu dienen, die Komponente schnell auf Anspringtemperatur (Light-Off-Temperatur) zu bringen, zum Beispiel den Dreiwegekatalysator oder für eine selektive katalytische Reduktion, oder die für die Regenerationsphase, zum Beispiel beim DPF und NSC, notwendige Temperatur zu erreichen. Die vom elektrischen Generator 15 erzeugte elektrische Energie kann dazu beitragen, die Komponente entweder direkt durch elektrische Heizung oder indirekt durch die Aufwärmung des anströmenden Gases aufzuwärmen.
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Der elektrische Verbraucher 25 kann auch eine Heizung einer Glühstiftkerze sein. Ferner kann eine Ölerwärmung, was insbesondere für einen Kaltstart günstig ist, durchgeführt werden. Ferner ist eine Heizung hydraulischer Medien, beispielsweise für eine Servolenkung oder eine Bremsanlage, möglich. Auch eine Insassenheizung kann in vorteilhafter Weise realisiert werden. Somit kann auch elektrische Energie eingespart werden, die über eine Lichtmaschine erzeugt wird. Ferner lassen sich Zusatzfunktionen realisieren, die direkt zu einer Brennstoffeinsparung führen.
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Die Generatoren 15, 16 können an verschiedenen Stellen aufgebaut werden. Hierbei können speziell der Magnet 17 und das Spulenelement 21 an unterschiedlichen Stellen der Schwungradelemente 2, 3 angeordnet sein.
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4 zeigt den in 1 mit IV bezeichneten Ausschnitt der Einrichtung 1 zur Dämpfung und Energierückgewinnung in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 17 in den Rand 4 des ersten Schwungradelements 2 integriert. Ferner ist an einer Außenseite 26 des scheibenförmigen zweiten Schwungradelements 3 das Spulenelement 21 angeordnet. Hierbei weist das Spulenelement 21 eine oder mehrere Wicklungen auf, die um eine Wickelachse 27 ausgestaltet sind. Hierbei kann beispielsweise ein elektrisch leitender, aber nicht magnetischer Draht ein oder mehrmals um die Wickelachse 27 gewickelt sein, um das Spulenelement 27 zu bilden. Die Wickelachse 27 ist an dem Feldlinienverlauf zwischen den magnetischen Polen 18, 19 des Magneten 17 ausgerichtet. Eine Relativbewegung des zweiten Schwungradelement 3 bezüglich des ersten Schwungradelements 2 führt somit zu einer Relativbewegung des Spulenelements 21 bezüglich des Magneten 17, so dass auf Grund magnetischer Induktion eine Induktionsspannung beziehungsweise ein Induktionsstrom erzeugt wird, wodurch der Generator 15 die Relativbewegung zwischen den Schwungradelementen 2, 3 zumindest teilweise in elektrische Energie umsetzen kann. Hierbei wird die Relativbewegung zusätzlich gedämpft.
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Somit kann in vorteilhafter Weise eine Dämpfung und Energierückgewinnung erreicht werden. Die Dämpfung erfolgt hierbei zum einen durch elektromagnetische Induktion. Zum anderen kann die Dämpfung zusätzlich auch durch ein Feder-Masse-System unterstützt werden. Der Magnet 17 ist vorzugsweise als Permanentmagnet ausgestaltet. Es kann allerdings auch ein Elektromagnet zum Einsatz kommen. Die Lagerung der Schwungradelemente 2, 3 kann über Kugellager oder dergleichen erfolgen. Die elektrische Energie wird auf geeignete Weise zu dem Verbraucher 25 geführt. Hierbei können Schleifkontakte oder dergleichen vorgesehen sein.
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Die Federn 11, 12 haben außerdem den Vorteil, dass eine zusätzliche Reduzierung der Drehmomentschwankungen erzielt ist und ein Erreichen der Ruhelage gewährleistet ist, wenn keine Drehmomentschwankungen auftreten.
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Der Induktionsstrom in dem Spulenelement 21 ist entsprechend dem Induktionsgesetz so orientiert, dass eine bremsende Kraft auf die Relativbewegung zwischen den Schwungradelementen 2, 3 erzeugt ist. Somit kommt es zu einer Dämpfung der Drehmomentschwankungen.
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Ein vorteilhafter Einsatz der Einrichtung 1 zur Dämpfung und Energierückgewinnung besteht für Brennkraftmaschinen mit starker Drehungleichförmigkeit. Ein Beispiel sind Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Einsatz der Einrichtung 1 bei einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit drei Zylindern oder einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit drei Zylindern erfolgen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3721712 A1 [0002, 0003]
