DE102010046474A1

DE102010046474A1 - Vehicle engine, has permanent magnet structures arranged at input masses, and rotor partially surrounded by stator that is provided with coils at walls in crankshaft housing, where whole permanent magnet structures form rotor

Info

Publication number: DE102010046474A1
Application number: DE102010046474A
Authority: DE
Inventors: Ralf Petzold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-03-29

Abstract

The engine has a crankshaft (4) supported in sliding bearings of a crankshaft housing (6). A connecting rod (7) and input masses (8) are arranged between the sliding bearings. Permanent magnet structures (9) are arranged at the input masses, where whole permanent magnet structures form a rotor (10) at the input masses. The rotor is partially surrounded by a stator (11) that is provided with coils (12) at walls (13) in the crankshaft housing. A generator co-acts with an energy storage, which comprises a charging capacitor.

Description

Die Anmeldung betrifft einen Fahrzeugmotor mit Kurbeltrieb, wobei eine Kurbelwelle des Kurbeltriebs in Gleitlagern eines Kurbelwellengehäuses gelagert ist. Zwischen den Gleitlagern sind Pleuellager und Ausgleichsmassen angeordnet. Verlängerungen der Kurbelwelle ragen als Abtriebswellen auf beiden Seiten des Kurbelwellengehäuses heraus. Dabei ist eine der herausragenden Verlängerungen der Kurbelwelle eine Abtriebswelle des Kurbelwellengehäuses und dient einem mechanischen Drehmomentenaustausch mit unterschiedlichen Fahrzeugmotoraggregaten. Das andere aus dem Gehäuse herausragende Ende der Kurbelwelle ist eine weitere Abtriebswelle des Kurbelwellengehäuses und dient zum Antrieb evtl. einer Schwungmasse, jedoch im Wesentlichen zum Antrieb des Fahrzeuggetriebes über eine Kupplung.The application relates to a vehicle engine with crank mechanism, wherein a crankshaft of the crank mechanism is mounted in plain bearings of a crankcase. Between the plain bearings conrod bearings and balancing weights are arranged. Crankshaft extensions protrude as output shafts on both sides of the crankshaft housing. One of the outstanding extensions of the crankshaft is an output shaft of the crankshaft housing and serves a mechanical torque exchange with different vehicle engine units. The other protruding from the housing end of the crankshaft is another output shaft of the crankshaft housing and is used to drive possibly a flywheel, but essentially to drive the vehicle transmission via a clutch.

Diese Konstruktion des Kurbeltriebs schränkt die Anwendungsfunktionen der Kurbelwelle auf einen mechanischen Drehmomentenaustausch oder eine mechanische Drehmomentübertragung ein.This construction of the crank mechanism limits the application functions of the crankshaft to a mechanical torque exchange or a mechanical torque transmission.

Aus der Druckschrift EP 0 870 932 B1 ist ein elektromagnetischer Kolbenmotor bekannt, bei dem ein Kolben durch elektromagnetische Kraft in einem Zylinder hin und her bewegt wird. Dazu besteht der Zylinder und der Kolben jeweils aus einem magnetischen Material. Ein Zylinderelektromagnet umfasst eine innere Wand des Zylinders, die auf einen Magnetpol magnetisierbar ist. Eine Kolbenmagnetisierungseinheit kann zum Magnetisieren eines Abschnitts des Kolbens mit dem Zylinder zu einem einzigen Magnetpol fest verbunden werden.From the publication EP 0 870 932 B1 For example, an electromagnetic piston engine is known in which a piston is reciprocated by electromagnetic force in a cylinder. For this purpose, the cylinder and the piston each consist of a magnetic material. A cylinder electromagnet comprises an inner wall of the cylinder, which is magnetizable on a magnetic pole. A piston magnetization unit may be fixedly connected to magnetize a portion of the piston with the cylinder to a single magnetic pole.

Der Zylinderelektromagnet wird erregt, um eine magnetische Anziehungskraft zwischen dem Zylinder und dem Kolben zu erzeugen und um den Kolben in eine Richtung zu bewegen. Eine magnetische Ausstoßkraft wird erzeugt, um den Kolben in die Gegenrichtung zu bewegen und eine Bewegung des Kolbens wird in eine Richtung und in eine Gegenrichtung wiederholt, um eine kontinuierliche Hin- und Herbewegung des Kolbens zu erhalten. Dabei umfasst die Kolbenmagnetisierungseinheit einen Elektromagneten mit einer Spule, die so um die Bodenendseite des Kolbens gewickelt ist, dass der Kolbenelektromagnet über einen verschiebbaren Kontaktmechanismus mit Strom versorgt wird.The cylinder electromagnet is energized to create a magnetic force of attraction between the cylinder and the piston and to move the piston in one direction. A magnetic ejection force is generated to move the piston in the opposite direction and a movement of the piston is repeated in one direction and in the opposite direction to obtain a continuous reciprocating motion of the piston. In this case, the piston magnetization unit comprises an electromagnet with a coil which is wound around the bottom end side of the piston so that the piston electromagnet is supplied with power via a displaceable contact mechanism.

Dieser elektromagnetische Kolbenmotor dient der Erzeugung eines mechanischen Drehmomentes und benötigt zur Umsetzung der Hubbewegung des elektromagnetisch betriebenen Kolbens in eine Drehbewegung eine Kurbelwelle, wobei die Konstruktion des Kurbeltriebs wiederum die Anwendungsfunktionen der Kurbelwelle auf einen mechanischen Drehmomentenaustausch oder eine mechanische Drehmomentübertragung einschränkt.This electromagnetic piston motor is used to generate a mechanical torque and required to implement the lifting movement of the electromagnetically operated piston in a rotary motion crankshaft, the construction of the crank mechanism in turn limits the application functions of the crankshaft to a mechanical torque exchange or a mechanical torque transmission.

Aufgabe der Anmeldung ist es, einen Fahrzeugmotor mit einem Kurbeltrieb anzugeben, mit dem eine Erweiterung der Anwendungsfunktionen der Kurbelwelle verbunden ist.The object of the application is to provide a vehicle engine with a crank mechanism, with which an extension of the application functions of the crankshaft is connected.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausbildungen der Anmeldung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the subject matter of independent claim 1. Further embodiments of the application will become apparent from the dependent claims.

Gemäß einer Ausführungsform der Anmeldung wird ein Fahrzeugmotor mit Kurbelwellentrieb geschaffen. Dazu ist eine Kurbelwelle des Kurbeltriebs in Gleitlagern eines Kurbelwellengehäuses gelagert. Zwischen den Gleitlagern sind Pleuellager und Ausgleichsmassen angeordnet. An den Ausgleichsmassen sind Permanentmagnetstrukturen vorgesehen, wobei die Gesamtheit der Permanentmagnetstrukturen an den Ausgleichsmassen einen Rotor bilden. An Wandungen in dem Kurbelwellengehäuse sind Statorspulen angeordnet, die den Rotor mindestens teilweise als Stator umgeben.According to one embodiment of the application, a vehicle engine with crankshaft drive is provided. For this purpose, a crankshaft of the crank mechanism is mounted in plain bearings of a crankshaft housing. Between the plain bearings conrod bearings and balancing weights are arranged. Permanent magnet structures are provided on the balancing masses, the totality of the permanent magnet structures forming a rotor on the balancing masses. On walls in the crankcase stator coils are arranged, which surround the rotor at least partially as a stator.

Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Vorteil verbunden, dass die Kurbelwelle nicht nur Drehmomente überträgt oder Hubbewegungen in Drehbewegungen umsetzt, sondern dass die Kurbelwelle als Rotor mit Permanentmagneten und die Wandungen des Kurbelwellengehäuses mit Spulen bestückt sind, die einen Stator bilden und bei Stromdurchfluss durch die Statorspulen einen Elektromotor bilden, wobei dieser Elektromotor in der Lage ist, eine Kurbelwelle in Drehbewegungen zu versetzen und somit als Fahrzeugmotoranlasser dienen kann.This embodiment of the invention has the advantage that the crankshaft not only transmits torques or converts strokes into rotational movements, but that the crankshaft as a rotor with permanent magnets and the walls of the crankshaft housing are equipped with coils that form a stator and current flow through the Stator coils form an electric motor, this electric motor is able to put a crankshaft in rotational movements and thus can serve as a vehicle engine starter.

Somit ist es möglich auf den bisherigen elektrischen Fahrzeugmotoranlasser zu verzichtet. Das hätte zur Folge, dass nicht nur der Raumbedarf und das Gewicht des elektrischen Motoranlassers eingespart werden kann, sondern es kann auf den voluminösen Zahnkranz auf der Schwungmasse der herausragenden Verlängerung der Kurbelwelle verzichtet werden, in den üblicherweise ein Ritzel eines separaten Anlassermotors eingreift. Neben einer Motorfunktion können Rotor und Stator in dem Kurbelwellengehäuse als Generator dienen und entweder die Fahrzeugbatterie aufladen oder elektrische Ladungen auf einem weiteren Zusatzspeicherelement speichern.Thus, it is possible to dispense with the previous electric vehicle engine starter. This would mean that not only the space and the weight of the electric engine starter can be saved, but it can be dispensed with the voluminous sprocket on the flywheel of the outstanding extension of the crankshaft, which usually engages a pinion of a separate starter motor. In addition to an engine function, the rotor and stator in the crankshaft housing can serve as a generator and either charge the vehicle battery or store electrical charges on a further auxiliary storage element.

Diese Möglichkeit, die Kurbelwelle als Rotor und die Spulen an den Wandungen des Kurbelwellengehäuses als Stator eines Generators zu betreiben hat den Vorteil, bei einer Fahrzeugbetriebsphase mit einer Vielzahl von Motorabbremsvorgängen die Motorabbremsenergie durch Einschalten des Generators zurück zu gewinnen, wobei der Kurbelwellengenerator beispielsweise einen Zusatzspeicher, wie einen Kondensator, aufladen kann.This possibility of operating the crankshaft as a rotor and the coils on the walls of the crankshaft housing as a stator of a generator has the advantage of recovering the engine braking energy by switching on the generator in a vehicle operating phase with a plurality of engine braking operations, the Crankshaft generator, for example, an auxiliary storage, such as a capacitor charge.

Nach Abbremsen vor einer Ampel kann somit die Bremsenergie zumindest teilweise zurück gewonnen werden, um sie beispielsweise nach einem Ampelstopp für einen Neustart mit Hilfe des aufgeladenen Kondensators einzusetzen. Ein Kondensator ist ein Schnellspeicher, der innerhalb von wenigen Sekunden vollständig aufgeladen ist und kurzfristig hohe Entladeströme beispielsweise zum Anlassen des Fahrzeugmotors aufbringen kann.After braking in front of a traffic light, the braking energy can thus be at least partially recovered, in order to use it, for example, after a traffic light stop for a restart with the help of the charged capacitor. A capacitor is a fast memory, which is fully charged within a few seconds and short-term high discharge can apply, for example, to start the vehicle engine.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, für ein schnelles Laden eines Speicherelements und ein zügiges Entladen für das Anlassen des Fahrzeugmotors über den Kurbelwellenantrieb der Anmeldung als Energiespeicher einen Ladekondensator einzusetzen. Ein derartiger Ladekondensator ist im Zusammenwirken mit dem elektrischen Generator der Kurbelwelle besonders für Start/Stoppbetriebsphasen des Fahrzeugs von Vorteil.In a further embodiment, it is provided to use a charging capacitor for rapid charging of a storage element and rapid unloading for starting the vehicle engine via the crankshaft drive of the application as energy storage. Such a charging capacitor is in cooperation with the electric generator of the crankshaft especially for start / stop operating phases of the vehicle advantageous.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass zur Unterbringung und Anordnung von Permanentstrukturen die Ausgleichsmassen eine Vielzahl von radialen Bohrungen aufweisen, in denen Stabmagnete angeordnet sind. Dabei können diese Stabmagnete gleichpolig zu einer Außenkontur der Außenmassen ausgerichtet sein oder gegenpolig in den einzelnen Bohrungen der Ausgleichsmassen untergebracht werden.Furthermore, it is provided that for accommodating and arranging permanent structures, the balancing masses have a plurality of radial bores in which bar magnets are arranged. In this case, these bar magnets can be homopolar aligned to an outer contour of the outer masses or be accommodated opposite pole in the individual holes of the balancing weights.

Um Wirbelstromverluste klein zu halten, sind die Stabmagnete in einer weiteren Ausführungsform von jeweils einem Kupfermantel umgeben.To keep eddy current losses small, the bar magnets are surrounded in a further embodiment by a respective copper jacket.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass auf den Außenkonturen der Ausgleichsmassen Permanentmagnetbänder angeordnet sind, die mit den Statorspulen auf den Wandungen des Kurbelwellengehäuses zusammenwirken.Furthermore, it is provided that are arranged on the outer contours of the balancing mass permanent magnet strips which cooperate with the stator coils on the walls of the crankcase.

In derartigen Permanentbändern sind Permanentmagnete radial in einem paramagnetischen Material, wie einer Kupferlegierung, ausgerichtet. Dazu ist es vorgesehen, dass die Ausgleichsmassen in ihrer Außenkontur Verlängerungen aufweisen, die mit Permanentmagnetbändern belegt sind.In such permanent bands, permanent magnets are radially aligned in a paramagnetic material, such as a copper alloy. For this purpose, it is provided that the balancing weights have in their outer contour extensions, which are covered with permanent magnet bands.

Dabei können die Verlängerungen mit den zusätzlichen Permanentmagneten einen Außenumfang eines Kreissegmentes bilden, wobei das Kreissegment einen Kreissegmentwinkel α zwischen 90° ≤ α ≤ 360° d. h. bis zu einem Vollkreis, aufweist. Der Kreissegmentwinkel ist derart zu wählen, dass sich die Bereiche der Ausgleichsmassen mit Verlängerungen einer einzelnen Kurbelwelle überlappen, womit der Vorteil verbunden ist, dass kein magnetischer Totwinkel auftritt, d. h. die Rotorfunktion der Kurbelwelle in jeder Stellung der Kurbelwelle gesichert ist. Ferner hat dies den Vorteil, dass ein Verbrennungsmotor in jeder beliebigen Kolbenstellung mit Hilfe des anmeldegemäßen Kurbelwellenmotors angelassen bzw. gestartet werden kann. Durch einen relativ hohen Kreissegmentwinkel, wie 210°, für die Ausgleichsmassen unter Vorsehen entsprechender Verlängerungen in Umfangsrichtung kann ein höherer Wirkungsgrad sowohl für den Generatorbetrieb als auch für den Anlassermotorbetrieb erreicht werden. Auf den Kreissegmenten sind dazu Permanentmagnetbänder angeordnet, die mit den Statorspulen auf den Wandungen des Kurbelwellengehäuses zusammenwirken.In this case, the extensions with the additional permanent magnets can form an outer circumference of a circular segment, the circular segment having a circular segment angle α between 90 ° ≦ α ≦ 360 ° d. H. up to a full circle. The circle segment angle is to be selected such that the areas of the balancing masses overlap with extensions of a single crankshaft, which has the advantage that no magnetic blind spot occurs, ie. H. the rotor function of the crankshaft is secured in any position of the crankshaft. Furthermore, this has the advantage that an internal combustion engine can be started or started in any desired piston position with the aid of the crankshaft motor that is to be registered. Due to a relatively high circular segment angle, such as 210 °, for the balancing masses with provision of corresponding extensions in the circumferential direction, a higher efficiency can be achieved both for generator operation and for starter motor operation. On the circular segments permanent magnet bands are arranged, which cooperate with the stator coils on the walls of the crankcase.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Fahrzeugmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Anmeldung; 1 shows a schematic cross section through a vehicle engine according to a first embodiment of the application;

2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Kurbelwelle des Fahrzeugmotors gemäß 1; 2 shows a schematic perspective view of a section of a crankshaft of the vehicle engine according to 1 ;

3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Kurbelwelle eines Fahrzeugmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Anmeldung; 3 shows a schematic perspective view of a portion of a crankshaft of a vehicle engine according to a second embodiment of the application;

4 zeigt eine schematische Ansicht einer Kurbelwelle als Rotor und eine Kurbelwellengehäusewandung mit Statorspulen; 4 shows a schematic view of a crankshaft as a rotor and a crankshaft housing wall with stator coils;

5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Fahrzeugmotor mit einem Blockschaltbild zum Betreiben eines Kurbeltriebs als Generator und als Anlassermotor. 5 shows a schematic cross section through a vehicle engine with a block diagram for operating a crank mechanism as a generator and as a starter motor.

1 zeigt einen Fahrzeugmotor 1 mit Kurbeltrieb 3 gemäß einer ersten Ausführungsform der Anmeldung. Der Fahrzeugmotor 1 weist in seinem Zylinderkopf 31 zwei oben liegende Nockenwellen 32 und 33 auf, wobei die Nockenwelle 32 mit einem Einlassventil 34 zusammenwirkt, das in der gezeigten Position einen Einlasskanal 37 für ein Brennstoffgemisch versperrt. Die zweite Nockenwelle 33 wirkt mit einem Auslassventil 35 zusammen, das in der gezeigten Position einen Auslasskanal 38 öffnet, damit Abgase aus einem Brennraum 42 eines Zylinders 39 austreten können, während ein Kolben 40 in der gezeigten Position die Abgase des Brennraumes 42 verdrängt. 1 shows a vehicle engine 1 with crank mechanism 3 according to a first embodiment of the application. The vehicle engine 1 points in his cylinder head 31 two overhead camshafts 32 and 33 on, with the camshaft 32 with an inlet valve 34 cooperates, in the position shown an inlet channel 37 blocked for a fuel mixture. The second camshaft 33 acts with an exhaust valve 35 together, in the position shown an outlet channel 38 opens, allowing exhaust gases from a combustion chamber 42 a cylinder 39 can escape while a piston 40 in the position shown, the exhaust gases of the combustion chamber 42 repressed.

An dem Kolben 40 ist eine Pleuelstange 41 angelenkt, die über ein Pleuellager 7 mit einer Kurbelwelle 4, die mit gestrichelten Linien markiert ist, zusammenwirkt. Die Kurbelwelle 4 ist in einem Kurbelwellengehäuse 6 gelagert. Dem Pleuellager 7 gegenüberliegend ist eine Ausgleichsmasse 8 angeordnet, die ebenfalls mit der Kurbelwelle 4 rotiert und Unwuchten der Kurbelwelle 4 ausgleicht. Im Bereich einer Außenkontur 18 weist die Ausgleichmasse 8 eine Permanentmagnetstruktur 9 auf, die mit einer Statorspule 12 zusammenwirkt.On the piston 40 is a connecting rod 41 hinged, which has a connecting rod bearing 7 with a crankshaft 4 , which is marked with dashed lines, cooperates. The crankshaft 4 is in a crankcase 6 stored. The connecting rod bearing 7 Opposite is a balancing mass 8th arranged, also with the crankshaft 4 rotates and unbalances of the crankshaft 4 balances. In the area of an outer contour 18 has the balancing mass 8th a permanent magnet structure 9 on that with a stator coil 12 interacts.

Die Permanentmagnetstruktur 9 an der Ausgleichsmasse 8 bildet einen Rotor 10 und die drei in dieser Figur gezeigten Spulen 12 bilden einen Stator 11, wobei die Spulen 12 in den Wandungen 13 sowie auf einem Boden 43 einer Ölwanne 44 angeordnet sind und den Stator 11 eines Generators bilden. Andererseits kann bei entsprechender Stromversorgung der Statorspulen 12 der Kurbeltrieb 3 als Elektromotor betrieben werden und somit einen Anlassermotor bilden, um beispielsweise den Fahrzeugmotor 1 elektrisch bei einem automatischen Start/Stoppbetrieb anzulassen.The permanent magnet structure 9 at the balancing mass 8th forms a rotor 10 and the three coils shown in this figure 12 form a stator 11 where the coils 12 in the walls 13 as well as on a floor 43 an oil pan 44 are arranged and the stator 11 form a generator. On the other hand, with appropriate power supply of the stator coils 12 the crank drive 3 operated as an electric motor and thus form a starter motor, for example, the vehicle engine 1 electrically start at an automatic start / stop operation.

2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Kurbelwelle 4 des Fahrzeugmotors 1 gemäß 1. Dieser vergrößert dargestellte Ausschnitt zeigt den Bereich von zwei Gleitlagern 5, in denen die Kurbelwelle 4 drehbar gelagert ist. Zwischen den Gleitlagern 5 sind jeweils ein einzelnes Pleuellager 7 und zwei Ausgleichsmassen 8 angeordnet. In eine Außenkontur 18 der Ausgleichsmassen 8 sind radiale Bohrungen 16 eingelassen, in denen Stabmagneten 17 positioniert sind, die beispielsweise gleichpolig zu der Außenkontur 18 ausgerichtet sind und entweder in den Statorspulen einen Strom generieren können oder durch einen entsprechenden Statorstrom die Kurbelwelle 4 in Rotationsbewegung setzen können. Um Wirbelstromverluste kleiner zu halten, sind die Stabmagnete 17 von einem Kupfermantel 19 jeweils umgeben. 2 shows a schematic perspective view of a detail of a crankshaft 4 of the vehicle engine 1 according to 1 , This enlarged section shows the area of two plain bearings 5 in which the crankshaft 4 is rotatably mounted. Between the plain bearings 5 are each a single conrod bearing 7 and two balancing weights 8th arranged. In an outer contour 18 the balancing weights 8th are radial holes 16 taken in, where bar magnets 17 are positioned, for example, the same pole to the outer contour 18 are aligned and can generate either in the stator coils a current or by a corresponding stator the crankshaft 4 can move in rotation. To keep eddy current losses smaller, the bar magnets are 17 from a copper mantle 19 each surrounded.

3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Kurbelwelle 4 eines Fahrzeugmotors 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Anmeldung. Diese zweite Ausführungsform der Anmeldung unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die Ausgleichsmasse 8 eine Verlängerung 21 aufweist, um die Anzahl der Permanentmagnete der Permanentmagnetstruktur 9 zu erhöhen und einen größeren Kreissegmentwinkel α mit Permanentmagneten abzudecken. 3 shows a schematic perspective view of a portion of a crankshaft 4 a vehicle engine 2 according to a second embodiment of the application. This second embodiment of the application differs from that in 2 shown embodiment in that the balancing mass 8th an extension 21 to the number of permanent magnets of the permanent magnet structure 9 to increase and cover a larger circle segment angle α with permanent magnets.

Der Kreissegmentwinkel α der Ausgleichsmassen 8 mit Verlängerung 21 ist derart zu wählen, dass sich die Bereiche der Ausgleichsmassen 8 mit Verlängerungen 21 einer einzelnen Kurbelwelle 4 überlappen, so dass kein magnetischer Totwinkel auftritt, d. h. die Rotorfunktion der Kurbelwelle 4 in jeder Stellung der Kurbelwelle 4 gesichert ist. Außerdem kann ein Verbrennungsmotor in jeder beliebigen Kolbenstellung mit Hilfe des anmeldegemäßen Kurbelwellenmotors angelassen bzw. gestartet werden.The circle segment angle α of the balancing weights 8th with extension 21 is to be chosen such that the areas of the balancing weights 8th with extensions 21 a single crankshaft 4 overlap, so that no magnetic blind spot occurs, ie the rotor function of the crankshaft 4 in every position of the crankshaft 4 is secured. In addition, an internal combustion engine can be started or started in any desired piston position with the aid of the crankshaft motor.

In dieser Ausführungsform ist darüber hinaus die Außenkontur 18 nicht mit Stabmagneten belegt, sondern mit einem Permanentmagnetband 20 aus paramagnetischem Material, in das ferromagnetische Permanentmagnete eingebettet sind. Dazu kann das paramagnetische Material eine Kupfer-, eine Aluminium- oder eine andere Buntmetalllegierung sein. Das Permanentmagnetband 20 ist stoffschlüssig mit der Außenkontur 18 der Ausgleichsmasse 8 entlang dem Kreissegment 45 einschließlich mit der Verlängerung 21 verbunden. Diese stoffschlüssige Verbindung kann mittels Löten, Punktschweißen und/oder Kleben erreicht werden. Die Verlängerung 21 bzw. das Kreissegment kann bis zu einem Vollkreis, wie es die gestrichelten Linien zeigen, mit dem Permanentmagnetband 20 belegt sein. Sofern das Permanentband selbsttragend ausgebildet ist, kann es auch als Ringelement mit der Außenkontur 18 der Ausgleichsmasse 8 verbunden sein, ohne die Ausgleichsmasse 8 selbst zu verlängern.In this embodiment, moreover, the outer contour 18 not occupied with bar magnets, but with a permanent magnet belt 20 of paramagnetic material in which ferromagnetic permanent magnets are embedded. For this purpose, the paramagnetic material may be a copper, an aluminum or another non-ferrous metal alloy. The permanent magnetic tape 20 is cohesive with the outer contour 18 the balancing mass 8th along the circle segment 45 including with the extension 21 connected. This cohesive connection can be achieved by means of soldering, spot welding and / or gluing. The extension 21 or the circle segment can up to a full circle, as shown by the dashed lines, with the permanent magnetic tape 20 to be occupied. If the permanent belt is self-supporting, it can also be used as a ring element with the outer contour 18 the balancing mass 8th be connected without the balancing mass 8th to extend itself.

4 zeigt eine schematische Ansicht einer Kurbelwelle 4 als Rotor 10 und eine Kurbelwellengehäusewandung 13 mit Statorspulen 12. Die Kurbelwelle 4 ist in Gleitlagern 5 gelagert, wobei zwischen jeweils zwei Gleitlagern 5 ein Pleuellager 7 mit jeweils zwei Ausgleichsmassen 8 angeordnet ist. Auf jeder der Ausgleichsmassen 8 ist eine Permanentmagnetstruktur 9 angeordnet, so dass von den hier gezeigten acht Statorspulen 12 am Boden 43 wenigstens zwei mit entsprechenden Permanentmagnetstrukturen 9 in Wirkverbindung stehen. 4 shows a schematic view of a crankshaft 4 as a rotor 10 and a crankshaft housing wall 13 with stator coils 12 , The crankshaft 4 is in plain bearings 5 stored, with between each two sliding bearings 5 a connecting rod bearing 7 each with two balancing weights 8th is arranged. On each of the balancing weights 8th is a permanent magnet structure 9 arranged so that of the eight stator coils shown here 12 on the ground 43 at least two with corresponding permanent magnet structures 9 in operative connection.

Aufgrund des oben erwähnten Kreissegmentwinkels, der mit Permanentmagneten bestückt ist, bildet die Kurbelwelle mit ihren Ausgleichsmassen 8 und den zugehörigen Permanentmagnetstrukturen 9 einen Rotor 10 und die auf der Kurbelwellengehäusewandung 13 bzw. dem Boden 43 angeordneten Elektromagnetspulen bzw. Statorspulen 12 einen Stator 11, so dass bei aktiver Kurbelwelle 4 diese Anordnung aus Rotor und Stator als Generator wirkt. Bei Motorstillstand kann durch die Statorspulen 12 ein Anlasserstrom geschickt werden, der die Kurbelwelle 4 in Drehbewegungen versetzt, so dass der Fahrzeugmotor 1 angelassen wird. Dieses wird mit der nächsten 5 verdeutlicht.Due to the above-mentioned circle segment angle, which is equipped with permanent magnets, forms the crankshaft with their balancing weights 8th and the associated permanent magnet structures 9 a rotor 10 and those on the crankshaft housing wall 13 or the ground 43 arranged electromagnetic coils or stator coils 12 a stator 11 , so with active crankshaft 4 this arrangement of rotor and stator acts as a generator. At engine standstill can through the stator coils 12 a starter stream will be sent to the crankshaft 4 rotated in rotation, leaving the vehicle engine 1 is started. This will come with the next one 5 clarified.

5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Fahrzeugmotor 1 mit einem Blockschaltbild zum Betreiben des Kurbeltriebs 3 als Generator G und als Anlassmotor M in einem Start/Stoppbetrieb eines Fahrzeugs. Dazu ist in verkleinertem Maßstab erneut der Querschnitt des Fahrzeugmotors 1 gemäß 1 dargestellt mit drei auf den Wandungen und dem Boden 43 verteilten Statorspulen 12, welche den Stator sowohl für den Motorbetrieb als auch für den Generatorbetrieb bilden. Die Pfeilrichtungen von Zuleitungen 46, 47 und 48 zeigen mit Pfeilrichtung M den Motorbetrieb an, wobei über die Zuleitungen 46, 47 und 48 die Statorspulen 12 mit Strom versorgt werden, und in der Pfeilrichtung G zeigen sie den Generatorbetrieb an, bei dem die Statorspulen 12 über die Zuleitungen 46, 47 und 48 Strom an nachgeschaltete Energiespeicher 14 liefern. 5 shows a schematic cross section through a vehicle engine 1 with a block diagram for operating the crank mechanism 3 as a generator G and as a starter motor M in a start / stop operation of a vehicle. This is on a smaller scale again the cross section of the vehicle engine 1 according to 1 pictured with three on the walls and the floor 43 distributed stator coils 12 which form the stator for both engine operation and generator operation. The arrow directions of supply lines 46 . 47 and 48 indicate the engine operation with arrow direction M, whereby via the supply lines 46 . 47 and 48 the stator coils 12 be energized, and in the direction of the arrow G indicate the generator operation, in which the stator coils 12 over the supply lines 46 . 47 and 48 Electricity to downstream energy storage 14 deliver.

Die hier beispielhaft gezeigten Energiespeicher 14 sind einmal eine Fahrzeugbatterie 26 und ein Ladekondensator 15. Das Laden der Fahrzeugbatterie 26 wird mit den Pfeilrichtungen G₁ gekennzeichnet und das Laden des Ladekondensators 15 wird mit den Pfeilrichtungen G₂ verdeutlicht. Ein Steuergerät 25 steuert dazu einen ersten Schalterblock 29 beispielsweise in den Generatorbetrieb zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 26, indem die Generatorströme in Pfeilrichtung G₁ zunächst über eine Verbindungsleitung 49 zu einem ersten Gleichrichter 27 geführt werden und als Ladestrom über eine Verbindungsleitung 50 der Fahrzeugbatterie 26 zugeführt werden.The energy storage shown here by way of example 14 are once a vehicle battery 26 and a charging capacitor 15 , Charging the vehicle battery 26 is indicated by the arrow directions G ₁ and the charging of the charging capacitor 15 is illustrated with the arrow directions G ₂ . A control unit 25 controls a first switch block 29 For example, in the generator mode for charging the vehicle battery 26 , By the generator currents in the direction of arrow G ₁ initially via a connecting line 49 to a first rectifier 27 be led and charging current via a connecting line 50 the vehicle battery 26 be supplied.

Um auf dem Ladekondensator 15 eine möglichst hohe Ladung in kurzer Zeit bereitzuhalten, wird der Ladekondensator 15 mit einer höheren Spannung als die Fahrzeugbatterie 26 aufgeladen. Dementsprechend wird, wenn das Steuergerät 25 über eine Steuerleitung 51 mit Hilfe des ersten Schaltblocks 29 auf den Generatorbetrieb G₂ umschaltet, zunächst ein Hochsetzsteller 22 über eine Verbindungsleitung 52 aktiviert. Der Hochsetzsteller 22 gibt eine hochgesetzte Spannung über eine Verbindungsleitung 53 weiter an einen zweiten Gleichrichter 28, der eine hochgesetzte Gleichspannung erzeugt, die über eine Verbindungsleitung 54 den Ladekondensator 15 auflädt.To on the charging capacitor 15 To keep the highest possible charge in a short time, the charging capacitor 15 with a higher voltage than the vehicle battery 26 charged. Accordingly, when the controller 25 via a control line 51 with the help of the first switching block 29 switches to the generator G ₂ , first a boost converter 22 over a connecting line 52 activated. The boost converter 22 gives a high voltage over a connecting line 53 continue to a second rectifier 28 which generates a high-level DC voltage via a connecting line 54 the charging capacitor 15 charging.

Wird zum Anlassen des Fahrzeugmotors 1 dem Steuergerät 25 ein Fahrzeugbetriebssignal über einen Eingangsanschluss 55 derart eingegeben, dass ein Motoranlassen zu erfolgen hat, so kann beispielsweise in dem Start/Stoppbetrieb des Fahrzeugs zunächst beim Abbremsen des Fahrzeugmotors 1 der Ladekondensator 15 über G₂ aufgeladen werden. Anschließend kann die Ladung über eine Zuleitung 56 einem Tiefsetzsteller 23 zugeführt werden.Used to start the vehicle engine 1 the control unit 25 a vehicle operating signal via an input terminal 55 entered such that an engine has to be started, so, for example, in the start / stop operation of the vehicle when braking the vehicle engine 1 the charging capacitor 15 be charged via G ₂ . Subsequently, the charge can be via a supply line 56 a buck converter 23 be supplied.

Zum Anlassen veranlasst das Steuergerät 25 über eine Signalleitung 60 ein Umschalten eines zweiten Schaltblocks 30 auf einen Motorbetrieb M₂. In Pfeilrichtung M₂ wird über eine weitere Zuleitung 57 nach entsprechender Umschaltung in dem zweiten Schaltblock 30 und über eine Zuleitung 58 eine Ansteuerschaltung 24 aktiviert. Die Ansteuerschaltung 24 ist über eine Zuleitung 59 mit dem ersten Schaltblock 29 verbunden. Für ein Anlassen des Fahrzeugmotors 1 ist der erste Schaltblock 29 aufgrund eines Stellsignals des Steuergeräts 25 auf eine mit gestrichelter Linie 62 gekennzeichnete Schaltposition gesetzt, so dass die Statorspulen 12 über die Zuleitungen 46, 47 und 48 mit Anlasserstrom in Richtung M versorgt werden und die Kurbelwelle 4 zu drehen beginnt und der Fahrzeugmotor 1 bei entsprechender Kraftstoffversorgung und durch Zünd- oder Glühkerzen 36 angelassen werden kann.For starting, the control unit causes 25 via a signal line 60 a switching of a second switching block 30 to a motor operation M ₂ . In the direction of arrow M ₂ is via a further supply line 57 after appropriate switching in the second switching block 30 and via a supply line 58 a drive circuit 24 activated. The drive circuit 24 is via a supply line 59 with the first switch block 29 connected. For starting the vehicle engine 1 is the first switching block 29 due to an actuating signal of the control unit 25 on a dashed line 62 marked switching position set so that the stator coils 12 over the supply lines 46 . 47 and 48 be supplied with starter current in the direction of M and the crankshaft 4 starts to turn and the vehicle engine 1 with appropriate fuel supply and by ignition or glow plugs 36 can be started.

Ist aufgrund längerer Standzeiten des Motors nun das Fahrzeug erneut anzulassen, so kann der Fahrzeugmotor 1 auch über die Fahrzeugbatterie 26 angelassen werden, indem über eine Zuleitung 61 und den zweiten Schaltblock 30 die Ansteuerschaltung 24 aktiviert wird und ein entsprechender Anlasserstrom über die Zuleitungen 46, 47 und 48 den Statorspulen 12 zugeführt wird. Sollte für den Anlasserbetrieb des Kurbelwellentriebs eine höhere als die Batteriespannung erforderlich werden, so kann durch Zwischenschalten eines Hochsetzstellers die Batteriespannung auf einen entsprechend höheren Wert transformiert werden, um den Fahrzeugmotor 1 über die als Rotor wirkende Kurbelwelle 4 anzulassen.Is now due to prolonged life of the engine to start the vehicle again, so the vehicle engine 1 also over the vehicle battery 26 be tempered by a lead 61 and the second switching block 30 the drive circuit 24 is activated and a corresponding starter current through the supply lines 46 . 47 and 48 the stator coils 12 is supplied. If a higher than the battery voltage is required for the starter operation of the crankshaft drive, the battery voltage can be transformed to a correspondingly higher value by interposing a boost converter to the vehicle engine 1 over the crankshaft acting as a rotor 4 to start.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Fahrzeugmotor (1. Ausführungsform)Vehicle engine (1st embodiment)
22: Fahrzeugmotor (2. Ausführungsform)Vehicle engine (2nd embodiment)
33: Kurbeltriebcrankshaft
44: Kurbelwellecrankshaft
55: Gleitlager (von 4)Plain bearing (from 4 )
66: Kurbelwellengehäusecrankcase
77: Pleuellagerconnecting rod bearing
88th: AusgleichsmasseLeveling compound
99: PermanentmagnetstrukturPermanent magnet structure
1010: Rotorrotor
1111: Statorstator
1212: Spule bzw. StatorspuleCoil or stator coil
1313: Wandung bzw. KurbelwellengehäusewandungWall or crankshaft housing wall
1414: Energiespeicherenergy storage
1515: Ladekondensatorcharging capacitor
1616: radiale Bohrungradial bore
1717: Stabmagnetbar magnet
1818: Außenkonturouter contour
1919: Kupfermantelcopper jacket
2020: PermanentmagnetbandPermanent magnetic tape
2121: Verlängerungrenewal
2222: HochsetzstellerBoost converter
2323: TiefsetzstellerBuck converter
2424: Ansteuerschaltungdrive circuit
2525: Steuergerätcontrol unit
2626: Fahrzeugbatterievehicle battery
2727: erster Gleichrichterfirst rectifier
2828: zweiter Gleichrichtersecond rectifier
2929: erster Schaltblockfirst switching block
3030: zweiter Schaltblocksecond switching block
3131: Zylinderkopfcylinder head
3232: Nockenwellecamshaft
3333: Nockenwellecamshaft
3434: Einlassventilintake valve
3535: Auslassventiloutlet valve
3636: Zünd- oder GlühkerzeIgnition or glow plug
3737: Einlasskanalinlet channel
3838: Auslasskanalexhaust port
39 39: Zylindercylinder
4040: Kolbenpiston
4141: Pleuelstangeconnecting rod
4242: Brennraumcombustion chamber
4343: Bodenground
4444: Ölwanneoil pan
4545: Kreissegmentcircular segment
4646: Zuleitungsupply
4747: Zuleitungsupply
4848: Zuleitungsupply
4949: Verbindungsleitungconnecting line
5050: Verbindungsleitungconnecting line
5151: Steuerleitungcontrol line
5252: Verbindungsleitungconnecting line
5353: Verbindungsleitungconnecting line
5454: Verbindungsleitungconnecting line
5555: Eingangsanschlussinput port
5656: Zuleitungsupply
5757: Zuleitungsupply
5858: Zuleitungsupply
5959: Zuleitungsupply
6060: Signalleitungsignal line
6161: Zuleitungsupply
6262: gestrichelte Liniedashed line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0870932 B1 [0003]

Claims

Vehicle engine with crank mechanism ( 3 ), where - a crankshaft ( 4 ) of the crank mechanism ( 3 ) in plain bearings ( 5 ) of a crankcase ( 6 ), - connecting rod bearing ( 7 ) and balancing weights ( 8th ) between the plain bearings ( 5 ), - at the balancing masses ( 8th ) Permanent magnet structures ( 9 ) are arranged; and wherein the entirety of the permanent magnet structures ( 9 ) at the balancing masses ( 8th ) a rotor ( 10 ) formed by a stator ( 11 ) from coils ( 12 ) on walls ( 13 ) in the crankcase ( 6 ) is at least partially surrounded.

Vehicle engine according to claim 1, wherein the stator ( 11 ) and the rotor ( 10 ) in braking phases of the vehicle engine ( 1 ) are connected as a generator (G).

Vehicle engine according to claim 1 or claim 2, wherein the stator ( 11 ) and the rotor ( 10 ) in starting phases of the vehicle engine ( 1 ) are switched as starter motor (M).

Vehicle engine according to claim 2, wherein the generator (G) with an energy storage ( 14 ) cooperates.

Vehicle engine according to claim 4, wherein the energy store ( 14 ) of the vehicle at least one charging capacitor ( 15 ) having.

Vehicle engine according to claim 2, 4 or 5, wherein in a start / stop phase of operation of the vehicle engine ( 1 ) the rotor ( 10 ) and the stator ( 11 ) with the charging capacitor ( 15 ) interact.

Vehicle engine according to one of the preceding claims, wherein the balancing weights ( 8th ) a plurality of radial bores ( 16 ) in which bar magnets ( 17 ) are arranged.

Vehicle engine according to claim 7, wherein the magnetic poles (S, N) of the radially arranged bar magnets ( 17 ) homopolar at an outer contour ( 18 ) of the balancing weights ( 8th ) are aligned.

Vehicle engine according to claim 7, wherein the magnetic poles (S, N) of the radially arranged bar magnets ( 17 ) against opposite poles on an outer contour ( 18 ) of the balancing weights ( 8th ) are aligned.

Vehicle engine according to one of claims 7 to 9, wherein the bar magnets ( 17 ) in the radial bores ( 16 ) of a copper jacket ( 19 ) are surrounded.

Vehicle engine according to one of claims 1 to 6, wherein on outer contours ( 18 ) of the balancing weights ( 8th ) Permanent magnet strips ( 20 ) are arranged with the stator coils ( 12 ) on the walls ( 13 ) of the crankshaft housing ( 6 ) interact.

Vehicle engine according to one of claims 1 to 6, wherein the balancing weights ( 8th ) in its outer contour ( 18 ) Extensions ( 21 ) exhibit.

Vehicle engine according to claim 12, wherein the extensions ( 21 ) have additional permanent magnets.

Vehicle engine according to claim 12, wherein the extensions ( 21 ) equipped with additional permanent magnets an outer circumference of a circular segment with permanent magnets, and wherein the circular segment has a circle segment angle α up to the full circle between 90 ° ≤ α ≤ 360 °.

Vehicle engine according to claim 14, wherein on the circular segments permanent magnet belts ( 20 ) are arranged with the stator coils ( 12 ) on the walls ( 13 ) of the crankshaft housing ( 6 ) interact.