DE60129720T2 - Verbrennungsmotor - Google Patents

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DE60129720T2
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Andrzej Zarowiecki
Bengt Murman
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Description

  • Verbrennungsmotor mit einem Motorblock, einer drehbar in dem Motorblock gelagerten Kurbelwelle und einem an einer Seite des Motorblocks angebrachten Getriebe, wobei das Getriebe eine Eingangswelle mit einem Eingangszahnrad, das mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Ausgangszahnrad in Eingriff steht, und eine durch die Eingangswelle angetriebene erste Ausgangswelle aufweist, um wenigstens eine Zusatzeinheit anzutreiben.
  • Normalerweise werden in üblichen Verbrennungsmotoren Zusatzeinheiten, wie zum Beispiel Wasserpumpen, Generatoren, Pumpen für Servolenkungen und Kompressoren für die Klimaanlagen durch die Kurbelwelle mittels Riemen oder auf einem sich aus dem Kurbelgehäuse heraus erstreckenden Endabschnitt der Kurbelwelle befestigte Zahnräder angetrieben. Dasselbe gilt für Verbrennungsmotorkomponenten wie zum Beispiel Nockenwellen und Kraftstoffpumpen, welche oft über eine Zahnriemenscheibe und einen Zahnriemen an dem vorderen Ende des Motorblocks angetrieben werden. Diese Zusatzeinheiten und Übertragungseinheiten an dem vorderen Ende des Verbrennungsmotors vergrößern die Gesamtlänge des Verbrennungsmotors und erfordern Platz im Motorraum. Im Wesentlichen ist dieses kein Problem in Fahrzeugen mit in Längsrichtung montierten Verbrennungsmotoren, aber bei quer eingebauten Verbrennungsmotoren ist der verfügbare Platz beschränkter und quer eingebaute Motoren mit mehr als vier Zylindern (zum Beispiel sechs Zylindern) sind üblicherweise V-Verbrennungsmotoren.
  • Es ist im Fachgebiet bekannt, die Platzanforderungen für einen Reihenmotor, zum Beispiel einen Sechszylinder-Reihenmotor zu verringern, indem ein Getriebe für Zusatzeinheiten auf nur einer Seite des Motors angeordnet wird. Beispielsweise offenbart DE 2 153 773 einen Sechszylinder-Reihenmotor mit einem seitlich angebrachten Getriebe mit nur einer Ausgangswelle, die antreibend mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe und einem Luftkompressor verbunden ist. Der Generator ist in herkömmlicher Weise auf einer hohen Ebene an einer Seite des Motorblocks in der Nähe des vorderen Endes montiert, und wird mittels eines getrennten Zahnriemengetriebes an dem vorderen Ende des Motorblocks angetrieben. Ein Startermotor ist auf einer unteren Ebene an derselben Seite und in der Nähe des hinteren Endes des Verbrennungsmotorblockes angeordnet.
  • Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erzielung eines Verbrennungsmotors im Rahmen der Einführung beschriebenen Typs, welcher in Bezug auf eine kompakte und unfallsichere Konstruktion optimiert werden kann.
  • Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen im Rahmen der Einführung beschriebenen Verbrennungsmotor zu erzielen, welcher ein kompaktes Getriebe aufweist, das in der Lage ist, Drehmoment zwischen der Verbrennungsmotorkurbelwelle und einem integrierten Starter/Generator, einem so genannten ISG, mit einem ersten Verhältnis zu übertragen, wenn der ISG als ein Starter arbeitet, und mit einen sich von dem ersten Verhältnis unterscheidenden Verhältnis, wenn der ISG als ein Generator arbeitet.
  • Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch den Umstand gelöst, dass die Zusatzeinheit in Bezug auf den Motorblock so angeordnet ist, dass sich ihr oberer Abschnitt über eine obere Endebene des Verbrennungsmotorblocks hinaus erstreckt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zusatzeinheit ein integrierter Starter/Generator, welcher antreibend mit der Verbrennungsmotorkurbelwelle über ein Zweiganggetriebe verbunden ist. Eine derartige Zusatzeinheit ist eine ziemlich schwere Komponente, und durch deren Anbringung so, dass sich ein oberer Abschnitt davon über eine obere Ebene des Motorblockes hinaus erstreckt, wird deren Schwerpunkt über den Schwerpunkt des Motorblockes angeordnet. Die geometrischen Beziehungen zwischen dem Motorblock und dem hoch montierten ISG zusammen mit dem Gewicht des ISG zwingen bei einer Frontalkollision den Antriebsstrang sich während seiner Rückwärtsbewegung nach unten zu drehen, um dadurch den Antriebsstrang zu zwingen sich unter den statt in den Fahrgastraum zu verschieben.
  • Die Erfindung wird nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen 1a und 1b eine perspektivische Ansicht beziehungsweise einen schematischen Querschnitt eines Verbrennungsmotorblockes mit einer Zusatzeinheit und einem Antriebsgetriebe gemäß der Erfindung darstellen, 2 ein Schema des Zusatzantriebsgetriebes in 1a darstellt, 3 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform des Getriebes gemäß der Erfindung darstellt und 4 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Getriebes gemäß der Erfindung darstellt.
  • 1a und 1b stellen einen Motorblock 1 eines Fünfzylinder-Reihenverbrennungsmotors mit einem Getriebe 2 dar, welches antreibend mit einer Zusatzeinheit in der Form eines integrierten Starter/Generators (ISG 3) über eine Impulsdämpfungskupplung 4 und ein Getriebe 5, bevorzugt ein allgemein bekanntes Planeten-Zweiganggetriebe verbunden ist. Wie man in 1a und 1b sehen kann, ist der ISG 3 auf einer hohen Ebene in Bezug auf den Verbrennungsmotorblock 1 angeordnet, so dass der obere Endabschnitt 3a des ISG aus Unfallsicherheitsgründen auf einer hohen Ebene über der oberen Endfläche 1a des Verbrennungsmotorblockes 1 liegt. Quer eingebaute Verbrennungsmotoren werden normalerweise leicht nach hinten zu dem Fahrgastraum hin geneigt eingebaut. Durch die relativ hohe Befestigung des ISG 3 tragen die Position und das Gewicht des ISG 3 in einem Unfallablauf dazu bei, den Antriebsstrang während seiner Rückwärtsbewegung nach unten zu drehen, und dadurch den Antriebsstrang zu zwingen sich unter den statt in den Fahrgastraum zu bewegen.
  • Gemäß 2 weist das Getriebe 2 eine Eingangswelle 6 auf, auf welcher ein erstes Zahnrad 7 nicht drehbar angebracht ist. Das Zahnrad 7 steht mit einem Ausgangszahnrad 8 in Eingriff, das nicht drehbar auf einer drehbar in dem Verbrennungsmotorblock 1 gelagerten Kurbelwelle 9 angebracht ist. Das Zahnrad 7 steht auch mit einem auf einer ersten Ausgangswelle 11 des Getriebes 2 gelagerten ersten Ausgangszahnrad 7 in Eingriff, wobei das Zahnrad 10 einen kleineren Radius als das Zahnrad 8 aufweist. Das Zahnrad 7 überträgt über die Impulsdämpfungskupplung 4 und eine (detaillierter unter Bezugnahme auf 3 zu beschreibende) Freilaufkupplung 40 bei einer höheren Drehzahl als der Drehzahl der Kurbelwelle Drehmoment von der Kurbelwelle 9 auf die erste Ausgangswelle 11. Ein zweites Zahnrad 12 mit einem kleineren Radius als das Zahnrad 7 ist nicht drehbar auf der Eingangswelle 6 angebracht und steht mit einem zweiten Ausgangszahnrad 13 in Eingriff, das nicht drehbar auf einer zweiten hohlen Ausgangswelle 14 angebracht ist, die drehbar auf der Außenseite von und konzentrisch zu der ersten Ausgangswelle 11 gelagert ist. Dieses zweite Ausgangszahnrad hat einen größe ren Radius als das Zahnrad 12. Aufgrund der Differenz in dem Zahnradverhältnis zwischen dem Paar der Zahnräder 7, 10 beziehungsweise 12, 13 dreht sich die erste Ausgangswelle 11 mit einer höheren Umdrehungszahl als die zweite Ausgangswelle 14.
  • Gemäß Darstellung in 2 ist das Zahnrad 10 nicht drehbar mit einer Eingangsseite der Impulsdämpfungskupplung 4 verbunden, welche detaillierter unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird. Die Ausgangsseite der Impulsdämpfungskupplung 4 ist wiederum nicht drehbar mit einem Planetenträger 16 mit Planetenrädern 17 verbunden, welche mit einem Ringrad 18 und einem nicht drehbar an einem Ende einer Ausgangs/Eingangswelle 20 des ISG 3 angebrachten Sonnenrades 19 in Eingriff steht. Mittels einer Kupplung 21, welche eine elektromagnetische sein kann, kann das Ringrad 18 an dem Kupplungsgehäuse 21a verriegelt oder gelöst werden, wie es unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird. Eine Riemenscheibe 22 ist nicht drehbar auf einem gegenüberliegenden Endabschnitt der ersten Ausgangswelle 11 angebracht. Über die Riemenscheibe 22 und einen Riemen 23 treibt die erste Ausgangswelle 11 einen Klimaanlagenkompressor 24 und eine Wasserpumpe 25 an.
  • Die Ausgangs/Eingangs-Welle 20 verläuft durch den ISG 3 hindurch und trägt auf der dem Planetengetriebe 5 gegenüberliegenden Seite einen nicht drehbaren Planetenträger 53 und ein zweites Planetengetriebe 54, dessen Planetenzahnräder 55 mit einem Ringrad 56A und einem Sonnenrad 56B in Eingriff stehen, welches nicht drehbar an einer Eingangswelle 57 eines Kompressors (Laders) 58 angebracht ist. Mittels dieser Anordnung kann der ISG 3 dazu verwendet werden, den Kompressor 58 bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors anzutreiben, um den Einlassluftdruck zu steigern. Der ISG 3 wird antreibend mit dem Kompressor mittels einer elektromagnetischen Kupplung 59 verbunden und davon getrennt. Die in 2 dargestellte Anordnung enthält auch eine Verbrennungsmotor-Ölpumpe 60 und eine Verbrennungsmotor-Getriebeölpumpe 61, welche auf der Außenseite des Motorblocks angeordnet sind und antreibend mit der Ausgangs/Eingangs-Welle 20 über Riemenscheiben 61, 62 und einem Riemen 63 verbunden sind.
  • Auf der zweiten Ausgangswelle 14 sind zwei Kettenräder 26 und 26b nicht drehbar angebracht. Über das Kettenrad 26, eine Kette 27 und zwei zusätzliche Kettenräder 28 und 29 treibt die zweite Ausgangswelle 14 zwei Nockenwellen 30, 31 an. Über eine Riemenscheibe 50 treibt die zweite Ausgangswelle eine Kraftstoffeinspritzpumpe 52 an. Wie man in 2 sehen kann, ist das Kettengetriebe 26–29 in derselben Ebene A-A des Verbrennungsmotorblockes 1 wie ein Schwungrad 32 angeordnet, das auf der Kurbelwelle 9 befestigt ist. Das Schwungsrad 32 ist an dem Ende des Verbrennungsmotorblockes angebracht, an welchem die Verbrennungsmotorkupplung und das (nicht dargstellte) Getriebe montiert werden sollen. Dieses bedeutet, dass die Riemenscheibe 22, der Riemen 23, der Kompressor 24 und die Wasserpumpe 25 außerhalb der Endebene A-A des Verbrennungsmotorblockes 1, aber über dem Getriebe so angeordnet sind, dass diese Zusatzeinheiten keine zusätzliche Länge zu der Gesamtlänge des die Verbrennungsmotorkupplung und das Getriebe umfassenden Verbrennungsmotors beitragen.
  • Das vorstehend beschriebene und schematisch in 2 dargestellte Getriebe 2 ist detaillierter in 3 dargestellt, in welcher mit den Elementen in 2 gemeinsame Elemente dieselben Bezugszeichen wie in 2 haben. Die erste Ausgangswelle 11 des Getriebes 2 und die Ausgangswelle 20 aus dem ISG sind so verbunden, dass sie sich zusammen mit derselben Drehzahl drehen. Bevorzugt ist eine (nicht dargestellte) Impulsdämpfungskupplung, die der in 2 und 4 dargestellten Impulsdämpfungskupplung 4 entspricht, in der Antriebslinie zwischen dem ISG 3 und der Kupplung 21 angeordnet. Die Ausgangswelle 11 ist in dem Getrieberad 10 gelagert, welches wiederum in einem Getriebegehäuse 21b gelagert ist. Über die vorstehend erwähnte Freilaufkupplung 40 kann das Getrieberad 10 mit der Ausgangswelle 11 verbunden werden. Wenn der Verbrennungsmotor durch Betrieb des ISG 3 als ein Motor gestartet wird, wird das Ringzahnrad 18 durch die Kupplung 21 an dem Kupplungsgehäuse 21a verriegelt. Das Sonnenrad 19 treibt dann dem Planetenträger 16 und damit das Getrieberad 10 mit einer geringeren Drehzahl als die Eingangsdrehzahl der Welle 11/20 an, um das Drehmoment während des Starts zu erhöhen. Somit ist die Freilaufkupplung 40 so angeordnet, dass sie frei läuft, wenn das Getrieberad 10 mit einer geringeren Drehzahl als die Welle 11 läuft. Ein typisches Verhältnis zwischen der Eingangsdrehzahl zu der Ausgangsdrehzahl des Planetengetriebes, d.h., heißt der Drehzahl der Welle 11/20 gegenüber der Drehzahl des Planetenträgers 16 könnte 3:1 sein.
  • Nachdem der Verbrennungsmotor gestartet ist, kann die Motorbetriebsart des ISG auf die Generatorbetriebsart umgeschaltet werden, wobei zu diesem Zeitpunkt das Ringrad 18 durch Ausrücken der Reibungskupplung 21 gelöst wird. Sobald die Drehzahl des Zahnrades 10 die Drehzahl der Welle 11 überschreitet, verriegelt die Einwegkupplung das Zahnrad 10 mit der Welle 11, um dadurch Drehmoment aus dem Verbrennungsmotor an den ISG zu übertragen, welcher nun als ein Generator arbeitet.
  • Die beschriebene Planetengetriebe und Freilaufkupplungsanordnung ermöglicht den Antrieb des Klimaanlagenkompressors 24 durch den ISG, wenn der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs abgeschaltet ist, da, wenn das Zahnrad steht, und die Welle 11 durch den ISG angetrieben wird, die Freilaufkupplung sich frei dreht, und dadurch der Welle 11 ermöglicht, sich in Bezug auf das Zahnrad 10 zu drehen, um den Kompressor 24 anzutreiben.
  • Eine andere Einrichtung anstelle der Reibungskupplung 21, eines Planetengetriebes 5 und einer Freilaufkupplung 40 könnte verwendet werden, um die vorstehend beschriebene Funktion zu erzielen, d.h., eine Drehzahlreduzierung, wenn der ISG als ein Starter betrieben wird, einen direkten Antrieb, wenn der ISG als ein Generator von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs betrieben wird, und schließlich die Möglichkeit das Ausgangsgetrieberad 10 von der Welle 11 auszurücken, um eine Zusatzeinheit wie zum Beispiel einen Klimaanlagenkompressor direkt von dem ISG anzutreiben, wenn der Verbrennungsmotor nicht läuft. Das Planetengetriebe könnte durch ein reguläres Zweiganggetriebe mit einem Direktantrieb und einem Paar von Niedrigdrehzahlzahnrädern ersetzt werden, wovon eines einrück- und ausrückbar ist. Die Freilaufkupplung könnte durch einen anderen Typ einer ein- und ausrückbaren Kupplung ersetzt werden.
  • 4 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, welche im Vergleich zu der in 3 dargestellten etwas modifiziert ist. Wie das Getriebe 2 in 3 besitzt das Getriebe 2 in 4 zwei Ausgangswellen mit einer gemeinsamen Drehachse, nämlich eine erste Ausgangswelle 41 und eine zweite Ausgangswelle 42. Wie man sehen kann, sind die Wellen 41 und 42 Ende an Ende gelagert statt eine innerhalb der anderen wie die ersten und zweiten Ausgangswellen des in 3 dargestellten Getriebes. Insbesondere ist die erste Welle 41 mit einer einen Stummelabschnitt 42a der zweiten Welle 42 aufnehmenden Bohrung 41a ausgebildet. Die erste Ausgangswelle 41 ist mit der Welle des ISG mittels einer Impulsdämpfungskupplung 4 verbunden, welche ein äußeres kappenähnliches Element 43 und ein inneres kappenähnliches Element 44 aufweist. In einem Raum, der zwischen den Elementen 43 und 44 ausgebildet ist, ist eine Spiralfeder 45 angeordnet, welche an einem Ende an dem Außenelement 43 befestigt ist und an dem anderen Ende an einem Flansch 47 des inneren Elementes 44. Die Feder 45 ist so angeordnet, dass in einer Drehrichtung der Kupplung 4, welche zu einer Kontraktion der Feder 45 führt, eine gewisse Relativbewegung zwischen dem Element 43 und 44 zulässig ist. Eine Rotation in der entgegengesetzten Richtung führt zu einer Ausdehnung der Feder 45, welche dazu tendiert, einen Relativbewegung zwischen den Elementen 43 und 44 zu verhindern, wenn die Windungen der Federn gegen die Innenoberfläche des äußeren kappenähnlichen Elementes 43 vorgespannt werden.
  • Ein größerer Unterschied zwischen der in 3d dargestellten Anordnung und der in 4 dargestellten besteht darin, dass die Riemenscheibe 22 für den Klimaanlagenkompressorriemen 23 nicht drehbar auf der zweiten Ausgangswelle 14 angebracht ist. Diese Anordnung erlaubt keinen Antrieb des Kompressors aus einem ISG, wenn der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs nicht läuft, und ist daher für einen Einbau mit einem Generator anstelle eines ISG geeignet.

Claims (9)

  1. Verbrennungsmotor, der einen Motorblock (1), ein Kurbelwelle (9), die drehbar in dem Motorblock gelagert ist, und ein Getriebe (2) umfasst, das an einer Seite des Motorblocks angebracht ist, wobei das Getriebe eine Eingangswelle (6) mit einem Eingangszahnrad (7) aufweist, das mit einem Ausgangszahnrad (8) in Eingriff ist, das von der Kurbelwelle angetrieben wird, und die erste Ausgangswelle (11; 41) durch die Eingangswelle angetrieben wird, um wenigstens eine Zusatzeinheit (3) anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzeinheit (3) relativ zu dem Motorblock (2) so angeordnet ist, dass sich ein oberer Abschnitt derselben oberhalb einer oberen Abschlussebene (1a) des Motorblocks erstreckt.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzeinheit (3) eine Starter-Generator-Einheit ist, die über ein Zweiganggetriebe antreibend mit der ersten Ausgangswelle verbunden ist.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine zweite Ausgangswelle (14; 42) aufweist, wobei die erste und die zweite Ausgangswelle eine gemeinsame Drehachse haben und mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten angetrieben werden.
  4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausgangswelle (14) hohl ist, dass sich die erste Ausgangswelle (11) durch die zweite Ausgangswelle hindurcherstreckt und dass wenigstens eine zweite Zusatzeinheit (24, 25) antreibend mit einem ersten Endabschnitt der ersten Ausgangswelle verbunden ist, der von der Starter-Generator-Einheit (3) weggewandt ist.
  5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zusatzeinheit ein Klimaanlagenkompressor (24) ist.
  6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausgangswelle (14; 42) antreibend mit wenigstens einer Nockenwelle (31, 32) verbunden ist.
  7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgangswelle (11) über ein Impulsdämpfungskupplung (4) antreibend mit dem Zweiganggetriebe (3) verbunden ist.
  8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2–7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgangswelle (11) über eine einrückbare und eine ausrückbare Einwegkupplung (40) antreibend mit dem Zweiganggetriebe verbunden ist.
  9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (2) an einer Seite des Motorblocks (1) so angeordnet ist, dass sich die Sekundäreinheit (24) oberhalb und jenseits der Abschlussebene des Motorblocks erstreckt, an der das Motor-Getriebe angebracht werden soll.
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