DE102020103482A1 - Internal combustion engine with manual engine start device - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verbrennungsmotor angegeben, mit einem Kolben (10), der in einem Zylinder (11) hin und her bewegbar ist und über ein Pleuel (12) mit einer Kurbelwelle (13) gekoppelt ist, derart, dass die Kurbelwelle (13) bei einer Bewegung des Kolbens (10) drehend antreibbar ist, sowie mit einer Hand-Drehmomentvorrichtung zum temporären Aufbringen eines Hand-Drehmoments durch einen Bediener auf die Kurbelwelle (13) während einer Startphase des Verbrennungsmotors, und mit einer Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung zum temporären Aufbringen eines zusätzlichen Unterstützungs-Drehmoments auf die Kurbelwelle (13) ausschließlich in einer Unterstützungsphase, wobei die Unterstützungsphase ein Teil der Startphase ist. Die Unterstützungsphase ist derart definiert, dass sie einen Zeitraum wenigstens teilweise abdeckt, in dem das zum Drehen der Kurbelwelle (13) in der Startphase notwendige Drehmoment größer als das durchschnittliche Drehmoment während einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle (13) ist. Insbesondere kann die Unterstützungsphase derart definiert sein, dass sie einen Zeitraum abdeckt, der unmittelbar vor Erreichen des Oberen Totpunkts durch den Kolben (10) endet.An internal combustion engine is specified with a piston (10) which can be moved back and forth in a cylinder (11) and is coupled to a crankshaft (13) via a connecting rod (12) in such a way that the crankshaft (13) at a movement of the piston (10) can be driven in rotation, as well as with a manual torque device for temporarily applying a manual torque by an operator to the crankshaft (13) during a starting phase of the internal combustion engine, and with an auxiliary torque device for temporarily applying an additional one Support torque on the crankshaft (13) exclusively in a support phase, the support phase being part of the start phase. The support phase is defined in such a way that it at least partially covers a period in which the torque required to rotate the crankshaft (13) in the starting phase is greater than the average torque during a full revolution of the crankshaft (13). In particular, the support phase can be defined in such a way that it covers a period of time which ends immediately before the piston (10) reaches top dead center.
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit manueller Motorstart-Vorrichtung.The invention relates to an internal combustion engine with a manual engine starting device.
Verbrennungsmotoren sind vielfältig bekannt. In ihrer Grundversion weisen sie einen Kolben auf, der in einem Zylinder hin und her bewegbar ist und über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, derart, dass die Kurbelwelle bei einer Bewegung des Kolbens drehend angetrieben wird. Die Bewegung des Kolbens wird wiederum durch Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs (zum Beispiel eines Luft-Benzingemischs) bewirkt. Insbesondere sind in dieser Weise Zweitakt- und Viertaktmotoren oder auch Dieselmotoren bekannt.Internal combustion engines are widely known. In their basic version they have a piston that can be moved back and forth in a cylinder and is coupled to a crankshaft via a connecting rod in such a way that the crankshaft is driven to rotate when the piston moves. The movement of the piston is in turn caused by the ignition of a fuel-air mixture (for example an air-gasoline mixture). In particular, two-stroke and four-stroke engines or diesel engines are known in this way.
Größere Verbrennungsmotoren weisen in der Regel einen Elektrostarter auf. Für kleinere Motoren, die insbesondere in kleineren Geräten genutzt werden (zum Beispiel Rasenmäher, Laubbläser, Kettensägen, Rüttel- bzw. Vibrationsstampfer) sind aus Kosten- und Gewichtsgründen häufig manuelle Motorstart-Vorrichtungen vorgesehen. Derartige manuelle Motorstart-Vorrichtungen sind als Handstarter, Seilzugstarter oder Reversierstarter bekannt.Larger internal combustion engines usually have an electric starter. For smaller motors, which are used in particular in smaller devices (for example lawn mowers, leaf blowers, chain saws, joggers or vibratory rammers), manual motor start devices are often provided for reasons of cost and weight. Such manual engine starting devices are known as manual starters, pull-wire starters or reversing starters.
Der Start eines Verbrennungsmotors wird dadurch bewirkt, dass zunächst die Kurbelwelle des Motors in Drehung versetzt wird, wodurch ein Gaswechsel im Motor in dem vom Zylinder und Kolben umschlossenen Brennraum erfolgt. Auf diese Weise kann das zum Beispiel in einem Vergaser vorbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum eingesaugt und dort verdichtet werden. Nach Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs wird der Kolben nach vorne getrieben, um die Kurbelwelle anzutreiben. Nachfolgend kann das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch den Brennraum als Abgas verlassen, bevor frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch einströmen kann.An internal combustion engine is started by first rotating the engine's crankshaft, which causes a gas exchange in the engine in the combustion chamber enclosed by the cylinder and piston. In this way, the fuel-air mixture prepared in a carburetor, for example, can be sucked into the combustion chamber and compressed there. After the fuel-air mixture has ignited, the piston is driven forward to drive the crankshaft. The burned fuel-air mixture can then leave the combustion chamber as exhaust gas before fresh fuel-air mixture can flow in.
Das Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemischs verlangt, dass der Kolben mit zunehmend steigender Kraft in Richtung seines sogenannten Oberen Totpunkts (durch die Kurbelwelle bewirkte Extremstellung des Kolbens, bei dem das Volumen des von Kolben und Zylinder gebildeten Brennraums minimal ist) bewegt wird. Dies ist bei handgestarteten Verbrennungsmotoren mühsam, da während des Startvorgangs vom Bediener eine Bedienkraft aufzubringen ist, mit der die Verdichtung im Zylinder bis zum Zeitpunkt des Überwindens des Oberen Totpunkts und des Einsetzens der nachfolgenden Verbrennung erreicht wird.The compression of the fuel-air mixture requires that the piston is moved with increasing force in the direction of its so-called top dead center (the extreme position of the piston caused by the crankshaft, at which the volume of the combustion chamber formed by the piston and cylinder is minimal). This is laborious in the case of manually started internal combustion engines, since the operator has to apply an operating force during the starting process, with which the compression in the cylinder is achieved until the top dead center is overcome and the subsequent combustion begins.
Damit verlangt das Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemischs während des Startvorgangs eine hohe Kraft, die sich bis zum Erreichen des Oberen Totpunkts zu ihrem Maximum hin steigert. Nach Passieren des Oberen Totpunkts durch den Kolben expandiert - eine erfolgreich verlaufende Verbrennung vorausgesetzt - das verbrennende Kraftstoff-Luft-Gemisch und bewirkt das Drehen der Kurbelwelle. Bei der nachfolgenden Verdichtung verfügt die Kurbelwelle auch aufgrund ihrer Massenträgheit über genügend Schwung, um das Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemischs im nächsten Zyklus zu gewährleisten, so dass der Motor schließlich Drehzahl aufnimmt und aus der Startphase in seine Betriebsphase übergeht.The compression of the fuel-air mixture during the starting process therefore requires a high level of force, which increases to its maximum until the top dead center is reached. After the piston has passed top dead center, the burning fuel-air mixture expands and causes the crankshaft to rotate, provided that the combustion is successful. During the subsequent compression, the crankshaft has enough momentum due to its mass inertia to ensure the compression of the fuel-air mixture in the next cycle, so that the engine finally picks up speed and moves from the starting phase to its operating phase.
Demnach erfordern Verbrennungsmotoren mit manueller Motorstartvorrichtung durchaus erhebliche Kraft, zum Beispiel beim Ziehen des Starterseils, um die Eigenreibung des Motors zu überwinden und eine Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder des Verbrennungsmotors zu gewährleisten. Das kann für einen Bediener dann besonders unkomfortabel sein, wenn zum Beispiel bei einem leergefahrenen Vergaser zum Starten des Motors sehr häufig der Seilzugstarter betätigt und am Starterseil gezogen werden muss, bis der Vergaser geflutet und das Kraftstoff-Luft-Gemisch brennfähig ist.Accordingly, internal combustion engines with a manual engine starter require considerable force, for example when pulling the starter rope, in order to overcome the engine's own friction and to ensure compression of the fuel-air mixture in the cylinder of the internal combustion engine. This can be particularly uncomfortable for an operator if, for example, when the carburettor has run empty, the pull starter has to be operated very frequently and the starter rope pulled until the carburetor is flooded and the fuel-air mixture is combustible.
Das Starten kann auch als besonders mühsam empfunden werden, wenn es in beengten Räumen oder in gebückter Haltung durchgeführt werden muss.Starting can also be found to be particularly troublesome if it has to be carried out in confined spaces or in a stooped position.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit einer manuellen Motorstart-Vorrichtung anzugeben, die vom Bediener einfach und komfortabel gehandhabt werden kann.The invention is based on the object of specifying an internal combustion engine with a manual engine starting device which can be handled easily and comfortably by the operator.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Zudem wird ein Verfahren zum manuellen Starten eines Verbrennungsmotors angegeben.According to the invention, the object is specified by an internal combustion engine having the features of
Es wird ein Verbrennungsmotor angegeben, mit mindestens einem Kolben, der in einem Zylinder hin und her bewegbar ist und über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, derart, dass die Kurbelwelle bei einer Bewegung des Kolbens drehend antreibbar ist, sowie mit einer Hand-Drehmomentvorrichtung zum temporären Aufbringen eines Hand-Drehmoments durch einen Bediener auf die Kurbelwelle während einer Startphase des Verriegelungselements, und mit einer Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung zum temporären Aufbringen eines zusätzlichen Unterstützungs-Drehmoments auf die Kurbelwelle ausschließlich in einer Unterstützungsphase, wobei die Unterstützungsphase ein Teil der Startphase ist.An internal combustion engine is specified with at least one piston that can be moved back and forth in a cylinder and is coupled to a crankshaft via a connecting rod such that the crankshaft can be driven in rotation when the piston moves, and with a manual torque device for the temporary application of a manual torque by an operator to the crankshaft during a starting phase of the locking element, and with an assisting torque device for temporarily applying an additional assisting torque to the crankshaft exclusively in an assisting phase, the assisting phase being part of the starting phase.
Der Verbrennungsmotor ist somit hinsichtlich Kolben, Zylinder, Pleuel und Kurbelwelle in an sich bekannter, oben beschriebener Weise aufgebaut. Auch die Hand-Drehmomentvorrichtung kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung sein, zum Beispiel ein Reversierstarter bzw. Seilzugstarter oder auch eine Startkurbel o.ä.The internal combustion engine is thus constructed in a manner known per se, as described above, with regard to pistons, cylinders, connecting rods and crankshafts. The hand torque device can also be a device known from the prior art, for example a reversing starter or pull-wire starter or a starting crank or the like.
Die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung wird somit zusätzlich zur Hand-Drehmomentvorrichtung vorgesehen und stellt ein zusätzliches Unterstützungs-Drehmoment bereit. Dieses Unterstützungs-Drehmoment steht jedoch nicht während der gesamten Startphase zur Verfügung, sondern lediglich zeitweilig während eines Teils der Startphase, insbesondere eines Teils, in dem die Drehmomentunterstützung für den Bediener hilfreich ist.The assist torque device is thus provided in addition to the manual torque device and provides an additional assist torque. However, this support torque is not available during the entire start phase, but only temporarily during part of the start phase, in particular a part in which the torque support is helpful for the operator.
Als Startphase wird dabei die Phase bzw. der Zeitabschnitt verstanden, die sich vom Beginn des Betätigens der Hand-Drehmomentvorrichtung durch den Bediener erstreckt bis der Motor seinen Betrieb aufnimmt und selbsttätig seine Drehzahl erhöht.The start phase is understood to be the phase or the time segment that extends from the beginning of the operation of the manual torque device by the operator until the motor starts operating and automatically increases its speed.
Die Unterstützung erfolgt somit ausschließlich während der Unterstützungsphase. Außerhalb der Unterstützungsphase erfolgt während der Startphase keine Drehmoment-Unterstützung und damit keine Unterstützung der Handkraft bzw. des Hand- Drehmoments.The support is therefore provided exclusively during the support phase. Outside the support phase, there is no torque support during the start phase and therefore no support for manual force or manual torque.
Die erfindungsgemäße manuelle Motorstart-Vorrichtung wird somit aus der Kombination aus Hand-Drehmomentvorrichtung und Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung gebildet.The manual engine starting device according to the invention is thus formed from the combination of a manual torque device and an assist torque device.
Die Unterstützungsphase kann derart definiert sein, dass sie einen Zeitraum wenigstens teilweise abdeckt, in dem das zum Drehen der Kurbelwelle in der Startphase notwendige Drehmoment größer ist als das durchschnittliche Drehmoment während einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle in der Startphase.The support phase can be defined in such a way that it at least partially covers a period in which the torque required to rotate the crankshaft in the starting phase is greater than the average torque during a full revolution of the crankshaft in the starting phase.
Wie oben bereits erläutert, muss zum Drehen der Kurbelwelle nicht nur die Eigenreibung des Motors, insbesondere durch die Bewegung der Kurbelwelle, des Pleuels und des Kolbens, überwunden werden. Zudem muss auch die Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemischs bewirkt werden, bevor der Kolben den Oberen Totpunkt erreicht. Damit variiert das Drehmoment während einer vollen Umdrehung (360° Umdrehung) der Kurbelwelle stark. Es ist sinnvoll, dass die Unterstützung durch die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung nur in dem Zeitabschnitt (Unterstützungsphase) bzw. Drehwinkelbereich der Kurbelwelle geleistet wird, in dem das zum Drehen der Kurbelwelle erforderliche Drehmoment überdurchschnittlich groß ist.As already explained above, in order to rotate the crankshaft, it is not only necessary to overcome the engine's own friction, in particular due to the movement of the crankshaft, the connecting rod and the piston. In addition, the compression of the fuel-air mixture must also be effected before the piston reaches top dead center. This means that the torque varies greatly during a full rotation (360 ° rotation) of the crankshaft. It makes sense that the support by the torque support device is only provided in the time segment (support phase) or angle of rotation range of the crankshaft in which the torque required to rotate the crankshaft is above average.
Die Unterstützungsphase kann derart definiert sein, dass sie einen Teilwinkelbereich während einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle abdeckt, wobei der Teilwinkelbereich kleiner als 180° ist. Damit kann erreicht werden, dass die Unterstützungsphase erst zu einem Zeitpunkt beginnt, nachdem der Kolben den Unteren Totpunkt (durch die Kurbelwelle bewirkte Extremstellung des Kolbens, bei dem das Volumen des von Kolben und Zylinder gebildeten Brennraums maximal ist) beschritten hat.The support phase can be defined in such a way that it covers a partial angle range during a full revolution of the crankshaft, the partial angle range being less than 180 °. This ensures that the support phase only begins at a point in time after the piston has reached bottom dead center (the extreme position of the piston caused by the crankshaft, at which the volume of the combustion chamber formed by the piston and cylinder is maximum).
Die Unterstützungsphase kann derart definiert sein, dass sie einen Zeitraum abdeckt, der unmittelbar vor Erreichen des Oberen Totpunkts durch den Kolben endet, wobei dieser Zeitpunkt unmittelbar vor Erreichen des Oberen Totpunkts als Endzeitpunkt der Unterstützungsphase definiert ist. Der Obere Totpunkt ist bekanntermaßen der Zeitpunkt, zu dem der Kolben seine oberste Stellung im Zylinder erreicht hat. In diesem Fall ist das Volumen des Brennraums im Zylinder minimiert und die Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemischs maximal. Nach Durchschreiten des Oberen Totpunkts bewegt sich der Kolben aufgrund des Zusammenwirkens von Pleuel und Kurbelwelle wieder nach „unten“ und das Volumen des Brennraums steigt.The support phase can be defined in such a way that it covers a period of time which ends immediately before the piston reaches top dead center, this point in time being defined as the end time of the support phase immediately before top dead center is reached. The top dead center is known to be the point in time at which the piston has reached its topmost position in the cylinder. In this case, the volume of the combustion chamber in the cylinder is minimized and the compression of the fuel-air mixture is maximum. After passing the top dead center, the piston moves “down” again due to the interaction of the connecting rod and crankshaft and the volume of the combustion chamber increases.
Da das zum Drehen der Kurbelwelle erforderliche Drehmoment - wie oben erläutert - vor Erreichen des Oberen Totpunkts am größten ist, kann die Drehmoment-Unterstützung durch die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung in dieser Unterstützungsphase besonders wirksam sein. Nach Durchschreiten des Oberen Totpunkts ist keine Unterstützung mehr erforderlich, so dass der Obere Totpunkt bzw. ein Zeitpunkt unmittelbar vor Erreichen des Oberen Totpunkts als Endzeitpunkt der Unterstützungsphase definiert sein kann.Since the torque required to rotate the crankshaft - as explained above - is greatest before top dead center is reached, the torque assistance by the assisting torque device can be particularly effective in this assisting phase. After passing through top dead center, support is no longer required, so that top dead center or a point in time immediately before reaching top dead center can be defined as the end point in time of the support phase.
Die Unterstützungsphase kann dabei derart definiert sein, dass sie einen Zeitraum abdeckt, der zu einem Anfangszeitpunkt beginnt und zu dem oben angegebenen Endzeitpunkt endet, wobei der Anfangszeitpunkt um einen vordefinierten Drehwinkel der Kurbelwelle vor dem Endzeitpunkt liegen kann und wobei der Drehwinkel gewählt sein kann aus dem Bereich 10° bis 70°. Um eine gute Unterstützung durch das Unterstützungs-Drehmoment zu bewirken, hat sich zum Beispiel ein Winkelbereich zwischen 30° und 60°, zum Beispiel auch um 45° bewährt.The support phase can be defined in such a way that it covers a period of time that begins at a start time and ends at the end time specified above, whereby the start time can be a predefined angle of rotation of the crankshaft before the end time and the angle of rotation can be selected from the
Die Zeitpunkte sollten dabei insbesondere so gewählt sein, dass die Drehmoment-Unterstützung ab einem bestimmten Punkt der Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erfolgt und bis zum Oberen Totpunkt (oder kurz davor) anhält, in dem die größte Unterstützung benötigt wird.The points in time should be selected in such a way that the torque support takes place from a certain point of compression of the fuel-air mixture and lasts up to top dead center (or shortly before), when the greatest support is required.
Wenn der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder und dementsprechend auch mehrere Kolben aufweist, die die Kurbelwelle antreiben, kann die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung jeweils entsprechende Komponenten aufweisen, die es ermöglichen, am Oberen Totpunkt eines jeweiligen Kolbens (bzw. kurz davor) ein zusätzliches Unterstützungs-Drehmoment auf die Kurbelwelle aufzubringen. Die Komponenten der Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung können dementsprechend sinnvoll winkelmäßig versetzt angeordnet sein, um das Unterstützungs-Drehmoment zum richtigen Zeitpunkt bei der Drehung der Kurbelwelle bereitzustellen.If the internal combustion engine has a plurality of cylinders and, accordingly, also a plurality of pistons that drive the crankshaft, the auxiliary torque device can each have corresponding components that make it possible to work at the top dead center of a respective piston (or shortly before) to apply an additional assist torque to the crankshaft. The components of the assisting torque device can accordingly be appropriately arranged at an angular offset in order to provide the assisting torque at the correct point in time when the crankshaft is rotated.
Bei einer Ausführungsform kann die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung an einem Polrad des Verbrennungsmotors angeordnet sein. Da auch das Polrad mit der Kurbelwelle gekoppelt ist bzw. von der Kurbelwelle getragen wird, ist auch bei dieser Variante eine Übertragung des Unterstützungs-Drehmoment auf die Kurbelwelle möglich.In one embodiment, the assist torque device can be arranged on a pole wheel of the internal combustion engine. Since the pole wheel is also coupled to the crankshaft or carried by the crankshaft, a transmission of the assist torque to the crankshaft is also possible in this variant.
Die Hand-Drehmomentvorrichtung kann eine von Hand betreibbare Antriebswelle aufweisen, die über eine Kupplungsvorrichtung temporär mit der Kurbelwelle koppelbar ist. Somit kann es sich insbesondere um einen Seilzug- oder Reversierstarter handeln, bei dem ein Zugseil mit einem Fingergriff als Abschluss auf einer Seiltrommel aufgewickelt ist. Die Seiltrommel ist an einer Freilaufnabe oder Fliehkraftkupplung vorgesehen und meist an einem der Kraftabnahmeseite des Motors gegenüberliegenden Ende der Kurbelwelle angeordnet.The manual torque device can have a drive shaft which can be operated manually and which can be temporarily coupled to the crankshaft via a coupling device. Thus, it can in particular be a pull-wire or reversing starter in which a pull rope is wound onto a rope drum with a finger grip as a termination. The cable drum is provided on a freewheeling hub or centrifugal clutch and is usually arranged on an end of the crankshaft opposite the power take-off side of the engine.
Zum Starten des Motors wird das Seil mit Hilfe des Fingergriffs kräftig herausgezogen. Die sich dadurch drehende Seiltrommel bzw. Wickelspule wirkt dann über den Freilauf oder eine Fliehkraftkupplung auf die Kurbelwelle und überträgt das Hand-Drehmoment auf die Kurbelwelle um diese in Drehung zu versetzen. Das Seil wird danach automatisch mit Hilfe einer Spiralfeder wieder auf die Seiltrommel aufgewickelt. Danach kann der Prozess von neuem beginnen, so dass Bediener erneut das Seil am Fingergriff ziehen kann.To start the engine, the rope is pulled out vigorously using the finger grip. The cable drum or winding spool rotating as a result then acts on the crankshaft via the freewheel or a centrifugal clutch and transmits the manual torque to the crankshaft in order to set it rotating. The rope is then automatically rewound onto the rope drum with the help of a spiral spring. The process can then start again, so that the operator can pull the rope on the finger grip again.
Die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung kann aufweisen: eine mit der Kurbelwelle gekoppelte Rotoreinrichtung mit wenigstens einem Rotorpol, eine der Rotoreinrichtung zugeordnete Statoreinrichtung mit wenigstens einem Statorpol, eine Steuereinrichtung zum Ansteuern einer elektromagnetischen Erregung des Statorpols und einen Energiespeicher zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektromagnetische Erregung des Statorpols.The auxiliary torque device can have: a rotor device coupled to the crankshaft with at least one rotor pole, a stator device assigned to the rotor device with at least one stator pole, a control device for controlling an electromagnetic excitation of the stator pole and an energy store for storing and providing electrical energy for the electromagnetic Excitation of the stator pole.
Die Rotoreinrichtung kann dabei dauerhaft oder temporär mit der Kurbelwelle gekoppelt sein. Sie erzeugt im Zusammenwirken mit der Statoreinrichtung das Unterstützungs-Drehmoment, wenn die Statoreinrichtung durch die Steuereinrichtung entsprechend angesteuert wird. Die Rotoreinrichtung kann zum Beispiel einstückig mit der Kurbelwelle verwirklicht sein und somit einen festen Bestandteil der Kurbelwelle bilden. Ebenso kann die Rotoreinrichtung auch auf der Kurbelwelle als separates Bauteil angebracht werden.The rotor device can be permanently or temporarily coupled to the crankshaft. In cooperation with the stator device, it generates the assist torque when the stator device is controlled accordingly by the control device. The rotor device can, for example, be realized in one piece with the crankshaft and thus form a fixed component of the crankshaft. The rotor device can also be attached to the crankshaft as a separate component.
Der Rotor kann bzw. die Rotorpole können ferromagnetische und/oder dauermagnetische Elemente aufweisen, die mit den Feldspulen der Statorpole zusammenwirken.The rotor or the rotor poles can have ferromagnetic and / or permanent magnetic elements which interact with the field coils of the stator poles.
Bei einer Ausführungsform können zum Beispiel zwei einander gegenüberliegende Rotorpole auf der Kurbelwelle angeordnet sein, denen statorseitig zwei einander gegenüberliegende Statorpole zugeordnet sind.In one embodiment, for example, two opposing rotor poles can be arranged on the crankshaft, to which two opposing stator poles are assigned on the stator side.
Die Statorpole können zum Beispiel als elektromagnetische Spulen bzw. Feldspulen ausgebildet sein, die mit Strom durchflossen werden, wenn sie durch die Steuereinrichtung entsprechend angesteuert werden. Somit bildet der Stator eine Elektromagnet-Vorrichtung.The stator poles can be designed, for example, as electromagnetic coils or field coils through which current flows when they are controlled accordingly by the control device. Thus, the stator constitutes an electromagnet device.
Die Steuereinrichtung kann sehr simpel gestaltet sein, da sie nur zu bestimmten Zeitpunkten die Erregung der Statorpole ein- und ausschalten muss. Diese Zeitpunkte sind insbesondere der Unterstützungsanfang und das Unterstützungsende und können z.B. von der Stellung der Kurbelwelle abhängen, wie oben erläutert.The control device can be designed very simply, since it only has to switch the excitation of the stator poles on and off at certain times. These points in time are in particular the start and end of support and can depend, for example, on the position of the crankshaft, as explained above.
Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein zum Aktivieren einer Erregung des Statorpols zum Anfangszeitpunkt der Unterstützungsphase und zum Abschalten der Erregung des Statorpols zum Endzeitpunkt der Unterstützungsphase. Das Abschalten ist nicht nur deswegen sinnvoll, um den Verbrauch von elektrischer Energie zu minimieren. Vielmehr kann auf diese Weise auch verhindert werden, dass im Zusammenwirken zwischen Rotor und Stator ein generatorischer Betrieb bewirkt wird, der vom Bediener die Überwindung noch einer zusätzlichen Last verlangen würde.The control device can be designed to activate an excitation of the stator pole at the start time of the support phase and to switch off the excitation of the stator pole at the end time of the support phase. Switching off is not only useful to minimize the consumption of electrical energy. Rather, it can also be prevented in this way that the interaction between the rotor and stator causes a generator operation, which would require the operator to overcome an additional load.
Es kann eine Energiegewinnungsvorrichtung vorgesehen sein, zum Gewinnen von elektrischer Energie während einer Betriebsphase des Verbrennungsmotors, wobei der Energiespeicher während der Betriebsphase durch die elektrische Energie aufladbar ist. Die Energiegewinnungsvorrichtung kann insbesondere durch einen generatorischen Betrieb eines im Verbrennungsmotor vorhandenen Zündsystems verwirklicht werden. Ebenso ist es möglich, die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung auch generatorisch zu betreiben (siehe auch obige Anmerkung), so dass der Bediener zum Beispiel in dem Drehwinkelbereich, in dem die Kurbelwelle ein nur geringes Drehmoment zum Drehen benötigt, zusätzlich auch noch den Energiespeicher auflädt.An energy generation device can be provided for generating electrical energy during an operating phase of the internal combustion engine, the energy store being chargeable by the electrical energy during the operating phase. The energy generation device can in particular be implemented by operating an ignition system in the internal combustion engine as a generator. It is also possible to operate the auxiliary torque device as a generator (see also the note above), so that the operator also charges the energy storage device, for example in the angle of rotation range in which the crankshaft requires only a small amount of torque to turn.
Als Energiespeicher eignet sich zum Beispiel ein üblicher Akku (zum Beispiel Nickelcadmium oder Lithium) oder auch ein Doppelschicht-Kondensator.A conventional rechargeable battery (for example nickel cadmium or lithium) or a double-layer capacitor, for example, is suitable as an energy storage device.
Schließlich wird ein Verfahren zum manuellen Starten eines Verbrennungsmotors angegeben, mit den Schritten:
- - Betätigen einer Hand-Drehmomentvorrichtung mit der Hand eines Bedieners und damit Aufbringen eines Hand-Drehmoments auf eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors;
- - Automatisches Aufbringen eines Unterstützungs-Drehmoments mithilfe einer eine Elektromagnet-Vorrichtung aufweisenden Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung in einer Unterstützungsphase, bevor ein Kolben des Verbrennungsmotors den Oberen Totpunkt erreicht hat; und
- - Abschalten des Unterstützungs-Drehmoments nach Beenden der Unterstützungsphase.
- Operating a manual torque device with the hand of an operator and thus applying a manual torque to a crankshaft of the internal combustion engine;
- - Automatic application of an assist torque with the aid of an assist torque device having an electromagnet device in an assist phase before a piston of the internal combustion engine has reached top dead center; and
- - Switching off the support torque after the end of the support phase.
Das beschriebene technische System stellt keinen eigenständigen Motorstarter dar, sondern reduziert dessen Funktion auf eine elektromagnetisch unterstützte Hilfe beim Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder eines Verbrennungsmotors. Der am Motor zum Beispiel verwendete Seilzugstarter bleibt dabei erhalten. Der Motor kann somit jederzeit konventionell gestartet werden.The technical system described does not represent an independent engine starter, but rather reduces its function to an electromagnetically assisted aid in compressing the fuel-air mixture in the cylinder of an internal combustion engine. The pull starter used on the engine, for example, is retained. The engine can thus be started conventionally at any time.
Die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung ist geeignet, die Kraft, die der Bediener beim Motorstart aufbringen muss, ganz oder teilweise zu übernehmen. Die Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann dadurch „kraftlos“ ohne Belastung bzw. Mitwirkung des Bedieners erfolgen. Insbesondere lässt sich das System derart ausgestalten, dass die zum Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderliche Zunahme des Drehmoments an der Kurbelwelle vom Bediener nicht wahrgenommen wird. Der Bediener empfindet die Betätigung des Seilzugstarters dann als gleichförmig, mit im Wesentlichen konstantem Drehmoment (Hand-Drehmoment).The assist torque device is suitable for taking over all or part of the force that the operator has to apply when starting the engine. The compression of the fuel-air mixture can thus take place “powerless” without any strain or involvement on the part of the operator. In particular, the system can be designed in such a way that the increase in the torque on the crankshaft required to compress the fuel-air mixture is not perceived by the operator. The operator then perceives the actuation of the pull-rope starter as uniform, with an essentially constant torque (manual torque).
Bei einem entladenen Energiespeicher oder einem Defekt der Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung kann der Verbrennungsmotor immer noch in bekannter Weise konventionell gestartet werden. Dadurch ist eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet.In the event of a discharged energy store or a defect in the assist torque device, the internal combustion engine can still be started conventionally in a known manner. This guarantees a high level of availability.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Schnitt durch einen beispielhaften Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung; -
2 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung zu Beginn der Verdichtung in einem Verbrennungsmotor; -
3 die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung zu einem Zeitpunkt des Beginns einer Unterstützungsphase; und -
4 die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung zu einem Zeitpunkt des Endes der Unterstützungsphase.
-
1 a section through an exemplary internal combustion engine with an assist torque device according to the invention; -
2 a schematic section through an assist torque device according to the invention at the beginning of compression in an internal combustion engine; -
3 the assist torque device at a point in time of starting an assist phase; and -
4th the assist torque device at a point in time of the end of the assist phase.
Bei der in
Der Verbrennungsmotor kann nach einem bekannten Prinzip arbeiten und z.B. als Zweitakt-, Viertakt- oder Dieselmotor verwirklicht sein. Bei dem in
Wie oben bereits dargelegt, soll erfindungsgemäß bei dem Verbrennungsmotor zum Unterstützen eines Bedieners beim Startvorgang eine Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung vorgesehen sein, mit deren Hilfe temporär ein Unterstützungs-Drehmoment auf die Kurbelwelle
Zu diesem Zweck ist axial auf der Kurbelwelle
Der Rotor
Der Rotor
Der Rotor
Die Statorpole
Die Drehrichtung der Kurbelwelle
Das Arbeitsprinzip eines als Verbrennungsmotor dienenden Zweitaktmotors besteht aus mehreren Phasen, nämlich insbesondere Spülen (Befüllen der Brennkammer mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch) - Verdichten - Zünden - Arbeiten - Auspuffen (Führen der Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer). Für einen Viertaktmotor gelten ähnliche Phasen bzw. Takte, die jedoch vielfältig bekannt sind und daher an dieser Stelle nicht vertieft werden müssen.The working principle of a two-stroke engine serving as an internal combustion engine consists of several phases, namely in particular flushing (filling the combustion chamber with the fuel-air mixture) - compression - ignition - working - exhausting (leading the combustion products out of the combustion chamber). Similar phases or cycles apply to a four-stroke engine, but they are widely known and therefore do not need to be discussed in more detail at this point.
Für die hier erläuterte Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung ist die Verdichtungsphase von besonderem Interesse. Zum Zeitpunkt des Beginns der Verdichtung befindet sich die Kurbelwelle
Mit weiterer Drehung der Kurbelwelle
Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie bei der in
In dieser Phase ist eine Unterstützung des Drehmoments durch die Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung nicht mehr erforderlich, so dass die Steuereinrichtung die elektrische Versorgung der Feldspulen
Die Kommutierung der Feldspulen
Der in den
Der Energiespeicher, der den notwendigen elektrischen Strom zur Versorgung der Feldspulen
Das beschriebene System ermöglicht es, den Komfort für den Bediener erheblich zu steigern, weil er keine Kraftspitzen mehr überwinden muss. Die dazu notwendigen zusätzlichen Komponenten und Mehrkosten sind gering. Auch bei einem Ausfall des Hilfsstarters (Unterstützungs-Drehmomentvorrichtung) ist immer noch ein Starten des Verbrennungsmotors in herkömmlicher Weise mit Hilfe des Seilzugstarters möglich.The system described makes it possible to increase the comfort for the operator considerably, because he no longer has to overcome force peaks. The additional components and additional costs required for this are low. Even if the auxiliary starter (assist torque device) fails, the internal combustion engine can still be started in the conventional manner with the aid of the pull-wire starter.
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-
2020
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