DE10201601C1 - Verbrennungsmotor mit in einem Kurbelgehäuse gelagerter Kurbelwelle, wobei der Starter/Generator auf der Kurbelwelle angeordnet ist - Google Patents

Verbrennungsmotor mit in einem Kurbelgehäuse gelagerter Kurbelwelle, wobei der Starter/Generator auf der Kurbelwelle angeordnet ist

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit in einem Kurbelgehäuse gelagerter Kurbelwelle, wobei auf der Kurbelwelle ein Starter/Generator angeordnet ist, bei dem der Starter/Generator in einer Position innerhalb des Kurbelgehäuses (2) auf der Kurbelwelle (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit in einem Kurbelgehäuse gelagerter Kurbelwelle, wobei der Starter/Generator auf der Kurbelwelle in­ nerhalb des Kurbelgehäuses angeordnet ist.
Ein derartiger Verbrennungsmotor ist beispielsweise aus der EP 0876 554 B1 oder aus der DE 199 13 656 C1 bekannt. Der Starter/Generator und der Verbrennungsmotor sind jeweils baulich getrennt axial hintereinander auf der Kurbelwelle angeordnet, wobei sich der Starter/Generator mit seinem Rotor auf der Kurbelwelle oder deren Verlängerung drehfest sitzt und mit seinem Stator drehfest gegen den Verbrennungsmotor oder ein Kupplungsgehäuse abstützt. Derartige Verbrennungsmotoren ermöglichen sowohl ein zuverläs­ siges Starten des Motors mit Hilfe des Starter/Generators, da die zum Star­ ten erforderlichen hohen Drehmomente direkt in die Kurbelwellen eingeleitet und von diesen aufgrund ihres großen Außendurchmessers gut aufgenom­ men werden können, als auch die einfache Erzeugung elektrischer Energie direkt an der Kurbelwelle und dies mit nur einer einzigen Maschine. Zusätzli­ che verlustbringende, wartungsintensive Bauteile können entfallen. Eine der­ artige Ausbildung erfordert jedoch die Bereitstellung eines relativen großen Bauvolumens sowohl für den Verbrennungsmotor als auch für den Star­ ter/Generator, was dessen Einsatzmöglichkeiten in einem Fahrzeug erheb­ lich einschränkt. Aufgrund der jeweils individuell bei der Fahrzeugkonstrukti­ on zu berücksichtigenden Anforderungen an ein Kraftfahrzeug kann der für eine derartige Ausbildung erforderliche Bauraum vielfach entweder nicht zur Verfügung gestellt werden oder nur unter Inkaufnahme des Verzichts auf sonstige den Bauraum erfordernden Aggregate mit deren Vorteilen bereitge­ stellt werden. Die Vorteile der bekannten Verbrennungsmaschine können somit nur in stark eingeschränktem Umfang bei wenigen Kraftfahrzeugen ohne Einschränkung sonstiger individuell gestellter Anforderungen an das Kraftfahrzeug genutzt werden. Zur Sicherstellung der Vorteile des Star­ ter/Generators muss bei derartigen Ausbildungen darüber hinaus die Kur­ belwelle außerhalb des Verbrennungsmotors noch ausreichend lang für die funktionssichere Anordnung und Montage und Demontage des Star­ ter/Generators ausgebildet werden, so dass auch die Kupplung erst in gro­ ßem Abstand vom Verbrennungsmotor ausgebildet werden kann. Die Einsatzmöglichkeiten eines Starter/Generators und somit die Nutzung seiner Vorteile in einem Kraftfahrzeug werden hierdurch noch weiter auf wenige, diese baulichen Erfordernisse gewährleistenden Kraftfahrzeuge beschränkt.
Aus der DE 100 23 124 C1 ist ein Verbrennungsmotor gemäß den Merkma­ len des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Bei dieser Ausführung ist der Rotor im Bereich des Kurbelwellenlagers auf der Kurbelwelle verbaut und Rotor und Stator erstrecken sich radial um das Kurbelwellenlager. Aufgrund der Durchmesser des Kurbelwellenlagers sind die bei einer derartigen Aus­ bildung eines Verbrennungsmotors mit Starter/Generator erzielbaren Dreh­ momente deutlich beschränkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit einem Starter/Generator zu schaffen, der es ermög­ licht, die Vorteile eines Starter/Generators an einer Vielzahl von Kraftfahr­ zeugen mit den individuellen Anforderungen an die jeweilige Kraftfahrzeug­ konstruktion besser zu verbinden und dabei in einfacher Weise hohe Dreh­ momente zu erzeugen und in die Kurbelwelle einzuleiten.
Erfindungsgemäß gelöst wird das Problem durch eine Ausbildung eines Verbrennungsmotors mit in einem Kurbelgehäuse gelagerter Kurbelwelle, wobei auf der Kurbelwelle ein Starter/Generator angeordnet ist, gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, bei dem der Starter/Generator in einer Position innerhalb des Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors auf der Kurbelwelle angeordnet ist und der Rotor des Starter/Generators in der axialen Position wenigstens eines Ausgleichsgewichts oder einer Kurbelwange der Kurbel­ welle auf der Kurbelwelle und der Stator des Starter/Generators im Kurbel­ gehäuse gehäusefest ausgebildet ist. Der Starter/Generator ist somit in den Verbrennungsmotor integriert ausgebildet. Die Integration innerhalb des Kur­ belgehäuses kann ohne große Vergrößerung des Kurbelgehäuses ermög­ licht werden. Außerhalb des Verbrennungsmotors kann der Bauraum trotz Nutzung der Vorteile des Starter/Generators optimal entsprechend den sonstigen individuellen Erfordernisse an das Kraftfahrzeug verplant und ge­ nutzt werden. Zum Starten können die für den Start erforderlichen hohen Drehmomente sicher über den Starter/Generator erzeugt und von der Kur­ belwelle aufgenommen werden. Die Erzeugung der elektrischen Energie kann vom Starter/Generator direkt an der Kurbelwelle erfolgen. Der Einsatz dieser Vorteile kann auch an Fahrzeugen mit Längsmotor und kurzer Motor­ bauraumlänge erfolgen.
Der Rotor kann in dieser Position einfach auf der Kurbelwelle im Kurbelge­ häuse derart integriert werden, dass bauraumsparend unter Nutzung des üblicherweise zwischen Aus­ gleichsgewicht und Gehäuse vorhandenen Freiraums die Kraftübertragung zwischen Kolben und Kurbelwelle nicht beeinträchtigt wird.
Besonders einfach und vorteilhaft ist die Ausbildung gemäß den Merkmalen von Anspruch 2, bei der das Ausgleichsgewicht der Kurbelwelle selbst als Rotor des Starter/Generators ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung ist besonders raumsparend und bauteilreduzierend ausführbar.
Eine Ausbildung gemäß den Merkmalen von Anspruch 3, bei der der Stator des Starter/Generators im Kurbelgehäuse gehäusefest mit Induktionsspulen und das Ausgleichsgewicht mit einem oder mehreren Permanentmagneten ausgebildet ist, ermöglicht in besonders einfacher Weise, einen Star­ ter/Generator funktionssicher und raumoptimiert im Verbrennungsmotor aus­ zubilden. Ein herkömmliches Ausgleichsgewicht muss lediglich mit einem oder mehreren Permanentmagneten bestückt werden. Der so ausgebildete Rotor des Starter/Generators kann ohne besondere baulichen Veränderun­ gen im herkömmlichen Motor integriert werden und mit dem ebenfalls einfach gegenüber dem Rotor im Kurbelgehäuse fixierbaren Stator mit geringem Aufwand platzminimierend betrieben werden.
Bevorzugt ist die Ausbildung gemäß den Merkmalen von Anspruch 4, bei der der Stator in Umfangsrichtung des Rotors segmentiert ausgebildet ist. Diese Ausbildung ermöglicht es, die Umfangsabschnitte zwischen den Segmenten des Stators ebenfalls räumlich zu nutzen und dennoch über die Statorseg­ mente die Funktionssicherheit des Starter/Generators zu gewährleisten. Be­ sonders vorteilhaft ist dabei die Ausbildung gemäß den Merkmalen von An­ spruch 5, bei der der Stator aus zwei Segmenten ausgebildet ist, die jeweils seitlich der Kurbelwelle einander gegenüberliegend im eingebauten Zustand des Kurbelgehäuses angeordnet sind. Eine solche Ausbildung ermöglicht es, oberhalb der Kurbelwelle zwischen den Segmenten Freiraum für die Bewe­ gung der Pleuel und der Zylinderkolben zu schaffen, so dass sowohl deren Betrieb als auch der Betrieb des Starter/Generators optimiert gewährleistet werden kann.
Die Ausbildung gemäß den Merkmalen von Anspruch 6, bei der - insbeson­ dere in das Ausgleichsgewicht integriert - konzentrisch zur Kurbelwelle ein Ring mit einem oder mehreren über den Umfang - insbesondere gleichmä­ ßig - verteilten Permanentmagneten drehfest ausgebildet ist, ermöglicht in einfacher Weise die Integration des Starter/Generators ins Kurbelgehäuse. Die Ausbildung ist hinsichtlich der Leistung des Starter/Generators und des erforderlichen Steuerungsaufwands für die Spulensteuerung des Stators be­ sonders günstig. Darüber hinaus erleichtert eine derartige Ausbildung den Verzicht auf das Schwungrad des Motors.
Die Ausbildung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7, bei der der bzw. die Permanentmagnet(en) auf der Umfangsfläche des Rotors ausgebildet ist bzw. sind, erleichtert die schmale Ausbildung des Starters/Generators und damit dessen bauraumoptimierte Integration im Kurbelgehäuse bei gleichzei­ tiger Optimierung der Drehmomentübertragung durch Ausnutzung der in größtmöglichem Abstand zur Rotorachse am Rotor ausgebildeten Übertra­ gungsflächen zur Drehmomentübertragung.
Die Ausbildung gemäß den Merkmalen von Anspruch 8, bei der jedes Aus­ gleichsgewicht der Kurbelwelle als Rotor ausgebildet ist, ermöglicht die Ver­ teilung der Einleitung der Drehmomente auf verschiedene Starter/- Generatoren in verschiedenen axialen Positionen der Kurbelwelle innerhalb des Kurbelgehäuses und hierdurch eine günstigere Torsionsbelastung der Kurbelwelle. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausbildung einen Einsatz einer einmalig bestückten Kurbelwelle sowohl in einem Motor einzusetzen, bei dem den jeweiligen Anforderungen entsprechend zu jedem Rotor ein korres­ pondierender Stator ausgebildet ist, als auch in einem Motor, bei dem den jeweiligen Anforderungen entsprechend nur zu einzelnen Rotoren korres­ pondierende Statoren ausgebildet sind. Die Ausbildung gemäß den Merk­ malen von Anspruch 10, wobei zu wenigstens einem Rotor ein korrespondie­ render Stator ausgebildet ist und wobei zu wenigstens einem Rotor kein kor­ respondierender Stator ausgebildet ist, ermöglicht eine weitere Vergrößerung des Einsatzbereiches einer standardmäßig mit Rotoren bestückten Kurbel­ welle. Eine solche Kurbelwelle kann unter Nutzung der bauraumoptimierten Ausnutzung der Vorteile eines Starter/Generator innerhalb eines Kurbelge­ häuses eingesetzt werden, wobei die Positionszuordnung und die Zahl der Statoren den jeweiligen Anforderungen eines Motors entsprechend gewählt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Fig. 1 bis 4 darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 Schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit Starter/Generator ohne Zylinderkopf;
Fig. 2 Verbrennungsmotor von Fig. 1 in perspektivischer Darstellung;
Fig. 3 Verbrennungsmotor von Fig. 1 in Querschnittsdarstellung gemäß Schnitt III-III von Fig. 1;
Fig. 4 Explosionsdarstellung eines Verbrennungsmotors zur perspektivi­ schen Darstellung von Fig. 2
Die Figuren zeigt einen mehrzylindrischen Verbrennungsmotor mit einer Zy­ linderbank 1. Im Zylinderkurbelgehäuse 2 sind mehrere Zylinder 9 ausgebil­ det, von denen lediglich 2 dargestellt sind. Im unteren Bereich des Zylinder­ kurbelgehäuses 2 ist eine Kurbelwelle 6 drehbar gelagert ausgebildet, die in herkömmlicher Weise über Pleuelstangen 7 mit jeweils in einem Zylinder 9 verschiebbar gelagerten Kolben 8 in Antriebsverbindung stehen.
In bekannter, herkömmlicher Weise ist die Kurbelwelle 6 mit Ausgleichsge­ wichten 11 ausgebildet. Wie in den Figuren dargestellt ist, ist auf den Aus­ gleichsgewichten 11 jeweils ein Haltering 14 konzentrisch zur Kurbelwellen­ achse befestigt. Der Haltering 14 ist über den Umfang gleichmäßig verteilt an seiner radial äußeren Ringfläche mit identischen Permanentmagneten 13 bestückt. Hierzu sind die Permanentmagneten 13 beispielsweise in Vertie­ fungen im Haltering eingelassen befestigt. Ausgleichsgewicht 11, darauf be­ festigter Haltering 14 mit Permanentmagneten 13 bilden den Rotor 12 eines Stator/Generator. Radial außerhalb der Permanentmagneten 13 ist ein Stator 15 im unteren Bereich 3 des Zylinderkurbelgehäuses 2 befestigt. Der Stator 15 ist in bekannter Weise mit in Umfangsrichtung auf einem konzentrischen Kreis zur Kurbelwelle verteilten und zur Sicherung der Wirkverbindung mit den Permanentmagneten 13 des Rotors 12 zu diesen ausgerichteten Sta­ torspulen 17 ausgebildet, die in bekannter nicht dargestellter Weise mit der Energieversorgungseinrichtung und mit der Motorsteuereinrichtung des Fahrzeugs verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stator 15 aus zwei in Umfangsrichtung von einander beabstandeten Um­ fangssegmenten ausgebildet, die beiderseits der Kurbelwelle 6 im unteren Bereich 3 des Zylinderkurbelgehäuses 2 befestigt sind. Jedes Umfangsseg­ ment ist mit einem Eisenkern 16 und in Umfangsrichtung verteilten Sta­ torspulen 17 ausgebildet.
Am Zylinderkurbelgehäuse 2 ist unterhalb der Kurbelwelle 6 in bekannter Weise eine Ölwanne 4 dichtend befestigt. Oberhalb des Zylinderkurbelge­ häuses ist in bekannter, nicht dargestellter Weise ein nicht dargestellter Zy­ linderkopf dichtend befestigt.
Zum Starten des Motors wird von einer Steuereinrichtung gesteuert elektri­ sche Spannung von der Energieversorgungseinrichtung an die Statorspulen 17 des Stators 15 derart angelegt, dass der Rotor 12 durch die zwischen Statorspulen 17 und Permanentmagneten 13 induzierten Kräfte so verdreht wird. Dabei sind Permanentmagneten und Statorspulen 17 so ausgebildet, dass ein zum Starten des Verbrennungsmotors ausreichendes Drehmoment auf die Kurbelwelle 6 übertragen wird. Nach erfolgreichem Start wird die Spannung wieder gesteuert abgebaut. Die Kurbelwelle 6 wird in üblicherwei­ se nach dem Start durch die aufgrund der Verbrennung im Zylinder erzeugte Kolbenbewegung und deren Übertragung über die Pleuelstangen 7 auf die Kurbelwelle angetrieben.
In diesem Zustand wird durch die mitgedrehten Permanentmagneten 13 des Rotors 12 in den Statorspulen 17 Strom induziert, der soweit Bedarf an Er­ zeugung elektrischer Energie im Fahrzeug besteht, gesteuert der Energie­ versorgungseinrichtung zugeführt wird.
Oberhalb der Kurbelwelle 6 sind die beiden Segmente des Stators 15 so weit voneinander beabstandet, dass ihr Abstand wenigstens dem Bohrungs­ durchmesser der benachbarten Zylinder entspricht.
In einer anderen in seiner Höhenerstreckung sehr niedrig ausbildbaren Aus­ führungsform des Motors sind die beiden Segmente des Stators 15 unterhalb und oberhalb der Kurbelwelle 6 jeweils wenigstens so weit voneinander beabstandet, dass der Rotor mit seinem Außendurchmesser nach oben und nach unten wenigstens soweit erstreckt wie die Statorsegmente.
In den dargestellten Ausführungsformen ist jeweils axial zwischen den Pleu­ elstangen der verschiedenen Zylinder ein Ausgleichsgewicht mit einem Sta­ tor/Generator ausgebildet.
In anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind nicht auf allen Ausgleichsgewichten der Kurbelwelle 6 ein Starter/Generator ausgebildet, sondern wenigstens ein Ausgleichsgewichte ist ohne Starter/Generator aus­ gebildet. Aber auch bei diesen Ausführungsformen ist wenigstens ein Aus­ gleichsgewichten der Kurbelwelle 6 mit Starter/Generator ausgebildet.
In den dargestellten Ausführungsformen ist zwar nur eine Zylinderbank 1 eines Reihenmotors dargestellt. Allerdings sind die dargestellten und die be­ schriebenen Ausführungsformen auch in analoger Ausführung mit mehreren Zylinderbänken möglich. Die Ausführungsformen sind ebenso in Reihen, wie in V-, in VR- oder in W-Anordnung und bei den Boxermotoren analog mög­ lich.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Zylinderbank
2
Zylinderkurbelgehäuse
3
unterer Bereich des Zylinderkurbelgehäuses
4
Ölwanne
6
Kurbelwelle
7
Pleuelstange
8
Kolben
9
Zylinder
11
Ausgleichsgewicht
12
Rotor
13
Permanentmagnet
14
Haltering
15
Stator
16
Eisenkern des Stators
17
Statorspule

Claims (9)

1. Verbrennungsmotor mit in einem Kurbelgehäuse gelagerter Kurbelwel­ le, wobei in einer Position innerhalb des Kurbelgehäuses (2) auf der Kurbelwelle ein Starter/Generator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) des Starter/Generators in der axialen Position we­ nigstens eines Ausgleichsgewichts (11)oder einer Kurbelwange der Kurbelwelle (6) auf der Kurbelwelle (6) und der Stator (15) des Star­ ter/Generators im Kurbelgehäuse (2) gehäusefest ausgebildet ist.
2. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei das Ausgleichsgewicht (11) der Kurbelwelle als Rotor (12) des Starter/Generators ausgebildet ist.
3. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von Anspruch 2, wobei der Stator (15) des Starter/Generators im Kurbelgehäuse (2) ge­ häusefest und mit Induktionsspulen (17) und das Ausgleichsgewicht (11) oder die Kurbelwange mit einem oder mehreren Permanentmag­ neten (13) ausgebildet ist.
4. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von Anspruch 3, wobei der Stator (15) in Umfangsrichtung des Rotors (12) segmentiert ausgebildet ist.
5. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von Anspruch 4, wobei der Stator (15) aus zwei Segmenten ausgebildet ist, die jeweils seitlich der Kurbelwelle (6) einander gegenüberliegend im eingebauten Zustand des Kurbelgehäuses (2) angeordnet sind.
6. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei - insbesondere in das Ausgleichsgewicht (11) oder in die Kur­ belwange integriert - konzentrisch zur Kurbelwelle (6) ein Ring (14) mit einem oder mehreren über den Umfang - insbesondere gleichmäßig - verteilten Permanentmagneten (13) drehfest ausgebildet ist.
7. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, wobei der bzw. die Permanentmagneten (13) auf der Umfangsfläche des Rotors (12) ausgebildet ist bzw. sind.
8. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei jedes Ausgleichsgewicht (11) oder jede Kurbelwange der Kur­ belwelle (6) als Rotor (12) ausgebildet ist.
9. Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von Anspruch 8,
wobei zu wenigstens einem Rotor (12) ein korrespondierender Stator (15) ausgebildet ist und
wobei zu wenigstens einem Rotor(12) kein korrespondierender Stator (15) ausgebildet ist.
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