DE102011080602B4

DE102011080602B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Massenausgleich

Info

Publication number: DE102011080602B4
Application number: DE102011080602.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Steiner; Stefan Quiring
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2031-08-09
Also published as: CN102927198B; DE102011080602A1; US9051991B2; CN102927198A; US20130036996A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem zu einem Kurbeltrieb gehörenden Zylinder und mindestens einer mechanisch angetriebenen Ausgleichseinheit (1) zum Ausgleich der Massenkräfte, welche mindestens ein als Unwucht dienendes und bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit (1) um eine Drehachse (5) rotierendes Ausgleichsgewicht (3) mit mindestens zwei Segmenten (3a, 3b) aufweist, die um die Drehachse (5) gegeneinander verdrehbar sind, wobei die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) schaltbar ist, wozu eine Unterbrechereinheit (6) vorgesehen ist, welche die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) im abgeschalteten Zustand vom mechanischen Antrieb (4) trennt und im zugeschalteten Zustand mit dem mechanischen Antrieb (4) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine geschaltet wird, wobei ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit (1) mit um 180° gegeneinander verdreht positionierten Segmenten (3a, 3b) beim Zuschalten der Ausgleichseinheit (1) – in einem ersten Verfahrensschritt die Ausgleichseinheit (1) beschleunigt und mit dem Kurbeltrieb synchronisiert wird, und – in einem zweiten Verfahrensschritt das als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht (3) durch Verdrehen der mindestens zwei Segmente (3a, 3b) ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem zu einem Kurbeltrieb gehörenden Zylinder und mindestens einer mechanisch angetriebenen Ausgleichseinheit zum Ausgleich der Massenkräfte, welche mindestens ein als Unwucht dienendes und bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit um eine Drehachse rotierendes Ausgleichsgewicht mit mindestens zwei Segmenten aufweist, die um die Drehachse gegeneinander verdrehbar sind, wobei die mindestens eine Ausgleichseinheit schaltbar ist, wozu eine Unterbrechereinheit vorgesehen ist, welche die mindestens eine Ausgleichseinheit im abgeschalteten Zustand vom mechanischen Antrieb trennt und im zugeschalteten Zustand mit dem mechanischen Antrieb verbindet.
Eine Brennkraftmaschine mit einer zuschaltbaren Ausgleichseinheit offenbart die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 012 682 A1 , die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 053 604 A1 , die deutsche Offenlegungsschrift DE 34 31 368 A1 , die deutsche Offenlegungsschrift DE 33 12 105 A1 , die JP H10-280973 A , FR 2 948 159 A1 und die JP 2005 226721 A .
Schwingungen erlangen bei der Konstruktion und Auslegung von Kraftfahrzeugen und Brennkraftmaschinen zunehmend an Bedeutung. Unter anderem wird versucht, das von der Brennkraftmaschine verursachte Geräusch gezielt zu beeinflussen und zu modellieren. Maßnahmen in diesem Zusammenhang werden auch unter dem Begriff Geräuschdesign bzw. Sounddesign zusammengefaßt. Motiviert werden derartige Entwicklungsarbeiten auch durch die Erkenntnis, dass die Kaufentscheidung der Kunden beim Erwerb eines Fahrzeuges nicht unwesentlich und in zunehmendem Umfang sogar maßgeblich vom Geräusch der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs mitbeeinflußt wird. So bevorzugt der Fahrer eines Sportwagens ein Fahrzeug bzw. einen Motor, dessen Geräusch den sportlichen Charakter des Fahrzeuges unterstreicht.
Im Rahmen eines Geräuschdesigns bzw. Sounddesigns werden Schwingungen kompensiert, d. h. eliminiert oder ausgelöscht, oder einzelne Schwingungen einer bestimmten Frequenz isoliert, herausgefiltert und gegebenenfalls modelliert.
Als Geräuschquellen an einem Kraftfahrzeug können unterschieden werden:

– Strömungsgeräusche,
– Geräusche durch Körperschallabstrahlung, und
– Geräusche durch Körperschalleinleitung in die Karosserie über die Motorlagerung.

Zu den Strömungsgeräuschen zählen beispielsweise das Auspuffmündungsgeräusch, das Ansauggeräusch und das Geräusch des Lüfters, wohingegen zu den Geräuschen durch Körperschallabstrahlung das eigentliche Motorgeräusch und die Abstrahlung der Auspuffanlage gehört. Die durch Stöße und Wechselkräfte zu Schwingungen angeregte Motorstruktur strahlt über ihre Motoroberflächen den Körperschall als Luftschall ab und generiert auf diese Weise das eigentliche Motorgeräusch.
Von besonderer Bedeutung für den akustischen Fahrkomfort ist die Körperschalleinleitung über die Motorlagerung, insbesondere die Körperschalleinleitung in die Fahrzeugkarosserie.
Die Brennkraftmaschine und die dazugehörigen Nebenaggregate sind schwingungsfähige Systeme, deren Schwingungsverhalten beeinflußt werden kann. Die relevantesten Bauteile mit Stoß- und Kraftanregung sind das Kurbelgehäuse, der Zylinderblock, der Zylinderkopf, der Kurbeltrieb, der Kolben und der Ventiltrieb. Diese Bauteile sind den Massen- und Gaskräften ausgesetzt. Der Kurbeltrieb umfaßt dabei insbesondere die Kurbelwelle, den Kolben, den Kolbenbolzen und die Pleuelstange und bildet das für das erfindungsgemäße Verfahren relevante schwingungsfähige System.
Die Kurbelwelle wird durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche über die an den einzelnen Kurbelzapfen angelenkten Pleuelstangen in die Kurbelwelle eingeleitet werden, zu Drehschwingungen angeregt. Diese Drehschwingungen führen sowohl zu Geräuschen durch Körperschallabstrahlung als auch zu Geräuschen durch Körperschalleinleitung in die Karosserie und in die Brennkraftmaschine. Bei Anregung der Kurbelwelle im Eigenfrequenzbereich kann es dabei zu hohen Drehschwingungsamplituden kommen, die sogar zum Dauerbruch führen können. Dies zeigt, dass die Schwingungen nicht nur in Zusammenhang mit einem Geräuschdesign von Interesse sind, sondern vielmehr auch im Hinblick auf die Festigkeit der Bauteile.
Die Drehschwingungen der Kurbelwelle werden ungewollt über den Steuertrieb bzw. Nockenwellenantrieb auf die Nockenwelle übertragen, wobei die Nockenwelle selbst auch ein schwingungsfähiges System darstellt und weitere Systeme, insbesondere den Ventiltrieb, zu Schwingungen anregen kann. Zudem werden die Schwingungen der Kurbelwelle in den Antriebsstrang eingeleitet, über welchen eine Weiterleitung bis hin zu den Reifen eines Fahrzeuges erfolgen kann.
Der Drehkraftverlauf an einer Kurbelwellenkröpfung einer Viertaktbrennkraftmaschine ist periodisch, wobei sich die Periode über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erstreckt. Üblicherweise wird der Drehkraftverlauf mittels Fourier-Analyse in seine harmonischen Anteile zerlegt, um Aussagen über die Erregung von Drehschwingungen treffen zu können. Dabei setzt sich der tatsächliche Drehkraftverlauf aus einer konstanten Drehkraft und einer Vielzahl von sich harmonisch verändernden Drehkräften zusammen, die unterschiedliche Drehkraftamplituden und Frequenzen bzw. Schwingzahlen aufweisen. Das Verhältnis der Schwingzahl n_i jeder Harmonischen zur Drehzahl n der Kurbelwelle bzw. des Motors, wird als die Ordnung i der Harmonischen bezeichnet.
Aufgrund der hohen dynamischen Belastung der Kurbelwelle durch die Massen- und Gaskräfte sind die Konstrukteure bei der Auslegung der Brennkraftmaschine bemüht, einen möglichst weitgehenden, d. h. optimierten Massenausgleich zu realisieren. Dabei werden unter dem Begriff “Massenausgleich“ sämtliche Maßnahmen zusammengefaßt, die die Wirkung der Massenkräfte nach außen kompensieren bzw. verringern. Insofern betrifft das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausgleich der Massenkräfte nicht nur die Massenkräfte als solche, sondern auch die durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente.
In diesem Zusammenhang besteht ein Lösungsansatz in der gezielten Abstimmung der Kröpfung der Kurbelwelle, der Anzahl und der Anordnung der Zylinder und der Zündfolge in der Weise, dass ein möglichst optimaler Massenausgleich erzielt wird.
Ein Sechs-Zylinder-Reihenmotor kann auf diese Weise vollständig ausgeglichen werden. Die sechs Zylinder werden paarweise in der Art zusammengefaßt, dass sie mechanisch als Zylinderpaar parallel laufen. So werden der erste und sechste Zylinder, der zweite und fünfte Zylinder und der dritte und vierte Zylinder zu einem Zylinderpaar zusammengefaßt, wobei die Kurbelwellenzapfen bzw. -kröpfungen der drei Zylinderpaare um jeweils 120° KW versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet sind. Mechanisch parallel laufend bedeutet, dass die beiden Kolben der zwei mechanisch parallel laufenden Zylinder sich bei demselben °KW (Grad Kurbelwinkel) im oberen Totpunkt (OT) bzw. unteren Totpunkt (UT) befinden. Bei Wahl einer geeigneten Zündfolge werden die Massenkräfte völlig ausgeglichen.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor lassen sich die Massenkräfte 1. Ordnung und die Massenkräfte 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge ebenfalls vollständig ausgleichen, nicht aber die Momente, welche durch die Massenkräfte hervorgerufen werden.
Ein vollständiger Massenausgleich, wie bei dem oben beschriebenen Sechs-Zylinder-Reihenmotor, ist nicht immer realisierbar, so dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, beispielsweise das Anordnen von Gegengewichten auf der Kurbelwelle und/oder die Ausstattung der Brennkraftmaschine mit mindestens einer Ausgleichswelle.
Ausgangspunkt dieser Maßnahmen ist, dass die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche sich aus den Gaskräften und Massenkräften des Kurbeltriebes zusammensetzen, belastet wird. Die Massen des Kurbeltriebes, d. h. die Einzelmassen der Pleuelstange, des Kolbens, des Kolbenbolzens und der Kolbenringe, lassen sich in eine oszillierende Ersatzmasse und eine rotierende Ersatzmasse überführen. Die Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse kann in einfacher Weise durch auf der Kurbelwelle angeordnete Gegengewichte in ihrer Außenwirkung ausgeglichen werden.
Aufwendiger gestaltet sich der Ausgleich der durch die oszillierende Ersatzmasse hervorgerufenen rotierenden Massenkraft, die sich näherungsweise aus einer Massenkraft 1. Ordnung, die mit der Motorendrehzahl umläuft, und einer Massenkraft 2. Ordnung, die mit zweifacher Motorendrehzahl umläuft, zusammensetzt, wobei Kräfte höherer Ordnung vernachlässigbar sind.
Die rotierenden Massenkräfte jeder Ordnung können nahezu ausgeglichen werden durch die Anordnung von zwei gegensinnig rotierenden mit entsprechenden Gewichten versehenen Wellen, sogenannten Ausgleichswellen. Die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung laufen dabei mit Motordrehzahl und die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 2. Ordnung mit zweifacher Motordrehzahl um.
Selbst bei einem vollständigen Ausgleich der rotierenden Massenkräfte können sich Massenmomente ergeben, da die Massenkräfte der einzelnen Zylinder in den Zylindermittelebenen wirken. Diese Massenmomente können im Einzelfall wiederum durch eine mit Gewichten ausgestattete Ausgleichwelle kompensiert werden.
Die durch die Massenkräfte 1. Ordnung beispielsweise bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor hervorgerufenen Momente lassen sich durch eine einzelne, mit Motordrehzahl gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle, an deren Enden zwei um 180° versetzt angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, kompensieren.
Das Vorsehen einer oder gegebenenfalls mehrerer Ausgleichswellen erhöht nicht nur den Raumbedarf und die Kosten, sondern auch den Kraftstoffverbrauch. Der erhöhte Kraftstoffverbrauch wird zum einen durch das zusätzliche Gewicht der Ausgleichseinheit, insbesondere der Wellen und der als Unwucht dienenden Gegengewichte, verursacht, welche das Gesamtgewicht der Antriebseinheit spürbar erhöhen. Zum anderen trägt die Ausgleichseinheit mit ihren rotierenden Wellen und anderen bewegten Bauteilen nicht unwesentlich zur Reibleistung der Brennkraftmaschine bei bzw. zur Erhöhung dieser Reibleistung. Letzterem kommt eine Relevanz insbesondere durch den Umstand zu, dass die Ausgleichseinheit immer und kontinuierlich in Betrieb ist, sobald die Brennkraftmaschine gestartet und betrieben wird. Ein Ausgleich der Massenkräfte erfolgt dabei permanent, ohne dass berücksichtigt wird, ob der momentane Betriebszustand der Brennkraftmaschine einen derartigen Massenausgleich beispielsweise aus Gründen des Geräuschdesigns überhaupt erfordert, d. h. verlangt, oder aber nicht.
So könnte auf einen Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor hervorgerufenen Momente bei höheren Motordrehzahlen verzichtet werden, da die durch die Schwingungen hervorgerufenen Geräusche nur bei niedrigen Drehzahlen und im Leerlauf als problematisch bewertet werden und nur in diesem Drehzahlbereich eine Anregung des Antriebsstranges im Bereich der Eigenfrequenz zu befürchten ist. Bei höheren Drehzahlen hingegen besteht kein Bedarf für einen Massenausgleich.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass ein Bedarf an Verfahren für einen verbesserten Massenausgleich besteht, wobei insbesondere eine geringe Reibleistung von Interesse ist.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Massenausgleich realisierbar ist, nämlich ein Massenausgleich, der sich durch eine geringere Reibleistung auszeichnet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem zu einem Kurbeltrieb gehörenden Zylinder und mindestens einer mechanisch angetriebenen Ausgleichseinheit zum Ausgleich der Massenkräfte, welche mindestens ein als Unwucht dienendes und bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit um eine Drehachse rotierendes Ausgleichsgewicht mit mindestens zwei Segmenten aufweist, die um die Drehachse gegeneinander verdrehbar sind, wobei die mindestens eine Ausgleichseinheit schaltbar ist, wozu eine Unterbrechereinheit vorgesehen ist, welche die mindestens eine Ausgleichseinheit im abgeschalteten Zustand vom mechanischen Antrieb trennt und im zugeschalteten Zustand mit dem mechanischen Antrieb verbindet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine geschaltet wird, wobei ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit mit um 180° gegeneinander verdreht positionierten Segmenten beim Zuschalten der Ausgleichseinheit

– in einem ersten Verfahrensschritt die Ausgleichseinheit beschleunigt und mit dem Kurbeltrieb synchronisiert wird, und
– in einem zweiten Verfahrensschritt das als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht durch Verdrehen der mindestens zwei Segmente ausgebildet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich zum Massenausgleich einer schaltbaren Ausgleichseinheit, die bei Bedarf aktiviert, d. h. zugeschaltet, aber bei fehlendem Bedarf auch deaktiviert, d.h. abgeschaltet, werden kann, um die Reibleistung zu vermindern.
Die mindestens eine Ausgleichseinheit wird dadurch schaltbar, dass erfindungsgemäß eine Unterbrechereinheit vorgesehen ist, die die Ausgleichseinheit, d. h. den Massenausgleich, zum Zwecke der Deaktivierung vom mechanischen Antrieb trennt. Hierzu ist der Kraftfluß zwischen der mechanisch angetriebenen Ausgleichseinheit und dem mechanischen Antrieb zu unterbrechen, beispielweise mittels einer Kupplung, welche zum Abschalten der Ausgleichseinheit geöffnet wird.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor kann auf diese Weise bei niedrigen Drehzahlen und im Leerlauf ein Massenausgleich erfolgen, wobei zu höheren Drehzahlen hin durch Abschalten der Ausgleichseinheit auf einen Massenausgleich verzichtet wird, um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht weist mindestens zwei Segmente auf, die gegeneinander um die Drehachse verdrehbar sind. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf den Zuschaltvorgang der mindestens einen Ausgleichseinheit, während dessen die Ausgleichseinheit mit dem Kurbeltrieb synchronisiert wird und die Drehzahlen der Kurbelwelle und des Ausgleichsgewichts angepasst bzw. aufeinander abgestimmt werden. Die Ausgleichsgewichte müssen dabei gegebenenfalls aus dem Stillstand beschleunigt werden. Da die Ausgleichsgewichte während des Beschleunigungsvorganges nicht synchron mit der Kurbelwelle umlaufen, wäre es nachteilig, wenn die Ausgleichsgewichte bereits ihre volle Wirkung als Unwucht entfalten. Deshalb sind die beiden das Ausgleichsgewicht bildenden Segmente zu Beginn des Zuschaltvorganges vorzugsweise um 180° gegeneinander versetzt positioniert, so dass die Segmente sich in ihrer Außenwirkung aufheben, d. h. neutralisieren. Durch Verdrehen eines der beiden Segmente wird die Unwucht erst erzeugt und das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht ausgebildet. In der Arbeitsposition weisen die beiden Segmente vorzugsweise keinen Versatz mehr auf, wozu ein Verdrehen eines Segmentes um 180° erforderlich ist.
Die Ausgleichseinheit wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine geschaltet. Da die Massenmomente und Massenkräfte mit Motordrehzahl bzw. einem Vielfachen der Motordrehzahl umlaufen und der dazugehörige Massenausgleich mit entsprechend rotierenden Ausgleichsgewichten erfolgt, steht der Massenausgleich prinzipbedingt in einem engen Verhältnis zur Motordrehzahl, weshalb auch die Drehzahl n der Brennkraftmaschine ein geeigneter Betriebsparameter zur Steuerung bzw. Regelung der Ausgleichseinheit bzw. der Unterbrechereinheit ist.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit mit um 180° gegeneinander verdreht positionierten Segmenten beim Zuschalten der Ausgleichseinheit

Das erfindungsgemäße Verfahren löst somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Massenausgleich realisierbar ist, nämlich ein Massenausgleich, der sich durch eine geringere Reibleistung auszeichnet.
Bei mechanisch angetriebenen Ausgleichseinheiten werden die verwendeten Ausgleichswellen in der Regel bzw. vorzugsweise unterhalb des Kurbelgehäuses angeordnet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mechanische Antrieb der mindestens einen Ausgleichseinheit ein Zugmitteltrieb ist.
Bei Brennkraftmaschinen werden für den Antrieb von Nebenaggregaten und dergleichen häufig Riemenantriebe oder Kettenantriebe verwendet, die üblicherweise und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Zugmitteltrieb bezeichnet werden, wobei ein Riemen bzw. eine Kette das Zugmittel darstellt.
Der Zugmitteltrieb soll unter möglichst geringen Energieverlusten und mit möglichst wenig Wartungsaufwand durch Nachspannen ein großes Drehmoment übertragen. Häufig wird dabei der Antrieb mehrerer Nebenaggregate in einem Zugmitteltrieb zusammengefaßt. Um das Zugmittel unter Spannung zu halten und damit einen möglichst sicheren und verschleißfreien Antrieb zu gewährleisten, werden häufig an geeigneter Stelle des Antriebes Spannvorrichtungen vorgesehen, welche das Zugmittel führen und quer zur Zugrichtung mit einer Kraft beaufschlagen, so dass das Antriebsmittel ständig unter Spannung steht und gehalten wird.
In Zusammenhang mit einem Massenausgleich ist es von besonderer Bedeutung, einen schlupffreien Antrieb zu gewährleisten, da die Position der Ausgleichsgewichte zur Kurbelwelle nicht beliebig ist. Diesbezüglich weist die Kette als Zugmittel gegenüber einem glatten Riemen Vorteile auf.
Auch aus diesem Grunde können Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft sein, bei denen der mechanische Antrieb der mindestens einen Ausgleichseinheit ein Zahnradantrieb ist, der einen schlupffreien Antrieb sicherstellt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Unterbrechereinheit eine Kupplung umfaßt.
Mittels Kupplung läßt sich der Kraftfluß zwischen der mechanisch angetriebenen Ausgleichseinheit und dem mechanischen Antrieb zuverlässig, nämlich durch Öffnen der Kupplung, unterbrechen.
Umfaßt die mindestens eine Ausgleichseinheit eine Welle, an deren einem freien Ende ein Antriebsrad angeordnet ist, kann zwischen dem Antriebsrad und der Welle bzw. zwischen dem Antriebsrad und den auf der Welle angeordneten Ausgleichsgewichten eine Reibkupplung vorgesehen werden.
Bei Verwendung eines Zahnradantriebs kann ein Unterbrechen des Kraftflusses auch durch Ausrücken eines der Zahnräder realisiert werden, so dass die Zahnräder sich im abgeschalteten Zustand der Ausgleichseinheit nicht mehr miteinander in Eingriff befinden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen Mittel vorgesehen sind, die beim Zuschalten dem Synchronisieren der mindestens einen Ausgleichseinheit mit dem Kurbeltrieb dienen.
Um einen Massenausgleich zu erzielen, muß das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht der Ausgleichseinheit, welches um eine Drehachse rotiert, eine konkrete, fest vorgegebene Lage zur Kurbelwelle, d. h. bezüglich des Kurbeltriebs, aufweisen. Insofern muß die Ausgleichseinheit im Rahmen des Zuschaltens mit dem Kurbeltrieb synchronisiert werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen Mittel zum Positionieren vorgesehen sind, beispielsweise ein Anschlag und/oder eine Verriegelung.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einer Motorsteuerung ausgestattet sind, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit mittels Motorsteuerung geschaltet und/oder synchronisiert wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen drei in Reihe angeordnete Zylinder vorgesehen sind.
Drei-Zylinder-Reihenmotoren haben den Vorteil, dass sich die Massenkräfte 1. Ordnung und die Massenkräfte 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge vollständig ausgleichen lassen.
Vorteilhaft sind bei Drei-Zylinder-Reihenmotoren daher auch Ausführungsformen, bei denen die Massenkräfte 1. Ordnung und 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge ausgeglichen sind.
Die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Massenmomente lassen sich durch eine einzelne, mit Motordrehzahl gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle, an deren Enden zwei um 180° versetzt angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, kompensieren.
Auch aus diesem Grunde sind bei Drei-Zylinder-Reihenmotoren Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit zwei zueinander beabstandet auf einer Welle angeordnete und um 180° versetzt positionierte Ausgleichsgewichte umfaßt, die das in der durch den innenliegenden Zylinder verlaufenden Mittelebene wirksame resultierende Massenmoment ausgleichen.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen die versetzt positionierten Ausgleichsgewichte von der Mittelebene des innenliegenden Zylinders denselben Abstand haben und eine gleichgroße Masse aufweisen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit – ausgehend von einer in Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit – abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_threshold,up überschreitet.
Die vorstehende Verfahrensvariante gestattet es, bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente bei niedrigen Drehzahlen und im Leerlauf mittels einer zugeschalteten, d. h. aktivierten Ausgleichseinheit auszugleichen, und zu höheren Drehzahlen hin, bei denen kein unmittelbarer Bedarf für einen Massenausgleich besteht, die Ausgleichseinheit bei Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl n_threshold,up zu deaktivieren.
Besonders vorteilhaft an der in Rede stehenden Variante ist, dass die Ausgleichseinheit bei hohen Drehzahlen, bei denen die Reibleistung in der Regel am höchsten ist, abgeschaltet wird, d. h. in einem Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine, in dem durch Abschalten der Ausgleichseinheit spürbar Kraftstoff eingespart werden kann.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit abgeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl n_threshold,up überschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ größer ist als diese vorgegebene Drehzahl n_threshold,up.
Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Abschalten der mindestens einen Ausgleichseinheit soll ein zu häufiges Schalten verhindern, insbesondere ein Deaktivieren der Ausgleichseinheit, wenn die Drehzahl nur kurzzeitig die vorgegebene Drehzahl überschreitet und dann wieder fällt bzw. um den vorgegebenen Wert für die Drehzahl schwankt, ohne dass das Überschreiten ein Abschalten der Ausgleichseinheit rechtfertigen würde.
Aus den zuvor genannten Gründen sind auch Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit – ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit – angeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet.
Vorteilhaft sind dabei wiederum Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens eine Ausgleichseinheit angeschaltet wird, sobald die Drehzahl n der Brennkraftmaschine die vorgegebene Drehzahl n_{threshold,down} unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ kleiner ist als diese vorgegebene Drehzahl n_{threshold,down}.
Es wird Bezug genommen auf die Ausführungen, welche in Zusammenhang mit dem Überschreiten der Drehzahl n_threshold,up und der Zeitspanne Δt₁ gemacht wurden. Die im Hinblick auf diese Verfahrensvarianten gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor ist es beispielweise vorteilhaft, die Ausgleichseinheit bei Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl n_{threshold,down} zu aktivieren, um die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente auszugleichen.
Neben dem Festlegen einer konkreten Drehzahl n_threshold,up bzw. n_{threshold,down} für das Abschalten bzw. Anschalten der Ausgleichseinheit, können auch Drehzahlbereiche vorgegeben werden, innerhalb derer die Ausgleichseinheit betrieben wird oder aber deaktiviert bleibt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 eine erste Ausführungsform einer Ausgleichseinheit,
2a in einer Seitenansicht ein Ausgleichsgewicht der in 1 dargestellten Ausführungsform einer Ausgleichseinheit in der Ruheposition, und
2b in einer Seitenansicht das in 2a dargestellte Ausgleichsgewicht in der Arbeitsposition.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Ausgleichseinheit 1. Die dargestellte Ausgleichseinheit 1 umfaßt eine Welle 2, auf der zwei zueinander beabstandete Ausgleichsgewichte 3 angeordnet sind.
Die Welle 2 weist an einem freien Ende ein Antriebsrad 4 auf, das den mechanischen Antrieb 4 mit ausbildet. Um den Kraftfluß zwischen der Ausgleichseinheit 1 bzw. den Ausgleichsgewichten 3 und dem mechanischen Antrieb 4 zu unterbrechen, ist eine Unterbrechereinheit 6 vorgesehen. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform dient eine Kupplung 6a als Unterbrechereinheit 6, wobei die Kupplung 6a zwischen dem Antriebsrad 4 und den Ausgleichsgewichten 3 angeordnet ist.
Durch Öffnen der Kupplung 6a wird der Kraftfluß zwischen dem Antriebsrad 4 und den Ausgleichsgewichten 3 unterbrochen und die Ausgleichseinheit 1 abgeschaltet. Im zugeschalteten Zustand werden die Ausgleichsgewichte 3 durch Schließen der Kupplung 6a mit dem mechanischen Antrieb 4 verbunden, so dass die Ausgleichsgewichte 3 um die Drehachse 5 rotieren können.
In 1 sind die beiden Ausgleichsgewichte 3, wie auch in 2a, in der Ruheposition dargestellt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem zu einem Kurbeltrieb gehörenden Zylinder und mindestens einer mechanisch angetriebenen Ausgleichseinheit (1) zum Ausgleich der Massenkräfte, welche mindestens ein als Unwucht dienendes und bei in Betrieb befindlicher Ausgleichseinheit (1) um eine Drehachse (5) rotierendes Ausgleichsgewicht (3) mit mindestens zwei Segmenten (3a, 3b) aufweist, die um die Drehachse (5) gegeneinander verdrehbar sind, wobei die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) schaltbar ist, wozu eine Unterbrechereinheit (6) vorgesehen ist, welche die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) im abgeschalteten Zustand vom mechanischen Antrieb (4) trennt und im zugeschalteten Zustand mit dem mechanischen Antrieb (4) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine geschaltet wird, wobei ausgehend von einer außer Betrieb befindlichen Ausgleichseinheit (1) mit um 180° gegeneinander verdreht positionierten Segmenten (3a, 3b) beim Zuschalten der Ausgleichseinheit (1) – in einem ersten Verfahrensschritt die Ausgleichseinheit (1) beschleunigt und mit dem Kurbeltrieb synchronisiert wird, und – in einem zweiten Verfahrensschritt das als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht (3) durch Verdrehen der mindestens zwei Segmente (3a, 3b) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Antrieb (4) der mindestens einen Ausgleichseinheit (1) ein Zugmitteltrieb ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Antrieb (4) der mindestens einen Ausgleichseinheit (1) ein Zahnradantrieb ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechereinheit (6) eine Kupplung (6a) umfaßt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die beim Zuschalten dem Synchronisieren der mindestens einen Ausgleichseinheit (1) mit dem Kurbeltrieb dienen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Positionieren vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) mittels Motorsteuerung geschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei in Reihe angeordnete Zylinder vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenkräfte 1. Ordnung und 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung und einer geeigneten Zündfolge ausgeglichen sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinheit (1) zwei zueinander beabstandet auf einer Welle (2) angeordnete und um 180° versetzt positionierte Ausgleichsgewichte (3) umfaßt, die das in der durch den innenliegenden Zylinder verlaufenden Mittelebene wirksame resultierende Massenmoment ausgleichen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die versetzt positionierten Ausgleichsgewichte (3) von der Mittelebene des innenliegenden Zylinders denselben Abstand haben und eine gleichgroße Masse aufweisen.