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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennkraftmaschine sowie einer Axialkolbenmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In einem gattungsgemäßen Brennkraftmaschinensystem kommen eine Brennkraftmaschine sowie eine Axialkolbenmaschine zum Einsatz. Die Brennkraftmaschine und die Axialkolbenmaschine sind dabei winkelfest miteinander gekoppelt oder koppelbar und können so gemeinsam, bspw. zum Antreiben eines zugehörigen Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine weist mehrere Zylinder und jeweils darin hubverstellbare Kolben auf, die im Betrieb der Brennkraftmaschine Drehschwingungen erzeugen bzw. durchführen. Auch die Axialkolbenmaschine weist Zylinder auf, in denen jeweils Kolben hubverstellbar angeordnet sind, welche im Betrieb der Axialkolbenmaschine Drehschwingungen erzeugen bzw. durchführen. Die Axialkolbenmaschine weist zudem gewöhnlich eine Innenwelle sowie eine Außenwelle auf, die mittels eines Freilaufs miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
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Während des Betriebs des Systems werden dabei die Drehschwingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere bedingt durch die Kopplung der Brennkraftmaschine mit der Axialkolbenmaschine, auf die Axialkolbenmaschine übertragen. Diese Übertragung führt zu entsprechenden Schwingungen innerhalb der Axialkolbenmaschine, welche eine hohe mechanische Beanspruchung der Bestandteile der Axialkolbenmaschine, insbesondere des Freilaufs, zur Folge hat. Diese erhöhte Belastung kann zur Beschädigungen und/oder einer reduzierten Lebensdauer der Axialkolbenmaschine und/oder des Freilaufs führen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Brennkraftmaschinensystem der eingangs genannten Art sowie für ein Verfahren zum Berteiben eines solchen Systems verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verringerte Belastung und/oder einen reduzierten Verschleiß und/oder eine reduzierte Geräuschentwicklung, insbesondere eines Freilaufs, auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Brennkraftmaschinensystem mit einer Brennkraftmaschine und einer Axialkolbenmaschine, welche winkelfest miteinander gekoppelt sind, wobei die Axialkolbenmaschine eine Innenwelle und eine Außenwelle aufweist, die mittels eines Freilaufs miteinander gekoppelt oder koppelbar sind, Drehschwingungen der Brennkraftmaschine, nachfolgend Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen genannt, und Drehschwingungen der Axialkolbenmaschine, nachfolgend Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen genannt, derart zu überlagern, dass die Belastung des Freilaufs in einem gewissen Maße einstellbar, insbesondere reduziert, ist. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch eine im Wesentlichen gegenphasige oder eine im Wesentlichen gleichphasige Überlagerung der Drehschwingungen. Dementsprechend sieht eine erste Alternative der erfindungsgemäßen Lösung eine gegenphasige Überlagerung der Drehschwingungen vor. Die gegenphasige Überlagerung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen mit den Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen führt zumindest zu einer Reduzierung der resultierenden Schwingungen. Bei einem Einsatz des Brennkraftmaschinensystems zum Antrieb, beispielsweise in einem Fahrzeug, erfolgt somit eine geringere Belastung eines entsprechenden Antriebsstrangs und folglich ein erhöhter Komfort. Die reduzierten Schwingungen führen darüber hinaus zu einer abnehmenden, insbesondere vermiedenen, durch die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen bedingten Geräuschentwicklung. Zudem wird durch das gegenphasige Überlagern der Drehschwingungen ein Öffnen des Freilaufs in der Frequenz der Schwingungen unterstützt. Dies führt zu einem Neuordnen von Kupplungselementen, insbesondere von Klemmkörpern, des Freilaufs und somit zu einer gleichmäßigen Belastung dieser. Eine zweite Alternative der erfindungsgemäßen Lösung sieht eine im Wesentlichen gleichphasige Überlagerung der Drehschwingungen vor. Bei der gleichphasigen Überlagerung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen mit den Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen wird das über den Freilauf übertragbare Moment geglättet und die Drehmomentspitzen fallen geringer aus. Somit wird die Belastung für den Freilauf reduziert. Zudem wird ein Öffnen des Freilaufs, bei dem eine Kupplung zwischen Innenwelle und Außenwelle unterbrochen ist, auch Überholen der Brennkraftmaschine genannt, tendenziell vermieden, da Axialkolbenmaschine und Brennkraftmaschine Drehzahlschwankungen folgen. Dies kann zu einer erhöhten Lebensdauer des Freilaufs führen.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Brennkraftmaschinensystem oder kurz System die Brennkraftmaschine sowie die Axialkolbenmaschine auf, wobei die Brennkraftmaschine eine Anzahl von insgesamt N Brennkraftmaschinen-Zylindern mit jeweils darin hubverstellbaren Brennkraftmaschinen-Kolben aufweist, welche im Betrieb der Brennkraftmaschine mit einer Brennkraftmaschinen-Drehzahl Db besagte Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen erzeugen bzw. durchführen. Die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen sind insbesondere durch eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine realisiert, mit der die Kolben verbunden sind. Die Axialkolbenmaschine weist eine Anzahl von insgesamt M Axialkolbenmaschinen-Zylindern mit jeweils darin hubverstellbaren Axialkolbenmaschinen-Kolben auf, die im Betrieb der Axialkolbenmaschine mit einer Axialkolbenmaschinen-Drehzahl Da die besagten Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen durchführen. Die Axialkolbenmaschine weist zudem eine Innenwelle und eine Außenwelle auf, die mittels eines Freilaufs miteinander gekoppelt oder koppelbar sind. Die Brennkraftmaschine und die Axialkolbenmaschine sind ferner winkelfest miteinander gekoppelt, derart, dass die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen und die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen in einem festen Winkelverhältnis zueinander stehen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, die Axialkolbenmaschine derart auszubilden, dass die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen und die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen innerhalb der Axialkolbenmaschine gegenphasig oder gleichphasig überlagert sind. Hierdurch wirkt die Axialkolbenmaschine bei der gegenphasigen Überlagerung der Schwingungen als ein Schwingungstilger der Brennkraftmaschine bzw. des Antriebsstranges. Bei der gegenphasigen Überlagerung wird eine Reduzierung der Belastungsspitzen für den Freilauferzielt. In beiden Fällen wird eine Belastung des Brennkraftmaschinensystems, insbesondere des Freilaufs, reduziert und/oder der Komfort erhöht.
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Die erfindungsgemäße Überlagerung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen mit den Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen erfolgt über eine entsprechende Ausgestaltung der Axialkolbenmaschine. Das heißt, dass die Axialkolbenmaschine vorzugsweise derart an die Brennkraftmaschine und/oder an die winkelfeste Kupplung der Brennkraftmaschine mit der Axialkolbenmaschine angepasst ist, dass die gewünschte Überlagerung der Drehschwingungen erzielt wird.
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Die winkelfeste Kupplung zwischen der Axialkolbenmaschine und der Brennkraftmaschine kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Hierzu können bspw. ein Zahnriemen, eine Kette und dergleichen zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es insbesondere, die Brennkraftmaschine und die Axialkolbenmaschine in einem Kraftfahrzeug einzusetzen, wobei die Brennkraftmaschine und die Axialkolbenmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen. Dabei kann die winkelfeste Kupplung der Brennkraftmaschine mit der Axialkolbenmaschine durch eine entsprechende Verbindung der Brennkraftmaschine und der Axialkolbenmaschine mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs erzielt werden.
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Die wesentliche gleichphasige oder gegenphasige Überlagerung bedeutet, dass die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen und die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen in einem festen Winkelverhältnis zueinander stehen, wobei eine bei der Überlagerung geringe Abweichung zwischen den Maxima und Minima der Winkel, beispielsweise im Bereich von bis zu 20°, umfasst sind, welche ebenfalls zu den erfindungsgemäßen Wirkungen führen. Es versteht sich aber, dass auch Ausgestaltungen umfasst sind, bei denen eine abgesehen von Toleranzen exakte gegenphasige oder gleichphasige Überlagerung vorliegt.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen gilt für die Überlagerung der Drehschwingungen ein Verhältnis zwischen der Axialkolbenmaschinen-Drehzahl Da und dem Brennkraftmaschinen-Drehzahl Db, das doppelt so groß ist wie das Verhältnis zwischen der Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylindern und der Anzahl M der Axialkolbenmaschinen-Zylindern. Mathematisch lässt sich dies durch die Gleichung Da/Db=N/2xM ausdrücken.
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Dabei kann die Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylinder und M der Axialkolbenmaschinen-Zylinder beliebig groß sein, wobei es bevorzugt ist, wenn die jeweilige Anzahl zumindest 2 beträgt und die Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylinder größer ist als die Anzahl M der Axialkolbenmaschinen-Zylinder, das heißt N > M. Insbesondere kann N 6 betragen, die Brennkraftmaschine also sechs Brennkraftmaschinen-Zylinder aufweisen.
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Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen zumindest einer der Axialkolbenmaschinen-Kolben einen größeren Durchmesser aufweist als zumindest ein anderer der Axialkolbenmaschinen-Kolben. Bevorzugt ist es zudem, wenn der Axialkolbenmaschinen-Kolben mit dem größeren Durchmesser gegenphasig oder gleichphasig zu den Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen schwingt. Der größere Durchmesser des Axialkolbenmaschinen-Kolbens führt dazu, dass der Axialmaschinen-Kolben mit einem größeren Impuls oder einer größeren Kraft schwingt. Insbesondere die gegenphasige Schwingung dieses Axialkolbenmaschinen-Kolbens führt also dazu, dass eine verbesserte Dämpfung bzw. Tilgung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen erzielt wird. Zudem ist somit eine ungleichmäßige Axialkolbenmaschinen-Drehschwingung, insbesondere hinsichtlich der Kraft bzw. des Impulses, realisiert, um eine verbesserte Tilgung bzw. Dämpfung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen zu erreichen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, einen Einlassquerschnitt zumindest eines der Axialkolbenmaschinen-Zylinder zum Einlassen eines Arbeitsmediums in den Axialkolbenmaschinen-Zylinder kleiner auszubilden als den Einlassquerschnitt zumindest eines anderen der Axialkolbenmaschinen-Zylinder. Auch dies führt dazu, dass zumindest einer der Axialkolbenmaschinen-Kolben mit einem größeren Impuls oder einer größeren Kraft schwingt, so dass durch die gegenphasige oder gleichphasige Überlagerung mit den Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen insbesondere eine verbesserte Dämpfung bzw. Tilgung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen erzielt wird. Die kleinere Ausbildung des Einlassquerschnitts führt dazu, dass zumindest ein größerer Einlassquerschnitt vorhanden ist, so dass dieser größere Einlassquerschnitt zu besagten vergrößerten Impulsen bzw. Kräften des zugehörigen Axialkolbenmaschinen-Kolbens führt. Zudem führt die kleinere Ausbildung zumindest eines der Einlassquerschnitte dazu, dass andere Kolben mit mehr Arbeitsmedium, insbesondere einem größeren Impuls des Arbeitsmediums, versorgt werden, so dass auch hierdurch der erzielte Impuls bzw. die erzielte Kraft der Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen gezielt zur gegenphasigen oder gleichphasigen Überlagerung mit den Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen vergrößert wird.
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Die Axialkolbenmaschine weist bevorzugt eine Schrägscheibe auf, an der die Axialkolbenmaschinen-Kolben angebracht sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zumindest einer der Axialkolbenmaschinen-Kolben auf der von den anderen Kolben abgewandten Seite der Schrägscheibe angeordnet ist. Das heißt, dass auf gegenüberliegenden Seiten der Schrägscheibe jeweils zumindest ein solcher Axialkolbenmaschinen-Kolben angebracht ist. Diese Ausgestaltung kann dafür verwendet werden, eine verbesserte gegenphasige oder gleichphasige Überlagerung der Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen mit den Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen dahingehend zu erzielen, dass eine verbesserte Tilgung bzw. Dämpfung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen realisiert ist.
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Bevorzugt ist es hierbei, wenn zumindest ein solcher, auf der abgewandten Seite der Schrägscheibe angeordneter Axialkolbenmaschinen-Kolben als ein Pumpenkolben ausgestaltet ist, während die anderen Axialkolbenmaschinen-Kolben als Expanderkolben ausgestaltet sind. Insbesondere kann die Axialkolbenmaschine derart ausgestaltet sein, dass einerseits Arbeitsmedium die Expanderkolben antreibt und somit zu einem Antrieb der Axialkolbenmaschine führt und andererseits die Axialkolbenmaschine über die Pumpenkolben ein Fluid antreibt bzw. fördert.
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Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Pumpenkolben und die Expanderkolben in Umfangsrichtung der Schrägscheibe abwechselnd angeordnet sind. Somit kann die Drehschwingung der Axialkolbenmaschine erhöht und der Effekt der gegenphasigen oder gleichphasigen Überlagerung erhöht werden. Diese Effizienz kann weiter verbessert werden, wenn die Pumpenkolben und die Expanderkolben in Umfangsrichtung der Schrägscheibe äquidistant und abwechselnd angeordnet sind.
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Bei vorteilhaften Varianten ist die Axialkolbenmaschine derart ausgestaltet, dass von den Pumpenkolben erzeugte Impulse den von den Expanderkolben erzeugten Impulsen entgegengesetzt sind. Das heißt insbesondere, dass positive Momente der Expanderkolben und negative Momente der Pumpenkolben abwechselnd auftreten. Durch eine derartige Ausgestaltung können die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen erhöht bzw. verstärkt werden.
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Der jeweilige Pumpenkolben kann unmittelbar zum Fördern des Fluids zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es aber auch, zumindest einen solchen Pumpenkolben über zwischengeschaltete Mittel zum Fördern des Fluids einzusetzen.
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Vorstellbar ist es auch, zum Fördern des Fluids zumindest einen Nocken einzusetzen. Der Nocken ist dabei von der Axialkolbenmaschine, insbesondere einer Welle der Axialkolbenmaschine, angetrieben und führt, beispielsweise über einen Pumpenstößel, zu einer Förderung des Fluids. Durch die winkelfeste Kopplung des Nockens an der Axialkolbenmaschine werden dabei gezielte Schwingungen bzw. Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen erzeugt, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können.
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Denkbar sind dabei Varianten, bei denen zumindest zwei solche Nocken zum Einsatz kommen, welche jeweils einen solchen Pumpenstößel antreiben.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen von den Axialkolbenmaschinen-Kolben erzeugte Impulse den von den Nocken erzeugten Impulsen entgegengesetzt sind. Das heißt insbesondere, dass positive Momente der Axialkolbenmaschinen-Kolben und negative Momente der Nocken abwechselnd auftreten. Somit können die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen erhöht bzw. verstärkt werden.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zumindest ein solcher Nocken eine Anzahl von zumindest zwei Erhebungen oder Vorsprünge zum Erzielen der Förderung des Fluids, insbesondere zum Betätigen des Pumpenstößels, aufweist. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Anzahl der Erhebungen der Anzahl M der Axialkolbenmaschinen-Zylinder entspricht.
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Der Freilauf der Axialkolbenmaschine weist vorteilhaft Kupplungselemente auf, die an der Innenwelle angebracht sind, welche zum Kuppeln der Innenwelle mit der Außenwelle in einer Anzahl von insgesamt C Einrastelementen an der Außenwelle greifen. Die Einrastelemente sind vorzugsweise in der Außenwelle ausgebildet. Dabei ist die Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylinder bevorzugt ein vielfaches Ganzes der Anzahl C der Einrastelemente. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylinder doppelt so groß ist wie die Anzahl C der Einrastelemente. Mit anderen Worten: die Anzahl C der Einrastelemente ist halb so groß wie die Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylinder. Hierdurch können die Kupplungselemente in einer vorgegebenen festen Winkelposition in die Einrastelemente einrasten, so dass insgesamt ein schlupffreier Antrieb der Wellen realisiert ist. Zudem kommt es hierdurch zu einem vorgegebenen Winkelbezug bzw. einer vorgegebenen Winkelzuordnung zwischen den Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen und den Axialkolbenmasch inen-Drehschwingungen.
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Die Anzahl der Kupplungselemente entspricht dabei zumindest der Anzahl C der Einrastelemente. Insbesondere kann die Anzahl der Kupplungselemente der Anzahl C der Einrastelemente entsprechen.
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Die Axialkolbenmaschine kann prinzipiell beliebig angetrieben sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das System eine Wärmerückgewinnungseinrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme der Brennkraftmaschine auf. Die Wärmerückgewinnungseinrichtung weist einen Expander zum Expandieren eines in einem Kreislauf der Wärmerückgewinnungseinrichtung zirkulierenden Arbeitsmediums auf, wobei die Axialkolbenmaschine durch den Expander angetrieben ist oder dem Expander entspricht.
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Vorstellbar ist es, dass die Wärmerückgewinnungseinrichtung eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmittels im Kreislauf aufweist, wobei die Pumpe von dem zumindest einen Pumpenkolben der Axialkolbenmaschine angetrieben ist Alternativ oder zusätzlich kommt zum Antreiben der Pumpe zumindest ein solcher Nocken zum Einsatz.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennkraftmaschinensystem,
- 2 eine stark vereinfachte seitliche Innenansicht einer Axialkolbenmaschine des Brennkraftmaschinensystems,
- 3 einen Querschnitt durch die Axialkolbenmaschine,
- 4 eine räumliche Innenansicht der Axialkolbenmaschine bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
- 5 eine innere Seitenansicht der Axialkolbenmaschine bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 6 eine Seitenansicht des Brennkraftmaschinensystems bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
- 7 eine Frontansicht eines Nockens.
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Ein Brennkraftmaschinensystem 1 oder kurz System 1, wie es in 1 dargestellt ist, weist eine Brennkraftmaschine 2 sowie eine Axialkolbenmaschine 3 auf. Die Brennkraftmaschine 2 wird über eine Frischluftanlage 4 mit Frischluft versorgt, wobei im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 Abgas entsteht, das über eine Abgasanlage 5 abgeführt wird. Die Brennkraftmaschine 2 weist eine Anzahl von insgesamt N Brennkraftmaschinen-Zylindern 6 auf, wobei die gezeigte Brennkraftmaschine 2 rein beispielhaft sechs solche Brennkraftmaschinen-Zylinder 6 aufweist. Im jeweiligen Brennkraftmaschinen-Zylinder 6 ist ein Brennkraftmaschine-Kolben 7 hubverstellbar angeordnet, der im Betrieb axial schwingt. Die Brennkraftmaschinen-Kolben 7 schwingen im Betrieb der Brennkraftmaschine und sind mit einer Kurbelwelle 8, bspw. über Pleuel 9, verbunden und erzeugen somit Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen der Kurbelwelle 8 mit einer Brennkraftmaschinen-Drehzahl (Db). Die Kurbelwelle 8 kann über einen Antriebsstrang 10 eines zugehörigen Kraftfahrzeugs 11 zumindest ein nicht gezeigtes Rad des Kraftfahrzeugs 11 antreiben.
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Die Axialkolbenmaschine 3 ist in einer Wärmerückgewinnungseinrichtung 12 zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme des Abgases der Brennkraftmaschine 2 eingebunden. Die Wärmerückgewinnungseinrichtung 12 weist einen Kreislauf 13 auf, in dem im Betrieb ein Arbeitsmedium zirkuliert, wobei im Kreislauf 12 nacheinander eine Fördereinrichtung 14, insbesondere eine Pumpe 15 zum Fördern des Arbeitsmediums, ein Verdampfer 16 zum Verdampfen des Arbeitsmediums, die Axialkolbenmaschine 3 sowie ein Kondensator 17 zum Kondensieren des Arbeitsmediums angeordnet sind. Die Axialkolbenmaschine 3 fungiert als ein Expander 18 der Wärmerückgewinnungseinrichtung 12 zum Expandieren des Arbeitsmediums. Hierdurch wird in der Axialkolbenmaschine 3 ein Moment erzeugt, das über eine Welle 19 der Axialkolbenmaschine 3 abgreifbar ist. Im gezeigten Beispiel ist die Welle 19 mit dem Antriebsstrang 10 antriebsverbunden, so dass eine winkelfeste Kupplung zwischen der Axialkolbenmaschine 3 und der Brennkraftmaschine 2, insbesondere zwischen der Kurbelwelle 9 der Brennkraftmaschine 2 und der Antriebswelle 19 der Axialkolbenmaschine 3, zustande kommt. Zum Gewinnen der Energie bzw. zum Antreiben der Antriebswelle 19 mittels des Abgases wird das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise dem Verdampfer 16 der Wärmerückgewinnungseinrichtung 12 zugeführt, so dass das Arbeitsmedium im Verdampfer 16 verdampft.
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In 2 ist eine seitliche Innenansicht der Axialkolbenmaschine 3 vereinfacht dargestellt. Die Axialkolbenmaschine 3 weist eine Anzahl von insgesamt M Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 auf, wobei die Axialkolbenmaschine 3 im gezeigten Beispiel drei solche Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 aufweist, so dass die Anzahl M der Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 halb so groß ist wie die Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylinder 6. Im jeweiligen Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 ist ein Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 hubverstellbar angeordnet. Die Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 sind zudem mit einer drehbar angeordneten Schrägscheibe 22 drehfest verbunden. Die Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 sind jeweils über einen Einlassquerschnitt 23 fluidisch mit dem Kreislauf 13 verbunden, so dass Arbeitsmedium in den jeweiligen Axialkolbenmaschinen-Zylinder 23 einströmen und daraus strömen kann. Die Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 sind axial verstellbar, wobei die Schrägscheibe 22 zur Verstellrichtung der Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 schräg angeordnet ist. Hierdurch kommt es im Betrieb der Axialkolbenmaschine 3 zu einer Drehung der Schrägscheibe 22. Diese Drehung der Schrägscheibe 22 wird über die Antriebswelle 19 abgegriffen und bspw. dem Antriebsstrang 10 zugeführt.
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Wie in 3 gezeigt ist, kommt eine Antriebsverbindung zwischen der Schrägscheibe 22 und der Antriebswelle 19 über eine Außenwelle 24, die drehfest mit der Schrägscheibe 22 verbunden ist, und eine Innenwelle 25, die drehfest mit der Antriebswelle 19 verbunden ist, zustande. Die Außenwelle 24 und die Innenwelle 25 sind dabei über einen Freilauf 26 miteinander gekoppelt. Alternativ können die Innenwelle 25 und die Antriebswelle 19 einstückig ausgebildet sein bzw. dieselbe Welle sein. Zudem ist es vorstellbar, dass die Außenwelle 24 drehfest mit der Antriebswelle 19 verbunden ist, während die Innenwelle 25 drehfest mit der Schrägscheibe 22 verbunden ist oder der Drehscheibe 22 entspricht.
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Der Freilauf 26 weist an der Innenwelle 25 angebrachte Kupplungselemente 27, die vorliegend als Sperrklinken 28 oder Klemmkörper 27 ausgebildet sind, sowie eine Anzahl von insgesamt C Einrastelementen 29 an der Außenwelle 24 auf, in die die Kupplungselemente 27 zum Kuppeln der Innenwelle 25 mit der Außenwelle 24 greifen. Dabei entspricht die Anzahl C der Einrastelemente 29 drei, wobei im gezeigten Beispiel die Anzahl der Einrastelemente 29 der Anzahl der Kupplungselemente 27 entspricht.
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Erfindungsgemäß ist die Axialkolbenmaschine 3 derart ausgestaltet, insbesondere die Antriebswelle 19 derart mit der Kurbelwelle 8 gekoppelt, dass die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen und die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen innerhalb der Axialkolbenmaschine 3 im Wesentlichen gegenphasig oder gleichphasig überlagert sind. Hierdurch wird die Auswirkung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen auf die Axialkolbenmaschine 3 zumindest reduziert, so dass die Axialkolbenmaschine 3, insbesondere der Freilauf 26, einem verringerten Verschleiß unterliegt. Auch wird hierdurch eine Geräuschentwicklung innerhalb der Axialkolbenmaschine 3, insbesondere des Freilaufs 26, zumindest reduziert. Zudem wird der durch den Antriebsstrang 10 bedingte Komfort erhöht.
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Aus den 1 bis 3 geht ferner hervor, dass für das Verhältnis zwischen der Axialkolbenmaschinen-Drehzahl Da zum Brennkraftmaschinen-Drehzahl Db gilt, dass diese dem halben Verhältnis aus der Anzahl der Brennkraftmaschinen-Zylinder 6 und der Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 entspricht. Das heißt mathematisch ausgedrückt, dass Da/Db=N/2xM. Da das Verhältnis Da/Db durch die winkelfeste Kopplung der Brennkraftmaschine 2, insbesondere der Kurbelwelle 8, mit der Axialkolbenmaschine 3, insbesondere mit der Antriebswelle 19, eine Konstante ist, ist dieses Verhältnis bzw. diese Gleichung durch die doppelt so hohe Anzahl der Brennkraftmaschinen-Zylinder 6 im Vergleich zur Anzahl der Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 erfüllt. Somit wird die mittels der Axialkolbenmaschine 3 bewirkte Dämpfung bzw. Tilgung der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen innerhalb der Axialkolbenmaschine 3 effektiv reduziert. Zudem entspricht die Anzahl der Eingangselemente 29, nämlich drei, der Hälfte der Anzahl N der Brennkraftmaschinen-Zylinder 6, nämlich sechs. Hierdurch lässt sich insbesondere eine Geräuschentwicklung in der Axialkolbenmaschine 3, insbesondere im Freilauf 26, reduzieren und/oder die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen in der Axialkolbenmaschine 3 verbessert dämpfen bzw. tilgen.
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Aus 2 geht ferner hervor, dass einer der Axialkolbenmaschinen-Kolben 21, 21' einen größeren Durchmesser 30 aufweist, als die anderen Axialkolbenmaschinen-Kolben 21, 21". Zudem ist der Einlassquerschnitt 23, 23' einer der Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 kleiner als der Einlassquerschnitt 23, 23" der anderen Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20. Diese Maßnahmen sind dabei in unterschiedlichen Paaren aus Axialkolbenmaschinen-Zylinder 20 und Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 vorgesehen, wobei es vorstellbar ist, beide Maßnahmen auch im gleichen Paar vorzunehmen. Beide Maßnahmen führen jeweils zu einer vergrößerten Kraft bzw. einem vergrößerten Impuls der Drehschwingungen der Schrägscheibe 22, so dass die Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen in der Axialkolbenmaschine 3 besser gedämpft bzw. getilgt werden.
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In den 4 und 5 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Axialkolbenmaschine 3 dargestellt. Beide Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass auf beiden Seiten der Schrägscheibe 22 solche Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 angeordnet sind. Dabei ist auf einer Seite der Schrägscheibe 22 zumindest ein solcher Axialkolbenmaschinen-Kolben 21, nachfolgend als Expanderkolben 31 bezeichnet, und auf der gegenüberliegenden Seite zumindest ein solcher Axialkolbenmaschinen-Kolben 21, nachfolgend als Pumpenkolben 32 bezeichnet, angeordnet, wobei sämtliche Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 drehfest und an der Schrägscheibe 22 angebracht sind. Das Anordnen der Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 beidseitig der Schrägscheibe 22 führt dazu, dass die Amplitude der Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen vergrößert wird und/oder dass die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen mit einer größeren Kraft oder einem größeren Impuls durchgeführt werden. Dies führt zu einem verbesserten Tilgen bzw. Dämpfen der Brennkraftmaschinen-Drehschwingungen in der Axialkolbenmaschine 3.
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Die in den 4 und 5 gezeigten Axialkolbenmaschinen 3 unterscheiden sich dadurch, dass beim in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Expanderkolben 31 und Pumpenkolben 32 vorhanden sind, während beim in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel drei solche Expanderkolben 31 und ein solcher Pumpenkolben 32 vorgesehen sind.
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Insbesondere beim in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel können die Pumpenkolben 32 auch zum Antreiben des Arbeitsmediums im Kreislauf 12 eingesetzt werden. Dies ist in 1 durch eine gestrichelte Verbindung zwischen der Axialkolbenmaschine 3 und der Fördereinrichtung 4 bzw. der Pumpe 15 symbolisiert. Im Übrigen kann die Antriebswelle 19 der Axialkolbenmaschine 3 außer zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 bzw. der Verbindung zum Antriebsstrang 10 auch zum Antreiben der Fördereinrichtung 14 bzw. der Pumpe 15 eingesetzt werden.
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Aus den 2 sowie 4 und 5 geht ferner hervor, dass die Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 in Umfangsrichtung der Schrägscheibe 22 gleichmäßig und äquidistant angeordnet sind. Dies gilt auch für die Expanderkolben 31 und die Pumpenkolben 32, wobei beim in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die Expanderkolben 31 und die Pumpenkolben 32 zudem in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind.
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Das an der Axialkolbenmaschine 3 abgegriffene Moment kann zwecks Förderns des Arbeitsmediums auch, wie beispielsweise in 6 gezeigt, zum Antreiben zumindest eines Nockens 33 eingesetzt werden, wobei der zumindest eine Nocken 33 Bestandteil der Fördereinrichtung 14 sein kann. Der zumindest eine Nocken 33 ist dabei winkelfest mit der Axialkolbenmaschine 3 gekoppelt, insbesondere drehfest an der Welle 19 angebracht. In 6 sind rein beispielhaft zwei solche Nocken 33 zu sehen, die jeweils zumindest eine Erhebung 34, auch Vorsprung 34 genannt, aufweist. Der jeweilige Nocken 33 betätigt mit der zumindest einen Erhebung 34 einen Pumpenstößel 35 der Fördereinrichtung 14, derart, dass das Arbeitsmedium gefördert wird. Die winkelfeste Kopplung der Nocken 33 mit der Axialkolbenmaschine 3 ist vorteilhaft derart realisiert, dass von den Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 erzeugte Impulse den von den Nocken 33 erzeugten Impulsen entgegengesetzt sind. Das heißt insbesondere, dass positives Moment der Axialkolbenmaschinen-Kolben 21 und negatives Moment der Nocken 33 abwechselnd auftreten. Somit werden die Axialkolbenmaschinen-Drehschwingungen erhöht bzw. verstärkt.
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In 7 ist ein solcher Nocken 33 in einer Frontalansicht zu sehen. Es ist zu erkennen, dass der Nocken 33 eine Anzahl von drei Erhebungen 34 aufweist, mit denen jeweils der zugehörige Pumpenstößel 35 betätigt wird. Die Anzahl der Erhebungen entspricht vorzugsweise der Anzahl M der Axialkolbenmaschinen-Zylinder 23 bzw. der Axialkolbenmaschinen-Kolben 21. Der gezeigte Nocken 33 kommt also vorzugsweise zusammen mit der in 2 gezeigten Axialkolbenmaschine 3 zum Einsatz.
