DE102011080601A1

DE102011080601A1 - Verfahren zum Ausgleich der Massenkräfte einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102011080601A1
Application number: DE102011080601A
Authority: DE
Inventors: Bernd Steiner; Dr. Quiring Stefan
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-14
Also published as: CN102927199A; US20130036995A1; CN102927199B; US8695556B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleich der Massenkräfte eines Kurbeltriebs einer Brennkraftmaschine, welche mindestens einen Zylinder umfaßt, unter Verwendung mindestens einer Ausgleichseinheit (1), welche mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht (3) aufweist, das bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit (1) um eine Drehachse (4) rotiert. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Es soll ein Verfahren der genannten Art aufgezeigt werden, welches einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Massenausgleich ermöglicht, insbesondere einen Massenausgleich, der sich durch eine geringere Reibleistung auszeichnet. Erreicht wird dies durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) als schaltbare Ausgleichseinheit (1) ausgebildet wird, die in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleich der Massenkräfte eines Kurbeltriebs einer Brennkraftmaschine, welche mindestens einen Zylinder umfaßt, unter Verwendung mindestens einer Ausgleichseinheit, welche mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht aufweist, das bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit um eine Drehachse rotiert.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Schwingungen erlangen bei der Konstruktion und Auslegung von Kraftfahrzeugen und Brennkraftmaschinen zunehmend an Bedeutung. Unter anderem wird versucht, das von der Brennkraftmaschine verursachte Geräusch gezielt zu beeinflussen und zu modellieren. Maßnahmen in diesem Zusammenhang werden auch unter dem Begriff Geräuschdesign bzw. Sounddesign zusammengefaßt. Motiviert werden derartige Entwicklungsarbeiten auch durch die Erkenntnis, dass die Kaufentscheidung der Kunden beim Erwerb eines Fahrzeuges nicht unwesentlich und in zunehmendem Umfang sogar maßgeblich vom Geräusch der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs mitbeeinflußt wird. So bevorzugt der Fahrer eines Sportwagens ein Fahrzeug bzw. einen Motor, dessen Geräusch den sportlichen Charakter des Fahrzeuges unterstreicht.
Im Rahmen eines Geräuschdesigns bzw. Sounddesigns werden Schwingungen kompensiert, d. h. eliminiert oder ausgelöscht, oder einzelne Schwingungen einer bestimmten Frequenz isoliert, herausgefiltert und gegebenenfalls modelliert.
Als Geräuschquellen an einem Kraftfahrzeug können unterschieden werden:

– Strömungsgeräusche,
– Geräusche durch Körperschallabstrahlung, und
– Geräusche durch Körperschalleinleitung in die Karosserie über die Motorlagerung.

Zu den Strömungsgeräuschen zählen beispielsweise das Auspuffmündungsgeräusch, das Ansauggeräusch und das Geräusch des Lüfters, wohingegen zu den Geräuschen durch Körperschallabstrahlung das eigentliche Motorgeräusch und die Abstrahlung der Auspuffanlage gehört. Die durch Stöße und Wechselkräfte zu Schwingungen angeregte Motorstruktur strahlt über ihre Motoroberflächen den Körperschall als Luftschall ab und generiert auf diese Weise das eigentliche Motorgeräusch.
Von besonderer Bedeutung für den akustischen Fahrkomfort ist die Körperschalleinleitung über die Motorlagerung, insbesondere die Körperschalleinleitung in die Fahrzeugkarosserie.
Die Brennkraftmaschine und die dazugehörigen Nebenaggregate sind schwingungsfähige Systeme, deren Schwingungsverhalten beeinflußt werden kann. Die relevantesten Bauteile mit Stoß- und Kraftanregung sind das Kurbelgehäuse, der Zylinderblock, der Zylinderkopf, der Kurbeltrieb, der Kolben und der Ventiltrieb. Diese Bauteile sind den Massen- und Gaskräften ausgesetzt. Der Kurbeltrieb umfaßt dabei insbesondere die Kurbelwelle, den Kolben, den Kolbenbolzen und die Pleuelstange und bildet das für das erfindungsgemäße Verfahren relevante schwingungsfähige System.
Die Kurbelwelle wird durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche über die an den einzelnen Kurbelzapfen angelenkten Pleuelstangen in die Kurbelwelle eingeleitet werden, zu Drehschwingungen angeregt. Diese Drehschwingungen führen sowohl zu Geräuschen durch Körperschallabstrahlung als auch zu Geräuschen durch Körperschalleinleitung in die Karosserie und in die Brennkraftmaschine. Bei Anregung der Kurbelwelle im Eigenfrequenzbereich kann es dabei zu hohen Drehschwingungsamplituden kommen, die sogar zum Dauerbruch führen können. Dies zeigt, dass die Schwingungen nicht nur in Zusammenhang mit einem Geräuschdesign von Interesse sind, sondern vielmehr auch im Hinblick auf die Festigkeit der Bauteile.
Die Drehschwingungen der Kurbelwelle werden ungewollt über den Steuertrieb bzw. Nockenwellenantrieb auf die Nockenwelle übertragen, wobei die Nockenwelle selbst auch ein schwingungsfähiges System darstellt und weitere Systeme, insbesondere den Ventiltrieb, zu Schwingungen anregen kann. Zudem werden die Schwingungen der Kurbelwelle in den Antriebsstrang eingeleitet, über welchen eine Weiterleitung bis hin zu den Reifen eines Fahrzeuges erfolgen kann.
Der Drehkraftverlauf an einer Kurbelwellenkröpfung einer Viertaktbrennkraftmaschine ist periodisch, wobei sich die Periode über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erstreckt. Üblicherweise wird der Drehkraftverlauf mittels Fourier-Analyse in seine harmonischen Anteile zerlegt, um Aussagen über die Erregung von Drehschwingungen treffen zu können. Dabei setzt sich der tatsächliche Drehkraftverlauf aus einer konstanten Drehkraft und einer Vielzahl von sich harmonisch verändernden Drehkräften zusammen, die unterschiedliche Drehkraftamplituden und Frequenzen bzw. Schwingzahlen aufweisen. Das Verhältnis der Schwingzahl n_i jeder Harmonischen zur Drehzahl n der Kurbelwelle bzw. des Motors, wird als die Ordnung i der Harmonischen bezeichnet.
Aufgrund der hohen dynamischen Belastung der Kurbelwelle durch die Massen- und Gaskräfte sind die Konstrukteure bei der Auslegung der Brennkraftmaschine bemüht, einen möglichst weitgehenden, d. h. optimierten Massenausgleich zu realisieren. Dabei werden unter dem Begriff “Massenausgleich“ sämtliche Maßnahmen zusammengefaßt, die die Wirkung der Massenkräfte nach außen kompensieren bzw. verringern. Insofern betrifft das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausgleich der Massenkräfte nicht nur die Massenkräfte als solche, sondern auch die durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente.
In diesem Zusammenhang besteht ein Lösungsansatz in der gezielten Abstimmung der Kröpfung der Kurbelwelle, der Anzahl und der Anordnung der Zylinder und der Zündfolge in der Weise, dass ein möglichst optimaler Massenausgleich erzielt wird.
Ein Sechs-Zylinder-Reihenmotor kann auf diese Weise vollständig ausgeglichen werden. Die sechs Zylinder werden paarweise in der Art zusammengefaßt, dass sie mechanisch als Zylinderpaar parallel laufen. So werden der erste und sechste Zylinder, der zweite und fünfte Zylinder und der dritte und vierte Zylinder zu einem Zylinderpaar zusammengefaßt, wobei die Kurbelwellenzapfen bzw. -kröpfungen der drei Zylinderpaare um jeweils 120° KW versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet sind. Mechanisch parallel laufend bedeutet, dass die beiden Kolben der zwei mechanisch parallel laufenden Zylinder sich bei demselben °KW (Grad Kurbelwinkel) im oberen Totpunkt (OT) bzw. unteren Totpunkt (UT) befinden. Bei Wahl einer geeigneten Zündfolge werden die Massenkräfte völlig ausgeglichen.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor lassen sich die Massenkräfte 1. Ordnung und die Massenkräfte 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge ebenfalls vollständig ausgleichen, nicht aber die Momente, welche durch die Massenkräfte hervorgerufen werden.
Ein vollständiger Massenausgleich, wie bei dem oben beschriebenen Sechs-Zylinder-Reihenmotor, ist nicht immer realisierbar, so dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, beispielsweise das Anordnen von Gegengewichten auf der Kurbelwelle und/oder die Ausstattung der Brennkraftmaschine mit mindestens einer Ausgleichswelle.
Ausgangspunkt dieser Maßnahmen ist, dass die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche sich aus den Gaskräften und Massenkräften des Kurbeltriebes zusammensetzen, belastet wird. Die Massen des Kurbeltriebes, d. h. die Einzelmassen der Pleuelstange, des Kolbens, des Kolbenbolzens und der Kolbenringe, lassen sich in eine oszillierende Ersatzmasse und eine rotierende Ersatzmasse überführen. Die Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse kann in einfacher Weise durch auf der Kurbelwelle angeordnete Gegengewichte in ihrer Außenwirkung ausgeglichen werden.
Aufwendiger gestaltet sich der Ausgleich der durch die oszillierende Ersatzmasse hervorgerufenen rotierenden Massenkraft, die sich näherungsweise aus einer Massenkraft 1. Ordnung, die mit der Motorendrehzahl umläuft, und einer Massenkraft 2. Ordnung, die mit zweifacher Motorendrehzahl umläuft, zusammensetzt, wobei Kräfte höherer Ordnung vernachlässigbar sind.
Die rotierenden Massenkräfte jeder Ordnung können nahezu ausgeglichen werden durch die Anordnung von zwei gegensinnig rotierenden mit entsprechenden Gewichten versehenen Wellen, sogenannten Ausgleichswellen. Die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung laufen dabei mit Motordrehzahl und die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 2. Ordnung mit zweifacher Motordrehzahl um. Diese Art des Massenausgleichs ist sehr kostenintensiv, aufwendig und weist einen hohen Raumbedarf auf.
Zudem ergeben sich selbst bei einem vollständigen Ausgleich der rotierenden Massenkräfte Massenmomente, da die Massenkräfte der einzelnen Zylinder in den Zylindermittelebenen wirken. Diese Massenmomente können im Einzelfall wiederum durch eine mit Gewichten ausgestattete Ausgleichwelle kompensiert werden. Letzteres erhöht den Raumbedarf, die Kosten sowie das Gewicht des gesamten Massenausgleichs und damit der Antriebseinheit aber zusätzlich.
Die durch die Massenkräfte 1. Ordnung beispielsweise bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor hervorgerufenen Momente lassen sich durch eine einzelne, mit Motordrehzahl gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle, an deren Enden zwei um 180° versetzt angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, kompensieren.
Das Vorsehen einer oder gegebenenfalls mehrerer Ausgleichswellen erhöht nicht nur den Raumbedarf und die Kosten, sondern auch den Kraftstoffverbrauch. Der erhöhte Kraftstoffverbrauch wird zum einen durch das zusätzliche Gewicht der Ausgleichseinheit, insbesondere der Wellen und der als Unwucht dienenden Gegengewichte, verursacht, welche das Gesamtgewicht der Antriebseinheit spürbar erhöhen. Zum anderen trägt die Ausgleichseinheit mit ihren rotierenden Wellen und anderen bewegten Bauteilen nicht unwesentlich zur Reibleistung der Brennkraftmaschine bei bzw. zur Erhöhung dieser Reibleistung. Letzterem kommt eine Relevanz insbesondere durch den Umstand zu, dass die Ausgleichseinheit immer und kontinuierlich in Betrieb ist, sobald die Brennkraftmaschine gestartet und betrieben wird. Ein Ausgleich der Massenkräfte erfolgt dabei permanent, ohne dass berücksichtigt wird, ob der momentane Betriebszustand der Brennkraftmaschine einen derartigen Massenausgleich beispielsweise aus Gründen des Geräuschdesigns überhaupt erfordert, d. h. verlangt, oder aber nicht.
So könnte auf einen Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor hervorgerufenen Momente bei höheren Motordrehzahlen verzichtet werden, da die durch die Schwingungen hervorgerufenen Geräusche nur bei niedrigen Drehzahlen und im Leerlauf als problematisch bewertet werden. Bei höheren Drehzahlen hingegen besteht aus Gründen des Geräuschdesigns kein Bedarf für einen Massenausgleich.
Nachteilig an den herkömmlichen Ausgleichseinheiten ist zudem, dass nur wenige Freiheiten bei der konstruktiven Auslegung und hinsichtlich der Anordnung im Motorraum bestehen.
Die üblicherweise verwendeten Ausgleichswellen werden kurbelwellenseitig mechanisch über einen Riementrieb oder ein Zahnradpaar angetrieben und daher in der Regel unterhalb des Kurbelgehäuses angeordnet.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass ein Bedarf an verbesserten Verfahren zum Massenausgleich besteht, wobei ein geringer Raumbedarf, eine geringe Reibleistung und mehr konstruktive Freiheiten bei der Auslegung des Ausgleichs angestrebt werden.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, welches einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Massenausgleich ermöglicht, insbesondere einen Massenausgleich, der sich durch eine geringere Reibleistung auszeichnet.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Ausgleich der Massenkräfte eines Kurbeltriebs einer Brennkraftmaschine, welche mindestens einen Zylinder umfaßt, unter Verwendung mindestens einer Ausgleichseinheit, welche mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht aufweist, das bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit um eine Drehachse rotiert, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit als schaltbare Ausgleichseinheit ausgebildet wird, die in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geschaltet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Massenausgleich bedient sich einer schaltbaren Ausgleichseinheit, die bei Bedarf aktiviert, d. h. angeschaltet, aber bei fehlendem Bedarf auch deaktiviert, d. h. abgeschaltet, werden kann. Beispiele für eine schaltbare Ausgleichseinheit sind eine elektrisch betriebene Ausgleichseinheit, bei der zum Deaktivieren die Stromzufuhr unterbunden wird, oder eine mechanisch angetriebene Ausgleichseinheit, bei der ein Abschalten durch Unterbrechen des Antriebs erfolgt, beispielweise durch Vorsehen einer Kupplung, die in der Offenstellung den Kraftfluß vom Riementrieb bzw. Zahnradtrieb auf die mindestens eine Ausgleichswelle unterbricht.
Die Ausgleichseinheit wird dabei in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geschaltet. Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor den Massenausgleich bei niedrigen Drehzahlen und im Leerlauf, wobei zu höheren Drehzahlen hin durch Abschalten der Ausgleichseinheit auf einen Massenausgleich verzichtet wird, um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Durch die Verwendung einer schaltbaren Ausgleichseinheit wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren aufgezeigt, welches einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Massenausgleich ermöglicht, insbesondere einen Massenausgleich, der sich durch eine geringere Reibleistung auszeichnet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine geschaltet wird. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Drehzahl n der Brennkraftmaschine der mindestens eine Betriebsparameter, in dessen Abhängigkeit die Ausgleichseinheit an- bzw. abgeschaltet wird. Da die Massenmomente und Massenkräfte mit Motordrehzahl bzw. einem Vielfachen der Motordrehzahl umlaufen und der dazugehörige Massenausgleich mit entsprechend rotierenden Ausgleichsgewichten erfolgt, steht der Massenausgleich prinzipbedingt in einem engen Verhältnis zur Motordrehzahl, weshalb auch die Drehzahl n der Brennkraftmaschine ein geeigneter Betriebsparameter zur Steuerung bzw. Regelung der Ausgleichseinheit ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit – ausgehend von einer in Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit – abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_threshold,up überschreitet.
Die vorstehende Verfahrensvariante gestattet es, bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente bei niedrigen Drehzahlen und im Leerlauf mittels einer zugeschalteten, d. h. aktivierten Ausgleichseinheit auszugleichen, und zu höheren Drehzahlen hin, bei denen zumindest aus Gründen des Geräuschdesigns kein Bedarf für einen Massenausgleich besteht, die Ausgleichseinheit bei Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl n_threshold,up zu deaktivieren.
Besonders vorteilhaft an der in Rede stehenden Variante ist, dass die Ausgleichseinheit bei hohen Drehzahlen, bei denen die Reibleistung in der Regel am höchsten ist, abgeschaltet wird, d. h. in einem Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine, in dem durch Abschalten der Ausgleichseinheit spürbar Kraftstoff eingespart werden kann.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl n_threshold,up überschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ größer ist als diese vorgegebene Drehzahl n_threshold,up.
Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Abschalten der mindestens einen Ausgleichseinheit soll ein zu häufiges Schalten verhindern, insbesondere ein Deaktivieren der Ausgleichseinheit, wenn die Drehzahl nur kurzzeitig die vorgegebene Drehzahl überschreitet und dann wieder fällt bzw. um den vorgegebenen Wert für die Drehzahl schwankt, ohne dass das Überschreiten ein Abschalten der Ausgleichseinheit rechtfertigen würde.
Aus den zuvor genannten Gründen sind auch Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit – ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit – angeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet.
Vorteilhaft sind dabei wiederum Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit angeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ kleiner ist als diese vorgegebene Drehzahl n_{threshold,down}.
Es wird Bezug genommen auf die Ausführungen, welche in Zusammenhang mit dem Überschreiten der Drehzahl n_threshold,up und der Zeitspanne Δt₁ gemacht wurden. Die im Hinblick auf diese Verfahrensvarianten gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor ist es beispielweise vorteilhaft, die Ausgleichseinheit bei Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl n_{threshold,down} zu aktivieren, um die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente auszugleichen.
Neben dem Festlegen einer konkreten Drehzahl n_threshold,up bzw. n_{threshold,down} für das Abschalten bzw. Anschalten der Ausgleichseinheit, können auch Drehzahlbereiche vorgegeben werden, innerhalb derer die Ausgleichseinheit betrieben wird oder aber deaktiviert bleibt.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit – ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit – zugeschaltet, d. h. angeschaltet, wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_threshold,up überschreitet.
Vorteilhaft können dabei Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit zugeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl n_threshold,up überschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₃ größer ist als diese vorgegebene Drehzahl n_threshold,up.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit – ausgehend von einer in Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit – abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet.
Vorteilhaft können dabei wiederum Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₄ kleiner ist als diese vorgegebene Drehzahl n_{threshold,down}.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit beim Zuschalten mit dem Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine synchronisiert wird. Um einen Massenausgleich zu erzielen, muß das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht der Ausgleichseinheit, welches um eine Drehachse rotiert, eine konkrete, fest vorgegebene Lage zur Kurbelwelle, d. h. bezüglich des Kurbeltriebs, aufweisen. Insofern muß die Ausgleichseinheit im Rahmen des Zuschaltens mit dem Kurbeltrieb synchronisiert werden.
Ist die Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung ausgestattet, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit mittels Motorsteuerung geschaltet und/oder synchronisiert wird.
Vorteilhaft können Verfahrensvarianten sein, bei denen als Ausgleichseinheit eine elektrisch betriebene Ausgleichseinheit verwendet wird. Eine elektrisch betriebene Ausgleichseinheit läßt sich durch Unterbrechen der Stromzufuhr in einfacher Weise abschalten.
Ein elektrischer Antrieb führt prinzipbedingt zu mehr Freiheiten bei der Anordnung der Ausgleichseinheit im Motorraum, da die für eine Stromzufuhr erforderlichen Kabel an jede beliebige Stelle im Motorraum geleitet werden können. Rigide Einschränkungen, wie sie bei einem mechanischen Antrieb gegeben sind, entfallen.
Sollen bei einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einem Drei-Zylinder-Reihenmotor, deren Massenkräfte von Hause aus ausgeglichen sind, mittels elektrisch betriebener Ausgleichseinheit lediglich die durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente ausgeglichen werden, ergeben sich hinsichtlich der Anordnung der Ausgleichsgewichte erhebliche Freiheiten. Es muß lediglich dafür gesorgt werden, dass der für den Ausgleich erforderliche Kraftfluß gegeben ist, was durch mechanische Kopplung der Ausgleichseinheit mit der Brennkraftmaschine, beispielsweise durch Befestigung, gewährleistet werden kann. Die Anordnung der Ausgleichsgewichte hat dann noch in der Weise zu erfolgen, dass das ausgleichende Moment in derselben Ebene wirkt wie das resultierende Massenmoment.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor können die Massenmomente 1. Ordnung ausgeglichen werden durch zwei auf einer Achse liegende und um 180° versetzt angeordnete Ausgleichsgewichte, die von der durch den innenliegenden Zylinder verlaufenden Mittelebene denselben Abstand haben bzw. das in dieser Mittelebene wirksame resultierende Massenmoment ausgleichen und mit Motordrehzahl entgegen der Kurbelwelle umlaufen.
Dabei können die beiden Ausgleichsgewichte auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein, die elektrisch in Drehung versetzt wird, oder aber die Ausgleichsgewichte werden getrennt voneinander auf separaten Wellen bzw. Rotationskörpern, beispielsweise Scheiben, angeordnet. Die letztgenannte Ausführungsform zeichnet sich durch ihr geringes Gewicht und einen verminderten Raumbedarf aus. Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor könnte ein Massenausgleich 1. Ordnung dann unter Verwendung von zwei Ausgleichseinheiten erfolgen, wobei jede Ausgleichseinheit ein auf einem Rotationskörper angeordnetes Ausgleichsgewicht aufweist, welches mittels elektrischen Antriebs in Drehung versetzt werden kann.
Vorteilhaft können auch Verfahrensvarianten sein, bei denen als Ausgleichseinheit eine mechanisch angetriebene Ausgleichseinheit verwendet wird. Ein Abschalten erfolgt durch Unterbrechen des Antriebs, d. h. des Kraftflusses vom Antrieb auf die mindestens eine Ausgleichseinheit.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer zuvor genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mindestens einer Ausgleichseinheit, welche mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht aufweist, das bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit um eine Drehachse rotiert, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit schaltbar ist.
Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit eine elektrisch betriebene Ausgleichseinheit ist. Ein An- und Abschalten erfolgt durch Ein- und Ausschalten der Stromzufuhr. Eine elektrisch betriebene Ausgleichseinheit wird vorzugsweise von der Bordbatterie gespeist. Wegen der nicht notwendigen und daher prinzipbedingt fehlenden mechanischen Kopplung zeichnen sich elektrisch betriebene Ausgleichseinheiten in der Regel durch ein niedrigeres Gewicht aus. So kann beispielweise als Aufnahme für das mindestens eine Ausgleichsgewicht eine Scheibe anstelle einer Welle verwendet werden.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit eine mechanisch angetriebene Ausgleichseinheit ist. Diese Ausführungsform eignet sich auch für eine Nachrüstung bereits auf dem Markt befindlicher und vor der Markteinführung stehender Kraftfahrzeuge.
Ein bereits vorgesehener Riementrieb bzw. Zahnradtrieb ist zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dann mit einer Unterbrechereinheit, beispielsweise einer Kupplung, auszustatten, welche die mindestens eine Ausgleichseinheit zum Zwecke des Abschaltens vom mechanischen Antrieb trennt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen drei Zylinder in Reihe angeordnet sind, wobei die Massenkräfte 1. Ordnung und 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge ausgeglichen sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht mindestens zwei Segmente aufweist, die gegeneinander um die Drehachse verdrehbar sind.
Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf den Zuschaltvorgang der mindestens einen Ausgleichseinheit, während dessen die Ausgleichseinheit mit dem Kurbeltrieb synchronisiert wird und die Drehzahlen der Kurbelwelle und des Ausgleichsgewichts angepaßt bzw. aufeinander abgestimmt werden. Die Ausgleichsgewichte müssen dabei gegebenenfalls aus dem Stillstand beschleunigt werden. Da die Ausgleichsgewichte während des Beschleunigungsvorganges nicht synchron mit der Kurbelwelle umlaufen, wäre es nachteilig, wenn die Ausgleichsgewichte bereits ihre volle Wirkung als Unwucht entfalten. Deshalb sind die beiden das Ausgleichsgewicht bildenden Segmente zu Beginn des Zuschaltvorganges vorzugsweise um 180° gegeneinander versetzt positioniert, so dass die Segmente sich in ihrer Außenwirkung aufheben, d. h. neutralisieren. Durch Verdrehen eines der beiden Segmente wird die Unwucht erst erzeugt und das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht ausgebildet. In der Arbeitsposition weisen die beiden Segmente vorzugsweise keinen Versatz mehr auf, wozu ein Verdrehen eines Segmentes um 180° erforderlich ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1, 2, 3a und 3b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 eine erste Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Flußdiagramms,
2 eine erste Ausführungsform einer elektrisch betriebenen Ausgleichseinheit,
3a eine zweite Ausführungsform einer Ausgleichseinheit in Ruheposition, und
3b die in 3a dargestellte Ausführungsform in Arbeitsposition.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens in Gestalt eines Flußdiagramms.
Nach dem Starten der Brennkraftmaschine ist die mindestens eine Ausgleichseinheit in Betrieb, d. h. aktiviert, solange die Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine kleiner ist als eine vorgegebene Drehzahl n_threshold,up. Es gilt: n_mot < n_threshold,up
Ausgehend von der in Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit wird die Drehzahl überwacht und die Ausgleichseinheit abgeschaltet, sobald die Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine eine vorgebare Drehzahl n_threshold,up überschreitet. Es gilt: n_mot > n_threshold,up
Ausgehend von der außer Betrieb gesetzten Ausgleichseinheit wird die Drehzahl weiter überwacht und die Ausgleichseinheit erneut aktiviert, sobald die Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl n_threshold,up wieder unterschreitet.
Wird die Brennkraftmaschine abgeschaltet, startet das Verfahren bei einem Neustart der Brennkraftmaschine wieder mit einer in Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit.
2 zeigt eine Ausführungsform einer elektrisch betriebenen Ausgleichseinheit 1. Die dargestellte Ausgleichseinheit 1 umfaßt ein auf einem Rotationskörper 2 angeordnetes Ausgleichsgewicht 3. Der Rotationskörper 2 der in 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Scheibe 2a. Bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit 1 rotiert das als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht 3 um eine Drehachse 4.
Zwei dieser Ausgleichseinheiten 1 genügen, um die Massenmomente 1. Ordnung bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor auszugleichen. Der elektrische Antrieb ist nicht dargestellt.
3a zeigt eine zweite Ausführungsform einer Ausgleichseinheit 1 in Ruheposition. Das als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht 3 umfaßt zwei Segmente 3a, 3b, die flügelartig ausgebildet und um eine Drehachse, die senkrecht auf der Zeichenebene steht, gegeneinander verdrehbar sind. Die beiden Segmente 3a, 3b sind um 180° verdreht auf einer als Rotationskörper 2 dienenden Welle 5 angeordnet. In der Ruheposition neutralisieren sich die beiden Segmente 3a, 3b in ihrer Außenwirkung.
Durch Verdrehen eines der beiden Segmente 3b wird eine Unwucht erzeugt und das als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht 3 ausgebildet. In der Arbeitsposition weisen die beiden Segmente 3a, 3b keinen Versatz mehr auf, wozu ein Verdrehen des zweiten Segments 3b um 180° erforderlich ist. 3b zeigt die in 3a dargestellte Ausführungsform in der Arbeitsposition, wobei die ursprüngliche Lage des zweiten Segments 3b, d. h. die Ruheposition gestrichelt dargestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Ausgleichseinheit
2: Rotationskörper
2a: Scheibe
3: Ausgleichsgewicht
3a: erstes Segment des Ausgleichsgewichts
3b: zweites Segment des Ausgleichsgewichts
4: Drehachse
5: Welle
n, n_mot: Drehzahl der Brennkraftmaschine
n_{threshold,down}: vorgebbare Drehzahl, Untergrenze
n_threshold,up: vorgebbare Drehzahl, Obergrenze
Δt₁: vorgebbare Zeitspanne
Δt₂: vorgebbare Zeitspanne
Δt₃: vorgebbare Zeitspanne
Δt₄: vorgebbare Zeitspanne

Claims

Verfahren zum Ausgleich der Massenkräfte eines Kurbeltriebs einer Brennkraftmaschine, welche mindestens einen Zylinder umfaßt, unter Verwendung mindestens einer Ausgleichseinheit (1), welche mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht (3) aufweist, das bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit (1) um eine Drehachse (4) rotiert, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) als schaltbare Ausgleichseinheit (1) ausgebildet wird, die in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) – ausgehend von einer in Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit (1) – abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_threshold,up überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgebbare Drehzahl n_threshold,up überschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ größer ist als diese vorgegebene Drehzahl n_threshold,up.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) – ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit (1) – angeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) angeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgebbare Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ kleiner ist als diese vorgegebene Drehzahl n_{threshold,down}.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) beim Zuschalten mit dem Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine synchronisiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Ausgleich der Massenkräfte einer Brennkraftmaschine, die mit einer Motorsteuerung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) mittels Motorsteuerung geschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgleichseinheit (1) eine elektrisch betriebene Ausgleichseinheit (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgleichseinheit (1) eine mechanisch angetriebene Ausgleichseinheit verwendet wird.
Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Zylinder und mindestens einer Ausgleichseinheit (1), welche mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht (3) aufweist, das bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit (1) um eine Drehachse (4) rotiert, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) schaltbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) eine elektrisch betriebene Ausgleichseinheit (1) ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) eine mechanisch angetriebene Ausgleichseinheit ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht (3) zwei Segmente (3a, 3b) aufweist, die gegeneinander um die Drehachse (4) verdrehbar sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass drei Zylinder in Reihe angeordnet sind, wobei die Massenkräfte 1. Ordnung und Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge ausgeglichen sind.