DE60225009T2

DE60225009T2 - Kolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE60225009T2
Application number: DE60225009T
Authority: DE
Inventors: Philip James Hove CARDEN
Original assignee: Ricardo UK Ltd
Current assignee: Ricardo UK Ltd
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: US6868815B2; EP1402160B1; US20040250788A1; GB0116450D0; WO2003004845A1; DE60225009D1; EP1402160A1; JP2004533575A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf interne Verbrennungsmotoren des Typs der Hubkolbenmotoren und betrifft insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, solche Motoren zur Verwendung bei relativ leichten Straßenfahrzeugen, z. B. Straßenfahrzeugen zur Personenbeförderung.
Motoren für Straßenfahrzeuge sind natürlich mit einer großen Breite an Anzahlen von Zylindern bekannt, allerdings weist ein signifikanter Anteil all dieser Motoren viele Zylinder auf. Man ist derzeit mehr und mehr bemüht, einen kostengünstigen Leichtgewichtmotor zu gestalten, und ein Forschungszugang bezieht sich auf das Bereitstellen von Motoren mit nur drei Zylindern, da an sich eine Verringerung der Anzahl von Zylindern das Gewicht und die Kosten des Motors reduziert. Jedoch ist das Bereitstellen eines Motors mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern, insbesondere eine kleine Anzahl wie drei, an sich mit verstärkten Problemen betreffend Ausgleich und Vibration verbunden.
Die schnelle Hin- und Herbewegung der Kolben übermittelt zwingenderweise signifikante Kräfte und Momente über die Kurbelwelle an den Motorblock. Diese primären ungleichgewichtigen Kräfte und Momente bei einem 4-Zylinder-Reihenmotor werden jedoch konventionell durch Kuppeln der Kolben mit der Kurbelwelle in zwei Sätzen, 180° phasenverschoben gegeneinander, ausgeglichen. Die Kraft, die von jedem Kolben, der sich in eine Richtung bewegt, auf die Kurbelwelle ausgeübt wird, wird deshalb automatisch durch jene Kraft ausgeglichen, die von einem anderen Kolben, der sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, ausgeübt wird. Allerdings ist ein solch einfacher primärer Ausgleich bei einem Motor mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern selbstverständlich nicht möglich.
Es ist bekannt, dass ein primärer Kraftausgleich eines 3-Zylinder-Motors erzielt werden kann, wenn die Kurbelzapfen winkelig um 120° versetzt sind, und dass der primäre Momentausgleich durch Vorsehen einer Ausgleichswelle erreicht werden kann. So eine Welle ist mit der Kurbelwelle verbunden, um mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu rotieren. An den Enden der Ausgleichswelle sind versetzte außermittige Gewichte vorgesehen. Die Gewichte sind solcher Art, dass das durch die Ausgleichswelle auf den Motor ausgeübte zyklische Moment aufgrund der ungeraden Anzahl von Kolben dem Ungleichgewichtsmoment gleicht oder entgegengesetzt dazu ist.
Ein anderes Ungleichgewichtsmoment, das auf einen Motor wirkt, ist das Drehmoment-Rückstoßmoment. Dieses Moment ist zyklisch und eine Reaktion auf das Ausgabedrehmoment des Motors und ist mit den Explosionen der Kraftstoff/Luftmischung in den Zylindern im Wesentlichen synchronisiert. Das Drehmoment-Rückstoßmoment neigt dazu, den Motor zum Rotieren um eine Achse parallel zur Achse der Kurbelwelle zu veranlassen. Es ist bekannt, dass das Drehmoment-Rückstoßmoment durch Vorsehen einer weiteren Ausgleichswelle, einer so genannten Heron-Ausgleichswelle, ausgeglichen werden kann; Details sind in der GB-A-121045 geoffenbart. Eine Heron-Ausgleichswelle ist eine Welle, die verbunden ist, um mit der Kurbelwelle, jedoch in entgegengesetzte Richtung, zu rotieren. Sie ist von wesentlicher Masse und kann ein Gewicht oder einen Flansch in der Weise eines Schwungrads tragen. Sie kann in der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle rotieren, jedoch hat sie eine größere Wirkung, wenn sie in einer Geschwindigkeit rotiert, die ein Vielfaches der Geschwindigkeit der Kurbelwelle ist. Das Drehmoment-Rückstoßmoment wird bei den meisten Motoren nicht kompensiert, sondern wird einfach toleriert und die resultierende Motorbewegung wird in federnden Motorhalterungen absorbiert. Jedoch sind die Probleme, die durch das Drehmoment-Rückstoßmoment verursacht werden, bei einem 3-Zylinder-Motor sehr viel ernster als bei einem 4-Zylinder-Motor und deshalb ist es wünschenswert, dass eine gewisse Kompensierung bei 3-Zylinder-Motoren bereitgestellt wird.
Ein weiteres, mit der Verringerung der Anzahl von Zylindern eines Motors von vier auf drei verbundenes Problem ist, dass, wenn das Volumen jedes Zylinders konstant gehalten wird, die maximale Leistungsausgabe des Motors reduziert wird. Unter den meisten Betriebsbedingungen birgt dies keinerlei Konsequenzen, da die maximale Leistung selten eingesetzt wird. Die maximale Beschleunigung des Fahrzeugs wird jedoch reduziert und dies kann ein Problem darstellen. Es wurde vorgeschlagen, dass dies kompensiert wird, indem man das Fahrzeug als so genannten Teil-Hybrid-Typ gestaltet, d. h. es wird mit einem elektrischen Motor versehen, der nur fallweise verwendet wird, d. h. dann, wenn die maximale Beschleunigung benötigt wird. Während Voll-Hybrid-Fahrzeuge einen separaten, großen elektrischen Traktionsmotor aufweisen, haben Teil-Hybrid-Fahrzeuge einen kombinierten Traktionsmotor und Anlasser, einen so genannten integrierten Startergenerator („integrated starter generator” – ISG). Traditionelle Fahrzeuganlasser wirken auf die Verzahnung außen am Schwungrad und haben eine sehr langsame Übersetzung, um die benötigte Drehmoment-Kapazität des Motors zu minimieren. Dies würde bedeuten, dass, wenn das Fahrzeug einmal läuft, der Anlasser mit einer exzessiv hohen Geschwindigkeit rotiert werden würde und dies ist der Grund dafür, warum Anlasser vom Motor entkuppelt werden, wenn dieser einmal gestartet wurde. Entkuppelung ist natürlich bei einem ISG an sich nicht möglich, aber der ISG hat eine an sich höhere Drehmoment-Kapazität, da er während der Beschleunigung eine Drehmoment-Hilfe liefern muss, so dass die langsamere Getriebeübersetzung nicht den Motor starten muss.
Es ist deshalb das Ziel der Erfindung, einen Motor des oben genannten Typs bereitzustellen, der vorzugsweise eine ungerade Anzahl von Zylindern, insbesondere drei Zylinder, aufweist und vom Teil-Hybrid-Typ ist, bei dem allerdings die Probleme des Motorausgleichs behoben oder zumindest signifikant reduziert wurden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein interner Verbrennungsmotor einen oder mehrere Kolben, vorzugsweise drei Kolben, die mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind, eine Ausgleichswelle, die mit der Kurbelwelle verbunden ist, um somit mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle, jedoch in entgegengesetzter Richtung rotiert zu werden, wobei die Ausgleichswelle gegeneinander versetzte außermittige Gewichte an ihren Enden trägt, und eine integrierte Startergenerator-Einheit mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor angebracht ist, um um die Achse der Ausgleichswelle herum zu rotieren und mit der Ausgleichswelle mittels Übersetzungsgetriebe verbunden ist, so dass der Rotor in die gleiche Richtung wie die Ausgleichswelle rotiert, jedoch mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit.
Somit ist der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung vom Teil-Hybrid-Typ, wobei der konventionelle elektrische Anlasser und die konventionelle Lichtmaschine, die zum Generieren von Elektrizität zur Energieversorgung von elektrischen Geräten im Fahrzeug und zum Aufladen der Fahrzeugbatterie verwendet wird, durch eine einzelne integrierte Startergenerator-Einheit ersetzt werden, der beide Funktionen erfüllt. Ein primärer Momentausgleich des Motors wird durch eine gegenrotierende Ausgleichswelle erzielt. Die integrierte Startergenerator-Einheit umfasst einen Stator und einen Rotor, wirkt jedoch nicht – wie konventionell – auf das Motor-Schwungrad, sondern auf die Ausgleichswelle. Der Rotor, der an sich von relativ wesentlicher Masse ist, ist mit der Ausgleichswelle verbunden, um somit in die entgegengesetzte Richtung der Kurbelwelle um eine Achse koaxial mit der Ausgleichswelle mittels Übersetzungsgetriebe, das vorzugsweise eine Getriebeübersetzung von zwischen 2,5:1 und 5:1 aufweist, zu rotieren. Der Rotor rotiert in die gleiche Richtung wie die Ausgleichswelle, allerdings mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit und produziert infolge seiner wesentlichen Masse einen wesentlichen Grad an Drehmoment-Rückstoß-Ausgleich. Der Rotor erfüllt somit zwei ziemlich unterschiedliche Funktionen, d. h. als die rotierbare Komponente einer elektrischen Maschine und auch als die massige rotierende Komponente eines Drehmoment-Rückstoß-Ausgleichsmechanismus. Da der Rotor z. B. dreimal so schnell wie die Kurbelwelle rotiert, ist seine Drehmoment-Rückstoß-Ausgleichswirkung dreimal so stark wie es der Fall sein würde, wenn er in der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle rotiert werden würde, und dies liefert eine zumindest teilweise Kompensierung für die Tatsache, dass seine Masse an sich signifikant geringer als jene der Kurbelwelle ist. Das Übersetzungsgetriebe führt dazu, dass die integrierte Startergenerator-Einheit signifikant schneller als die Kurbelwelle rotiert und dies ist an sich für die Elektrizitätsgenerierung passend. Jedoch wenn die integrierte Startergenerator-Einheit als Anlasser arbeitet, arbeitet das Übersetzungsgetriebe als Untersetzungsgetriebe, und dies ist an sich für den Anlasserbetrieb geeignet.
Während das Übersetzungsgetriebe eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen annehmen kann, wird bevorzugt, dass es ein Planetengetriebe umfasst, dessen Hohlrad fixiert ist, dessen Sonnenrad mit dem Rotor verbunden ist, und dessen Planetenräder und Träger mit der Ausgleichswelle verbunden sind, um damit rotiert zu werden.
Wenn in einem Fahrzeug eingebaut, ist die integrierte Startergenerator-Einheit selbstverständlich mit der Fahrzeugbatterie über eine Steuerung bzw. Rege lung verbunden, die durch das Motor-Managementsystem betrieben wird. Wenn der Motor gestartet werden soll, wird Leistung von der Batterie zur integrierten Startergenerator-Einheit geliefert, der somit als Anlasser agiert. Wenn der Motor einmal läuft, wird die von der integrierten Startergenerator-Einheit produzierte Leistung verwendet, um die verschiedenen elektrischen Geräte im Fahrzeug mit Energie zu versorgen, und die überschüssige Leistung wird zum Aufladen der Batterie verwendet. Wird eine maximale Beschleunigung benötigt, wird die Steuerung bzw. Regelung betrieben, um Energie von der Batterie zur integrierten Startergenerator-Einheit zu liefern, welcher dann als Motor agiert und Energie zur Ausgleichswelle und somit zur Kurbelwelle liefert und dadurch die gesamte Leistungsausgabe des Motors erhöht.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einer spezifischen Ausführungsform hervor, die beispielhaft unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben ist, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines 3-Zylinder-Motors gemäß der Erfindung ist und die Kurbelwelle, die Ausgleichswelle und die integrierte Startergenerator-Einheit zeigt;
2 eine perspektivische Explosionsansicht der in 1 gezeigten Kurbelwelle, Ausgleichswelle und der integrierten Startergenerator-Einheit ist.
Der Motor, von dem ein Teil in den Figuren gezeigt ist, enthält einen Zylinderblock 7, der geschnitten und nur teilweise dargestellt ist und drei Zylinder 1 definiert, die jeweilige Kolben 3 aufnehmen, von denen nur einer gezeigt ist und die durch Verbindungsstangen 5 mit der jeweiligen Kurbel 2 einer Kurbelwelle 4 verbunden sind. An einen Ende trägt die Kurbelwelle 4 ein Schwungrad 6 des konventionellen Typs und ein treibendes Zahnrad 8 der Ausgleichswelle.
Eine Ausgleichswelle 10 erstreckt sich parallel zur Kurbelwelle 4 und trägt ein angetriebenes Zahnrad 12, das die gleiche Größe wie das treibende Zahnrad 8 aufweist und in dieses eingreift, wodurch die Ausgleichswelle 10 mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle 4, jedoch in entgegengesetzter Richtung rotiert. Zwei außermittige Gewichte werden an den beiden Enden der Ausgleichswelle 10 getragen, von denen nur eines 14 sichtbar und das andere in das angetriebene Zahnrad 12 inkorporiert ist.
Drei Flanschwellen 16, auf denen entsprechende Planetenräder 18 rotierbar angebracht sind, ragen von einer Fläche des angetriebenen Zahnrads 12 hervor und sind gleichwinkelig um dessen Achse beabstandet. Das angetriebene Zahnrad 12 ist somit der gemeinsame Träger für die Planetenräder. Die Planetenräder 18 stehen mit der Innenverzahnung auf einem Hohlrad oder einem Außenrad 20 in Eingriff und mit der Außenverzahnung auf einem Sonnenrad 22. Das Sonnenrad 22 weist eine mittige axiale Öffnung 24 auf, durch welche die Ausgleichswelle 10 tritt. Die Welle 10 und das Sonnenrad 22 sind nicht miteinander verzahnt und können somit relativ zueinander rotieren. Das Sonnenrad 22 ist allerdings verbunden, um mit dem Rotor 23 einer integrierten Startergenerator-Einheit (ISG) zu rotieren, der von einem Außengehäuse 26 (teilweise weggebrochen dargestellt) umgeben ist und einen Stator 27 enthält. Der Stator 27 der ISG ist, wenn in Verwendung, mit der Batterie des Fahrzeuges verbunden, die vom Motor über eine Steuerung bzw. Regelung, die mit dem Motor-Managementsystem in Verbindung steht, angetrieben wird.
Das Planetengetriebe 18, 20, 22 ist angeordnet, um als Übersetzungsgetriebe zu agieren, wodurch das Sonnenrad 22 und somit der Rotor 23 der ISG in einer Geschwindigkeit, die zwischen dem 2,5- und 5-fachen der Geschwindigkeit der Ausgleichswelle 10 liegt, und in die gleiche Richtung wie Letztere rotieren. Die Größe und Position der Gewichte 14 auf der Ausgleichswelle 10 sind so gewählt, dass das zyklische Moment, das sie auf den Motor ausüben, wenn sie rotiert werden, dem primären Ungleichgewichtsmoment, das auf den Motor durch die drei Kolben ausgeübt wird, gleich und entgegengesetzt ist, wodurch sich der Motor in primärem Ausgleich befindet. Der relativ massige Rotor der ISG rotiert signifikant schneller als die Ausgleichswelle 10 und die Kurbelwelle 4 und somit gleicht er entweder die Drehmoment-Rückstoßkräfte, denen der Motor ausgesetzt ist, aus oder reduziert diese zumindest wesentlich.
Die ISG arbeitet auf die gleiche Weise wie ein konventioneller Anlasser, wenn der Motor gestartet werden soll. Wenn der Motor läuft, arbeitet die ISG auf die gleiche Weise wie eine konventionelle Lichtmaschine und liefert die elektrische Energie, die für die verschiedenen elektrischen Geräte, die Teil des Motors oder Fahrzeugs sind, notwendig ist, und die überschüssige Energie wird zum Aufladen der Batterie verwendet. Wenn die Position des Beschleunigungspedals des Fahr zeugs anzeigt, dass der Fahrer mehr Leistung wünscht als der Motor auf lange Sicht produzieren kann, schaltet das Motor-Managementsystem die Steuerung bzw. Regelung, so dass die Fahrzeugbatterie die ISG antreibt, um als Motor zu arbeiten. Seine mechanische Leistung wird der Kurbelwelle über die Ausgleichswelle und die Zahnräder 12 und 8 zugeführt, wodurch die gesamte Leistungsausgabe des Motors vorübergehend eine kurze Zeit lang erhöht wird.
Wenn erwünscht, kann ein weiteres Planetengetriebe mit dem oben beschriebenen Planetengetriebe in Reihe geschaltet vorgesehen werden, um zwischen der Ausgleichswelle und dem Rotor eine Übersetzungsgetriebeübersetzung von z. B. 15 bereitzustellen. Dies kann eine für die ISG passendere Getriebeübersetzung sein, wenn im Anlassermodus betrieben, und die ISG kann so ausgestaltet sein, dass die wesentliche Geschwindigkeit, mit der er rotiert wird, wenn in Verwendung, auch passend ist, wenn dieser im Generatormodus arbeitet.
Wie ersichtlich sein wird, ist die vorliegende Erfindung besonders auf Motoren mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern, insbesondere drei Zylinder, anwendbar, jedoch wird befunden, dass sie auch bei gewissen Motoren mit einer geraden Anzahl von Zylindern von Wert ist. Somit ist die Erfindung auf alle Reihenmotoren mit fünf oder weniger Zylindern und auf gewisse Motoren mit 12 oder weniger Zylindern, die in einer V-Konfiguration angeordnet sind, anwendbar.

Claims

Interner Verbrennungsmotor, umfassend einen oder mehrere Kolben (3), der/die mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (4) verbunden ist/sind, eine Ausgleichswelle (10), die mit der Kurbelwelle (4) verbunden ist, um dadurch mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle (4), allerdings in entgegengesetzter Richtung rotiert zu werden, wobei die Ausgleichswelle (10) gegeneinander versetzte außermittige Gewichte (14) an ihren Enden trägt, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Startergenerator-Einheit (26) vorgesehen ist, der einen Stator (27) und einen Rotor (23) aufweist, und dass der Rotor angebracht ist, um um die Achse der Ausgleichswelle (10) zu rotieren, und dieser mit der Ausgleichswelle (10) über das Übersetzungsgetriebe (18, 20, 22) verbunden ist, so dass der Rotor (23) in die gleiche Richtung wie die Ausgleichswelle (10), aber in einer wesentlich höheren Geschwindigkeit rotiert.
Motor nach Anspruch 1, wobei das Übersetzungsgetriebe ein Planetengetriebe umfasst, dessen Hohlrad (20) fixiert ist, dessen Sonnenrad (22) mit dem Rotor (23) verbunden ist, und dessen Planetenräder (18) und Träger (12) mit der Ausgleichswelle (10) verbunden sind, um dadurch rotiert zu werden.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Übersetzungsgetriebe (18, 20, 22) ein Übersetzungsverhältnis zwischen 2,5:1 und 5:1 aufweist.