DE102012024551A1

DE102012024551A1 - Generatorsteuerung für ruhigen Betrieb mit Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102012024551A1
Application number: DE102012024551.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Pischinger; Jakob Andert
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-06-18
Also published as: US20140167423A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor aufweisend mindestens einen Zylinder, einen Generator mit einer Generatorwelle mit einem Generatorwellenzahnrad, eine Kurbelwelle mit einem Kurbelwellenzahnrad und eine Steuereinheit, welche zumindest den Generator derart steuert, dass ein Zahnflankenwechsel zwischen dem Generatorwellenzahnrad und dem Kurbelwellenzahnrad während eines gesamten Arbeitsspieles des Verbrennungsmotors vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor aufweisend mindestens einen Zylinder, einen Generator mit einer Generatorwelle, mit einem Generatorwellenzahnrad, eine Steuereinheit, welche zumindest den Generator steuert, und eine Rotationsverbindung, welche eine Kurbelwelle mit einem Kurbelwellenzahnrad des Verbrennungsmotors mit der Generatorwelle koppelt. Die Generatorwelle dreht dabei gegensinnig zur Kurbelwelle und ist parallel zur Kurbelwelle angeordnet. Die Produkte von Trägheitsmomenten und jeweiliger zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehender Komponenten heben sich zumindest annähernd gegenseitig auf.
Verbrennungsmotoren mit einem Generator gehören zum Stand der Technik. Weiterhin sind Generatoren bekannt, welche über einen Zahnriemen mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden sind. Ferner sind auch Generatoren bekannt, welche über eine Zahnradverbindung mit einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden sind. In der EP 0 847 490 B1 ist eine elektrische Maschine beschrieben, welche an der Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine angeordnet ist. Diese elektrische Maschine ist derart gesteuert, dass sie Drehmomentschwankungen entgegenwirkt, die von Lastwechseln oder von außen über ein Antriebsrad in den Antriebsstrang eingeleiteten Momentenschüben verursacht werden. Auch ist weiterhin bekannt, dass eine elektrische Maschine, welche an der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, den Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors entgegen wirkt, indem ein entgegenwirkendes Moment gegenüber der Drehmomentschwankung des Verbrennungsmotors in die Kurbelwelle eingeleitet wird. Dabei wird eine Schwingungskompensation durch die elektromagnetische Maschine aktiv betrieben.
Bei einer Anordnung des Generators auf einer zusätzlichen Welle, welche mit der Kurbelwelle über eine Rotationsverbindung verbunden ist, treten zusätzlich zu dem Drehmomentschwankungen, welche durch den Verbrennungsmotor verursacht werden, auch Geräuschemissionen auf. Diese Geräuschemissionen treten besonders bei einer niedrigen Anzahl von Zylindern des Verbrennungsmotors auf. Ist der Generator so konzipiert, dass er auch elektrische Leistung für einen Elektroantrieb eines Fahrzeuges erzeugen soll, können die Geräuschemissionen einen ruhigen Betrieb eines Fahrzeuges stören.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Verbrennungsmotor mit einem Generator zu schaffen, welcher Geräuschemissionen zwischen einem Generator und einem Verbrennungsmotor zumindest verringert.
Diese Aufgabe wird mit einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruches 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor. Insbesondere können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen wie abhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere Merkmale aus der Beschreibung ergänzt und/oder ersetzt werden. Auch können ein oder mehrere Merkmale aus jeweils verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung zu weiteren Ausbildungen der Erfindung verknüpft werden.
Es wird ein Verbrennungsmotor vorgeschlagen, welcher mindestens einen Zylinder, einen Generator mit einer Generatorwelle mit einem Generatorwellenzahnrad, eine Steuereinheit, welche zumindest den Generator steuert und eine Rotationsverbindung, welcher eine Kurbelwelle mit einem Kurbelwellenzahnrad des Verbrennungsmotors mit der Generatorwelle koppelt, aufweist. Die Generatorwelle dreht gegensinnig zur Kurbelwelle und ist parallel zur Kurbelwelle angeordnet. Die Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner mit einer rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehender Komponenten heben sich zumindest annähernd gegenseitig auf. Die Steuereinheit steuert den Generator derart, dass zumindest zwischen einem ersten Zeitpunkt vor dem Beginn der Verbrennung in einem Zylinder und einem zweiten Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung in dem Zylinder eine Zahnkraft von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt, welche das Kurbelwellenzahnrad bremst.
Der Beginn der Verbrennung in Abhängigkeit der Kurbelwinkels der Kurbelwelle ist beispielsweise in der Steuereinheit hinterlegt, vor allem für jeden einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors. Insbesondere bewirkt der Beginn der Verbrennung in einem Zylinder einen Zylinderdruckanstieg und auch ein Drehmomentanstieg an der Generatorwelle. Der Beginn der Verbrennung ist in einer Ausführungsform durch die Steuereinheit detektierbar. Zum Beispiel kann die Steuereinheit ein Signal vom Generator empfangen, welches von einer Erhöhung eines Drehmomentes an der Generatorwelle abhängt. Auch kann der Beginn der Verbrennung beispielsweise mittels eines Drucksensors im Zylinder und/oder über einen Klopfsensor detektiert werden.
Der erste Zeitpunkt vor dem Beginn der Verbrennung und auch der zweite Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung können im Zusammenhang mit der Kurbelwellendrehzahl und der Kurbelwellendrehrichtung auch einer Position der Kurbelwelle in Grad Kurbelwinkel zugeordnet werden. So ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass dem ersten Zeitpunkt eine Position der Kurbelwelle zugeordnet ist, in welcher sich die Kurbelwelle ein Grad Kurbelwinkel vor der Position befindet, bevor in dem jeweiligen Zylinder die Verbrennung beginnt. Weiterhin kann dem zweiten Zeitpunkt eine Position der Kurbelwelle zugeordnet sein, in welcher sich die Kurbelwelle in einer Position ein Grad Kurbelwinkel hinter der Position befindet, hinter dem in dem jeweiligen Zylinder die Verbrennung beginnt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung gelten mit Hinsicht auf unterschiedliche Momente die folgenden Definitionen: Eine Zahnkraft multipliziert mit einem Abstand der Zähne des Kurbelwellenzahnrades zur Kurbelwelle erzeugt ein Zahnkraftdrehmoment an der Kurbelwelle, welches im Folgenden Zahnkraftkurbelwellendrehmoment genannt wird. Entgegengesetzt zum Zahnkraftkurbelwellendrehmoment wirkt ein Kurbelwellendrehmoment von der Kurbelwelle auf das Kurbelwellenzahnrad.
Eine Zahnkraft multipliziert mit dem Abstand der Zähne des Generatorwellenzahnrades zur Generatorwelle erzeugt ein Zahnkraftdrehmoment an der Generatorwelle, welches im Folgenden Zahnkraftgeneratorwellendrehmoment genannt wird. Entgegengesetzt zum Zahnkraftgeneratorwellendrehmoment wirkt ein Generatorwellendrehmoment von der Generatorwelle auf das Generatorwellenzahnrad.
Vorzugsweise steuert die Steuereinheit den Generator derart, dass eine Orientierung des Generatorwellendrehmomentes zumindest in der Kompressionsphase eines jeweiligen Zylinders konstant ist. Im Speziellen steuert die Steuereinheit den Generator derartig, dass das Kurbelwellenzahnrad zumindest in der Kompressionsphaseaufgrund der Zahnkraft in permanentem Kontakt mit dem Generatorwellenzahnrad steht.
Durch den permanenten Kontakt gelingt es, einen Zahnflankenwechsel zumindest während der Kompresionsphase der jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Insbesondere bei einer Nutzung der Rotationsverbindung durch Zahnräder gelingt es, Geräuschemissionen durch Vermeidung von Zahnflankenwechseln zu verringern. Insbesondere bei Hybridantrieben, bei denen die Elektromaschine als Generator wie auch als Elektromotor genutzt wird, erlaubt der permanente Kontakt zumindest in der Kompressionsphase auch bei größeren Bauteilen eine Vermeidung von Geräuschemissionen. Bevorzugt ist es möglich, dass es bei einem Wechsel von Generator- zu Elektromotorbetrieb zu einem permanenten Kontakt der Zahnflanken miteinander kämmender Zahnräder der Rotationsverbindung kommt.
Der Verbrennungsmotor weist bevorzugt einen Zylinder auf. In einer weiteren Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor aber auch zwei, drei, vier, fünf, sechs, acht oder zwölf Zylinder aufweisen. Der Generator des Verbrennungsmotors ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er eine Leistung von mindestens 10 kW in ein elektrisches System einspeist. An dieses elektrische System ist bevorzugt ein Elektromotor angeschlossen, mit welchem ein Fahrzeug bewegt werden kann. In einer Weiterbildung kann dieses Fahrzeug auch mit dem Verbrennungsmotor bewegt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Generator so dimensioniert, dass er eine Leistung zwischen 1 und 10 kw oder zwischen 10 und 20 kW in das elektrische System einspeist, in einer anderen Ausführungsform 20 bis 30 kW, in einer davon verschiedenen Ausführungsform 30 bis 40 kW und in einer davon abgewandelten Ausführungsform 50 bis 100 kW in das elektrische System einspeist.
Bevorzugt wird der Verbrennungsmotor mit veränderbarer Drehzahl betrieben. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors kann dabei von einer Lastanforderung bezogen auf das Fahrzeug abhängig sein. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor bei einer Beschleunigungsfahrt des Fahrzeuges in einem Drehzahlbereich von ungefähr 3000 U/min bis 6000 U/min betrieben werden. In einer weiteren Ausbildung kann der Verbrennungsmotor bei Fahrzeugstillstand bei einer Drehzahl von ungefähr 200 U/min bis 800 U/min betrieben werden. Bei Fahrzeugstillstand kann der Verbrennungsmotor vor allem dazu benutzt werden, um das Fahrzeug zu heizen, das Fahrzeug über den Generator mit Strom zu versorgen und/oder über den Generator einen Akkumulator aufzuladen. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor auch als Notstromaggregat betrieben werden. Bei dem Betrieb des Fahrzeuges mit einer konstanten Geschwindigkeit oder annähernd konstanter Lastanforderung wird der Verbrennungsmotor bevorzugt mit einer konstanten Drehzahl betrieben, vorzugsweise bei 2000 U/min, 2300 U/min oder 2600 U/min. In einer weiteren Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor bei einer annähernd konstanten Lastanforderung in einem Drehzahlbereich zwischen 2000 U/min und 2500 U/min betrieben.
Besonders bevorzugt weist der Verbrennungsmotor genau zwei Zylinder auf. In einer speziellen Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor ein Wankelmotor.
Der Generator hat eine Generatorwelle, mit welcher der Generator angetrieben wird. Auf der Generatorwelle ist ein Generatorwellenzahnrad angeordnet, welches vorzugsweise auf die Generatorwelle aufgeschrumpft ist. Der Generator kann als Gleichstrommaschine, Asynchronmaschine oder als Synchronmaschine ausgeführt sein. Insbesondere kann der Generator eine permanenterregte oder fremderregte Synchronmaschine sein. In weiteren Ausführungsformen kann der Generator als Vollpolsynchronmaschine, Schenkelpolsynchronmaschine, permanenterregte Gleichstrommaschine, fremderregte Gleichstrommaschine oder Reihenschlussgleichstrommaschine sein. Der Generator ist mit einer Steuereinheit verbunden, welche zumindest den Generator steuert. Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit auch mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Die Steuereinheit kann auch in ein Steuergerät des Verbrennungsmotors integriert sein. Besonders bevorzugt steuert die Steuereinheit die Höhe des Leiterstroms innerhalb des Generators und/oder die Ankerdurchflutung innerhalb des Generators. Insbesondere weist der Verbrennungsmotor eine Leistungselektronik zum Steuern des Generators auf. Die Leistungselektronik weist vor allem Leistungsinverter zum Ansteuern der Spulen des Generators auf. Die Leistungsinverter können insbesondere über pulsweitenmodulierte Signale gesteuert sein, welche von der Steuereinheit an den Generator gesendet werden. Über die Leistungselektronik kann insbesondere eine hochauflösende Steuerung des Generators realisiert werden, wobei beispielsweise auf bis zu einem Grad Kurbelwinkel genau das Drehmoment gesteuert ist, welches über die Umwandlung der Rotationsenergie der Generatorwelle in elektrische Energie erzeugt wird.
Des Weiteren weist der Verbrennungsmotor eine Rotationsverbindung auf, welche eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit der Generatorwelle koppelt. Insbesondere kann die Rotationsverbindung durch ein Zusammenwirken eines Generatorwellenzahnrades mit einem Kurbelwellenzahnrad realisiert sein. Dabei berührt das Generatorwellenzahnrad das Kurbelwellenzahnrad, zumindest wenn der Verbrennungsmotor den Generator antreibt. Als eine Rotationsverbindung kann aber auch eine Generatorwelle mit einem Generatorwellenzahnrad im Zusammenspiel mit einer Kurbelwelle und einem Kurbelwellenzahnrad aufgefasst werden. Auch kann die Rotationsverbindung durch eine Kontaktfläche zwischen dem Kurbelwellenzahnrad und dem Generatorwellenzahnrad ausgeführt sein.
Die Generatorwelle dreht gegensinnig zur Kurbelwelle. Insbesondere ist die Generatorwelle durch eine einzige Zahnradverbindung mit der Kurbelwelle verbunden. Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehörige Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehender Komponenten heben sich zumindest annähernd gegenseitig auf. Dieses ist auch in der Patentanmeldung DE 10 2010 025 002 A1 beschrieben. Auf diese Patentanmeldung wird diesbezüglich im Rahmen der Offenbarung der Erfindung verwiesen.
Die Steuereinheit steuert den Generator derart, dass ein Generatorwellendrehmoment erzeugt wird, welches von der Generatorwelle auf das Generatorwellenzahnrad wirkt. Gemäß eines Ausführungsbeispiels weist die Kurbelwelle nur eine Drehrichtung auf und die Generatorwelle ebenfalls nur eine Drehrichtung. Es besteht auch die Möglichkeit, dass es eine Hauptdrehrichtung gibt und eine entgegengesetzte Drehrichtung möglich ist.
Im Folgenden wird beispielhaft ein Beispiel einer Ausgestaltung näher beleuchtet, wobei eine Übersetzung von dem Kurbelwellenzahnrad zu dem Generatorwellenzahnrad von eins angenommen wird. Das Kurbelwellendrehmoment beschleunigt hierbei über das Kurbelwellenzahnrad und das Generatorwellenzahnrad die Generatorwelle, insbesondere in der Expansionsphase eines jeden Zylinders. Die Steuereinheit steuert den Generator derart, dass das beschleunigende Kurbelwellendrehmoment durch ein Bremsmoment, welches über ein gesamtes Arbeitsspiel gemittelt unter anderem durch die Erzeugung eines elektrischen Stromes innerhalb des Generators bewirkt wird, kompensiert wird. Insbesondere steuert die Steuereinheit bei konstanter Lastanforderung bezogen auf das Fahrzeug den Generator derart, dass bei Beginn des ersten Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors die Generatordrehzahl sowie die Drehzahl des Verbrennungsmotors ungefähr gleich groß der entsprechenden Generatordrehzahl und der Drehzahl des Verbrennungsmotors am Ende des vierten Arbeitstaktes sind. Innerhalb des Arbeitsspiels ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors nicht konstant. Der Verbrennungsmotor weist innerhalb des Arbeitsspiels Drehungleichförmigkeiten auf. In einer Weiterbildung steuert die Steuereinheit den Generator derart, dass das Generatorwellendrehmoment während des gesamten Arbeitsspieles des Verbrennungsmotors vom Betrag her größer Null ist und die Orientierung des Generatorwellendrehmomentes gleichgerichtet bleibt.
In einer Weiterbildung ist der Verbrennungsmotor derart ausgeführt, dass während eines gesamten Arbeitsspieles des jeweiligen Zylinders eine Zahnkraft von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt, welche das Kurbelwellenzahnrad bremst. Die Zahnkraft erzeugt ein Generatorwellendrehmoment, welches von der Generatorwelle über das Generatorwellenzahnrad und das Kurbelwellenzahnrad auf die Kurbelwelle wirkt und diese während eines gesamten Arbeitsspieles eines Zylinders des Verbrennungsmotors bremst. Bevorzugt weist der Verbrennungsmotor ein Arbeitsspiel von vier Takten auf. Der erste Takt ist im Folgenden als Ansaugtakt, der zweite Takt als Kompressionstakt, der dritte Takt als Expansionstakt und der vierte Takt als Ausschiebetakt bezeichnet. In einer besonderen Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor auch in einem Zweitaktverfahren betrieben werden. Insbesondere bleibt der permanente Kontakt zwischen dem Kurbelwellenzahnrad und dem Generatorwellenzahnrad während aller Takte des Arbeitsspiels bestehen. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn der Generator durch die Steuereinheit derart gesteuert wird, dass in jedem Arbeitstakt die Generatorwelle die Kurbelwelle bremst. Angestrebt hierfür ist eine Orientierung des Generatorwellendrehmomentes, welche während eines gesamten Arbeitsspieles des Verbrennungsmotors gleich bleibt.
Im Folgenden wird die Steuerung der Steuereinheit, welche den Generator steuert, als Generatorsteuerung bezeichnet. Diese Generatorsteuerung bewirkt, dass während der Kompressionsphase oder während eines gesamten Arbeitsspieles eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors das Kurbelwellenzahnrad in permanentem Kontakt mit dem Generatorwellenzahnrad steht. Das Kurbelwellenzahnrad weist Kurbelwellenzahnradzähne mit einer in Drehrichtung der Kurbelwelle orientierten Vorderzahnradflanken auf. Genauso weist das Generatorwellenzahnrad Generatorwellenzahnradzähne mit einer der Drehrichtung der Generatorwelle entgegengesetzt orientierten Hinterzahnradflanke auf. Die Generatorsteuerung ist derart ausgestaltet, dass während der Kompressionsphase oder während eines gesamten Arbeitsspieles eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors das Kurbelwellenzahnrad ausschließlich einen permanenten Kontakt mit dem Generatorwellenzahnrad über eine oder mehrere Vorderzahnradflanken des Kurbelwellenzahnrades und eine oder mehrere Hinterzahnradflanken des Generatorwellenzahnrades aufweist. Dieser permanente Kontakt zwischen dem Kurbelwellenzahnrad und dem Generatorwellenzahnrad bewirkt, dass kein Anlagenwechsel beziehungsweise Zahnflankenwechsel zwischen dem Kurbelwellenzahnrad und dem Generatorwellenzahnrad während der Kompressionsphase oder während eines gesamten Arbeitsspieles eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors erfolgt.
Die Generatorsteuerung wirkt derart, dass trotz der Drehmomentschwankungen innerhalb eines Arbeitsspiels des Verbrennungsmotors, bei welchen die Orientierung des Kurbelwellendrehmomentes das Vorzeichen wechseln kann, das Generatorwellendrehmoment permanent während der Kompressionsphase oder während eines gesamten Arbeitsspieles eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors das Kurbelwellenzahnrad über das Generatorwellenzahnrad bremst. Hierbei kann die Bremsung derart erfolgen, dass das Kurbelwellenzahnrad, jedoch nicht das Generatorwellenzahnrad gebremst wird. Auch kann vorgesehen sein, dass bei der Bremsung das Kurbelwellenzahnrad und das Generatorwellenzahnrad gebremst wird.
Die Generatorsteuerung berücksichtigt beispielsweise, dass sich das Zahnkraftkurbelwellendrehmoment aufgrund der Trägheit des Kurbelwellenzahnrades sich von dem Kurbelwellendrehmoment unterscheidet. Des Weiteren kann die Generatorsteuerung gemäß einer Weiterbildung berücksichtigen, dass sich das Zahnkraftgeneratorwellendrehmoment aufgrund der Trägheit des Generatorwellenzahnrades sich von dem Generatorwellendrehmoment unterscheidet. In einer weiteren Ausführungsform können sowohl das Kurbelwellenzahnrad und/oder das Generatorwellenzahnrad als Schwungmassen wirken, um ein permanentes Bremsen des Kurbelwellenzahnrades durch das Generatorwellenzahnrad zumindest während eines Teils der Kompressionsphase bzw. während des gesamten Arbeitsspieles eines jeden Zylinders zu erzeugen. Dies kann ebenfalls über die Generatorsteuerung gesteuert werden.
Insbesondere ist die Generatorsteuerung derart ausgestaltet, dass der Verlauf des Betrages der Zahnkraft während einer Kompressionsphase in einem der Zylinder des Verbrennungsmotors ein lokales Maximum hat. Während eines Kompressionstaktes wird die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors durch den Kompressionsdruck in einem Zylinder gebremst. Dadurch verringert sich die Drehzahl der Kurbelwelle innerhalb des Kompressionstaktes. Die Generatorsteuerung steuert den Generator aber derart, dass die Kurbelwelle während des Kompressionstaktes zusätzlich durch die Generatorwelle gebremst wird. Bevorzugt ist die Bremsung der Generatorwelle durch die Generatorsteuerung innerhalb des Kompressionstaktes eines jeden Zylinders vom Betrag her maximal. Bevorzugt ist der Verlauf des Betrages der Zahnkraft über pulsweitenmodulierte Signale der Steuerung gesteuert. Beispielsweise kann der Verlauf des Betrages der Zahnkraft eine Rechteckfunktion sein. In einer Ausführungsform ist der Betrag der Zahnkraft vor der Kompressions annähernd Null und steigt mit Beginn der Kompressionsphase eines jeden Zylinders sprunghaft auf den Maximalwert an. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass kurz nach der Kompressionsphase der Betrag der Zahnkraft sprunghaft von dem Maximalwert auf einen Wert von annähernd Null abfällt. Auch ein Abfall der Zahnkraft auf einen Wert zwischen dem Maximalwert und Null ist möglich. Dabei kann der Verlauf des Betrages der Zahnkraft innerhalb des Arbeitsspieles mithilfe von Rechtecken dargestellt werden, falls der Verbrennungsmotor nur einen einzigen Zylinder aufweist. Bevorzugt ist der Verlauf des Betrages der Zahnkraft mit einer Anzahl von Rechtecken darstellbar, welche auch der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors entspricht.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor derart gestaltet, dass der Generator während eines gesamten Arbeitsspieles des Verbrennungsmotors eine Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie ausführt. Insbesondere wird der Generator während des Expansionstaktes des Verbrennungsmotors beschleunigt. Dabei wirkt ein Kurbelwellendrehmoment auf die Generatorwelle. Dieses Kurbelwellendrehmoment beschleunigt einerseits die Generatorwelle und wirkt andererseits auch einem Umwandlungsdrehmoment entgegen, welches durch die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie vom Generator erzeugt wird. Bevorzugt wird zusätzlich zum Kompressionstakt die Generatorwelle durch das Umwandlungsdrehmoment auch während des Ansaugtaktes, des Kompressionstaktes und des Ausschiebetaktes des Verbrennungsmotors gebremst.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Generatorsteuerung gezielt für einen, zwei oder drei Takte ein Bremsen aktiv steuert beziehungsweise regelt, während sie dieser für einen, zwei oder drei Takte des Arbeitsspiels dieses nicht aktiv regelt beziehungsweise steuert. Beispielsweise können Trägheitsmomente ausgenutzt werden, die ein Bremsen durch den Generator in einem Takt ermöglichen und die die Generatorsteuerung berücksichtigt. Insbesondere kann der Generator während der Expansionsphase eines jeden Zylinders von der Generatorsteuerung abgeschaltet werden.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass ein permanenter Kontakt der miteinander kämmenden Zahnräder nur in einem bestimmten Drehzahlbereich vorgesehen ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei stationärem oder quasi-stationärem Betrieb die permanente Kontaktierung während eines Arbeitsspiels oder zumindest in der Kompressionsphase eines jeden Zylinders vollständig ist, hingegen bis zu einem Erreichen dieses Betriebes, zum Beispiel beim Beschleunigen oder Abbremsen, dieses nur unvollständig der Fall ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor derart gestaltet, dass er zwei Zylinder aufweist. Der Betrag des Generatorwellendrehmomentes weist in dieser Ausführungsform bevorzugt ein erstes lokales Maximum während des Kompressionstaktes des ersten Zylinders und ein zweites lokales Maximum während des Kompressionstaktes des zweiten Zylinders auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Kurbelwellenzahnrad eine Anzahl von Zähnen auf, welche gleich der Anzahl der Zähne des Generatorwellenzahnrades ist. Daraus ergibt sich, dass die Drehzahl der Kurbelwelle während des Betriebes des Verbrennungsmotors gleich der Drehzahl der Generatorwelle ist. Eine andere Ausführungsform sieht ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Kurbelwellenzahnrad und dem Generatorwellenzahnrad mit einem Wert zwischen 0,7 und 1,5 vor. Eine spezielle Ausbildung sieht vor, dass die Anzahl der Zähne des Generatorwellenzahnrades nur um eins, zwei oder drei von der Anszahl der Zähne des Kurbelwellenzahnrades abweicht. Eine derartig geringe Abweichung bewirkt ein Übersetzungsverhältnis von nahezu eins und auch, dass sich innerhalb von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle sich nicht diesselben Zähne von Kurbelwellenzahnrad und Generatorwellenzahnrad einander wiederholt berühren.
Eine Weiterbildung sieht einen Verbrennungsmotor vor, bei welchem vor dem Beginn der Verbrennung eines jeweiligen Zylinders eine Zahnkraft von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt. Insbesondere wird bei dieser Ausführung vermieden, dass zu dem Schlag, welcher durch den Beginn der Verbrennung in jedem Zylinder erzeugt wird, ein weiterer Schlag erzeugt wird, welcher durch einen Zahnflankenwechsel zwischen dem Kurbelwellenzahnrad und dem Generatorwellenzahnrad verursacht wird. Insbesondere ist über die Zahnkraft ein permanenter Kontakt zwischen dem Generatorwellenzahnrad und dem Kurbelwellenzahnrad bewirkt, während sich die Kurbelwelle zwischen einer ersten Kurbelwellenposition von zumindest einem Grad Kurbelwinkel vor dem Einsetzen der Verbrennung und einer zweiten Kubelwellenposition von zumindest einem Grad Kurbelwinkel nach dem Einsetzen der Verbrennung befindet. In einer besonderen Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor derart betrieben, dass in einem ersten Schritt über eine Messung der Spannung und/oder des Stromes, welche bzw. welcher durch den Generator erzeugt wird, detektiert wird, an welcher Position der Kurbelwelle die Verbrennung innerhalb eines jeden Zylinders einsetzt bzw. ein Zahnflankenwechsel innerhalb der Kompressionsphase eines jeden Zylinders erfolgt. Diese Position wird im Folgenden theoretische Zahnflankenwechselposition der Kurbelwelle genannt. In einem zweiten Schritt wird nach dem Detektieren der theoretischen Zahnflankenwechselposition der Kurbelwelle der Generator derart gesteuert, dass zumindest ein Grad Kurbelwinkel vor dieser Position der tatsächliche Zahnflankenwechsel erfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Verbrennungsmotor einen Kurbelwellenpositionssensor auf. Beispielsweise ist in der Steuereinheit ein Modell zur Erkennung der Kurbelwellenposition implementiert. Die Zahnkraft ist bevorzugt in Abhängigkeit der Kurbelwellenposition gesteuert und/oder geregelt. Dabei kann der Kurbelwellenpositionssensor als Magnetsensor, als Lichtschrankensensor oder als mechanischer Sensor ausgeführt sein. In einer Weiterbildung wird innerhalb der Steuereinheit ein oberer und/oder ein unterer Totpunkt eines Kolbens des Verbrennungsmotors erkannt und unmittelbar ein entsprechendes Kurbelwellenpositionssignal an die Steuereinheit weitergegeben. Bevorzugt wird der obere Totpunkt des Zylinders, welcher am nächsten zu dem Steuertrieb des Verbrennungsmotors positioniert ist, durch den Kurbelwellenpositionssensor erkannt.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Modell zur Beschleunigungsmessung der Generatorwelle verwendet. Das Maximum der Beschleunigung der Generatorwelle tritt bei den jeweiligen Druckmaxima der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors auf. Bevorzugt ist ein Teil des Kurbelwellenpositionssensors an der Kurbelwelle befestigt. Auch kann eine Markierung in Form einer Farbgebung an einer bestimmten Stelle der Kurbelwelle ein Teil des Kurbelwellenpositionssensors sein.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Generators vorgeschlagen, welcher mit einem Verbrennungsmotor, welcher mindestens einen Zylinder aufweist, über eine Rotationsverbindung gekoppelt ist. Weiterhin weist der Generator eine Generatorwelle auf, wobei die Generatorwelle gegensinnig zu einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors dreht und parallel zur Kurbelwelle angeordnet ist. Die Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehender Komponenten heben sich zumindest annähernd gegenseitig auf. Das Verfahren sieht vor, dass der Generator mithilfe einer Steuereinheit derart gesteuert wird, dass zwischen einem Zeitpunkt vor dem Beginn der Verbrennung in einem Zylinder und einem Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung eine Zahnkraft von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt, welche das Kurbelwellenzahnrad bremst.
Bevorzugt wird das Verfahren bei dem oben beschriebenen Verbrennungsmotor eingesetzt. Insbesondere sieht dieses Verfahren vor, dass der Generator während des Expansionstaktes des Verbrennungsmotors beschleunigt wird. In dem Expansionstakt wirkt aufgrund der Beschleunigung der Generatorwelle ein entgegengesetztes, bremsendes Generatorwellendrehmoment von der Generatorwelle über das Generatorwellenzahnrad und das Kurbelwellenzahnrad auf die Kurbelwelle. Während den anderen Takten, dem Ansaugtakt, dem Kompressionstakt und/oder dem Ausschiebetakt, wird die beschleunigte Masse der Generatorwelle und aller mit der Generatorwelle verbundenen drehenden Komponenten bevorzugt durch ein Umwandlungsdrehmoment abgebremst. Das Umwandlungsdrehmoment wird durch die Umwandlung von rotatorischer Energie der Generatorwelle in elektrische Energie mithilfe des Generators erzeugt. Dieses Umwandlungsmoment bremst einerseits die rotierenden Massen der Generatorwelle und andererseits die sich drehenden Bauteile des Generators, welche mit der Generatorwelle rotatorisch verbunden sind und somit auch die Kurbelwelle. Das Umwandlungsmoment wirkt bei diesem Verfahren derart, dass es die Generatorwelle und auch die Kurbelwelle während des Ansaugtaktes, des Kompressionstaktes und/oder des Ausschiebetaktes bremst.
Während des Expansionstaktes wird die Kurbelwelle bevorzugt durch die Massenträgheit der Generatorwelle gebremst. Das Umwandlungsmoment ist während des Expansionstaktes um ein Vielfaches kleiner, bevorzugt um ein Zehnfaches, in einer besonderen Form um ein Zwanzigfaches oder kann vom Betrag her auch Null sein. Ein Umwandlungsmoment ist bei diesem Verfahren während des Expansionstakts niedriger als während des Kompressionstaktes.
Die Winkelgeschwindigkeit der Generatorwelle ist im Folgenden positiv mit der Drehrichtung der Generatorwelle beim Betrieb des Verbrennungsmotors definiert.
Beispielsweise ergibt die Differenz aus der Summe der Reibmomente, welche durch die bewegten Teile des Generators hervorgerufen werden und an der Generatorwelle wirken, und dem Umwandlungsdrehmoment und der Summe aus dem Produkt des Trägheitsmomentes der Generatorwelle und der Winkelbeschleunigung der Generatorwelle das Generatorwellendrehmoment. In einer besonderen Ausführungsform ist das Generatorwellendrehmoment stets größer Null, vorzugsweise während des Ansaugtaktes, des Kompressionstaktes, des Expansionstaktes und des Ausschiebetaktes. In einer speziellen Ausführungsform steuert die Steuereinheit den Generator derart, dass auch ein Umwandlungsdrehmoment während des Expansionstaktes erzeugt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem über dem gesamten Arbeitsspiel eines jeweiligen Zylinders eine bremsende Zahnkraft von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt. Die bremsende Zahnkraft erzeugt einen über dem gesamten Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors permanenten Anpressdruck von Zahnflanken eines Generatorwellenzahnrades der Generatorwelle auf Zahnflanken des Kurbelwellenzahnrades der Kurbelwelle erzeugt. Weiterhin kann bei diesem Verfahren während des Betriebs des Verbrennungsmotors eine permanente Vorspannung der Zahnflanken des Generatorwellenzahnrades und des Kurbelwellenzahnrades erreicht werden. Insbesondere wird bei diesem Verfahren erreicht, dass ein direkter Kontakt des Kurbelwellenzahnrades mit dem Generatorwellenzahnrad ausschließlich über ein oder mehrere Vorderzahnradflanken des Kurbelwellenzahnrades und ein oder mehrere Hinterzahnradflanken des Generatorwellenzahnrades realisiert ist.
Die Vorderzahnradflanken sind Zahnflanken der Kurbelwellenzahnradzähne, welche in Drehrichtung der Kurbelwelle orientiert sind. Die Flächen der Vorderzahnflanken weisen jeweils eine Vorderzahnradflankennormale auf. Die Vorderzahnradflankennormalen können durch eine orthogonale Vektorzerlegung in zwei aufeinander senkrecht stehende Vektoren zerlegt werden. Es ist zumindest eine orthogonale Vektorzerlegung der Vorderzahnflankennormalen möglich, bei welcher ein Vektor in die Drehrichtung der Kurbelwelle zeigt.
In Anlehnung daran weist das Generatorwellenzahnrad Generatorwellenradzähne auf, welche eine Hinterzahnradflanken haben, die wiederum jeweils eine Hinterzahnradflankennormale aufweisen. Diese Hinterzahnradflankennormalen können durch eine orthogonale Vektorzerlegung in zwei aufeinander senkrecht stehende Vektoren zerlegt werden. Es ist zumindest eine orthogonale Vektorzerlegung der Hinterzahnflankennormalen möglich ist, bei welcher ein Vektor der Drehrichtung der Generatorwelle entgegen zeigt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest zwischen einem ersten Zeitpunkt vor dem Beginn der Verbrennung in einem Zylinder und einem zweiten Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung in dem Zylinder ein direkter Kontakt des Kurbelwellenzahnrades mit dem Generatorwellenzahnrad ausschließlich über ein oder mehrere Vorderzahnradflanken des Kurbelwellenzahnrades und ein oder mehrere Hinterzahnradflanken des Generatorwellenzahnrades realisiert ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem die Drehzahl des Verbrennungsmotors annähernd konstant gehalten wird. Dabei ist der Begriff annähernd konstant so aufzufassen, dass die Drehzahl am Anfang des ersten Arbeitstaktes ungefähr gleich groß wie die Drehzahl am Ende des vierten Arbeitstaktes ist. Bei annähernd konstanter Drehzahl variiert jedoch innerhalb der Arbeitstakte des Verbrennungsmotors die Drehzahl geringfügig. So wird bei der Kompressionstakt die Drehzahl des Verbrennungsmotors reduziert und während der Expansionstakt die Drehzahl des Verbrennungsmotors erhöht. Von einem ersten Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors zu einem zweiten darauffolgenden Arbeitsspiels des Verbrennungsmotors ist die Drehzahl am Anfang des ersten Arbeitsspieles ungefähr genauso groß wie am Anfang des zweiten Arbeitsspieles.
Im Weiteren ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem der Verlauf der Zahnkraft derart durch die Steuereinheit gesteuert wird, dass der Verlauf der Zahnkraft in einer Kompressionsphase eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors vom Betrag her ein lokales Maximum aufweist. Insbesondere steuert die Steuereinheit ein Umwandlungsmoment, welches die Generatorwelle bremst. Insbesondere ist dieses Umwandlungsmoment während der Kompressionsphase eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors am stärksten.
In einer Weiterbildung steuert die Steuereinheit das Generatorwellendrehmoment, welches sich aus der Differenz aus dem Umwandlungsdrehmoment und der Summe aus dem Produkt des Trägheitsmomentes der Generatorwelle und der Winkelbeschleunigung der Generatorwelle und den Drehmomenten, welche durch die Reibung verursacht werden, ergibt. Insbesondere weist dieses Generatorwellendrehmoment während eines Kompressionstakts eines ersten Zylinders des Verbrennungsmotors vom Betrag her ein lokales Maximum auf. In einer Weiterbildung weist dieses Generatorwellendrehmoment während eines Kompressionstakts eines jeden Zylinders des Verbrennungsmotors vom Betrag mehrere lokale Maxima auf.
In einer Weiterbildung ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem ein Verlauf der Zahnkraft derart durch die Steuereinheit gesteuert wird, dass das Generatorwellendrehmoment während eines Kompressionstakts eines zweiten Zylinders des Verbrennungsmotors vom Betrag her ein lokales Maximum aufweist. Der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes ergibt sich durch den funktionellen Zusammenhang des Generatorwellendrehmomentes in Abhängigkeit des Kurbelwinkels der Kurbelwelle. Insbesondere ist ein periodischer Verlauf des Generatorwellendrehmomentes vorgesehen, welcher eine Periodizität von 720° Kurbelwellenwinkel hat. Dies bedeutet, dass sich nach zwei Umdrehungen der Kurbelwelle beziehungsweise nach jedem Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes wiederholt. Der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes weist bei einem einzigen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine vom Betrag her ein einziges lokales beziehungsweise globales Extremum auf. Weist der Verbrennungsmotor zwei Zylinder auf, so sind vom Betrag her zwei lokale Maxima des Verlaufes des Generatorwellendrehmomentes vorgesehen. Die vom Betrag her lokalen Maxima treten insbesondere während den Kompressionstakten der jeweiligen Zylinder auf. Bei einem 2-Takt-Verbrennungsmotor weist vorzugsweise eine Zahnkraft, welche von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt, und/oder das Generatorwellendrehmoment eine Periodizität von 360° Kurbelwellenwinkel auf. Ist der Verbrennungsmotor als Wankelmotor vorgesehen, so weist eine Zahnkraft, welche von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt, und/oder das Generatorwellendrehmoment bevorzugt eine Periodizität von 360° Kurbelwellenwinkel auf. Hat der Wankelmotor drei Kammern, so weist der Betrag eines Verlaufes des Generatorwellendrehmomentes bevorzugt drei lokale Maxima auf.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem eine Position der Kurbelwelle ermittelt wird. Insbesondere wird bei einem Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Generatorwelle, welches ungleich eins ist, eine Position der Kurbelwelle ermittelt. Eine Ermittlung der Kurbelwellenposition erfolgt insbesondere durch das Steuergerät. Das Steuergerät ist bevorzugt auch mit einem Motorsteuergerät verbunden. Über das Motorsteuergerät kann dem Steuergerät die Position der Kurbelwelle mitgeteilt werden.
In einer Weiterbildung ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem die Position der Kurbelwelle mithilfe eines Kurbelwellensensors und der Steuereinheit ermittelt wird. In einer Ausgestaltung generiert der Kurbelwellensensor ein Sensorsignal, wenn eine Markierung, welche an der Kurbelwelle angeordnet ist, den Kurbelwellensensor passiert. Dieses Sensorsignal kann durch einen optischen Effekt ausgelöst werden, zum Beispiel durch eine Lichtschranke. Des Weiteren kann dieses Sensorsignal auch durch einen magnetischen Effekt ausgelöst werden, zum Beispiel durch einen Magneten. Dieses Sensorsignal wird vom Kurbelwellensensor an die Steuereinheit weitergegeben. Die Steuereinheit ordnet bevorzugt zu dem Zeitpunkt, zu dem sie das Sensorsignal empfängt, der Kurbelwelle einen bestimmten Ort zu diesem Zeitpunkt zu. Vorzugsweise ordnet sie zu diesem Zeitpunkt des Empfangs des Sensorsignals der Kurbelwelle einen Ort zu, welcher dem Ort eines unteren Totpunktes eines ersten Zylinders des Verbrennungsmotors entspricht. In einer weiteren Ausgestaltung wird bei dem Empfangen dieses Sensorsignals eine Reset-Funktion ausgelöst. Diese Reset-Funktion stellt sicher, dass der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes an den vorherrschenden Arbeitstakt des Verbrennungsmotors angepasst wird, und dass insbesondere der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes während des Kompressionstaktes des Verbrennungsmotors eines Zylinders ein vom Betrag her lokales Maximum aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann während der Kurbelwinkelbereiche, bei welchen eine Kompression in einem Zylinder des Verbrennungsmotors abläuft, der Generator derart durch die Steuereinheit gesteuert werden, dass in diesen Kurbelwinkelbereichen ein konstantes Umwandlungsdrehmoment erzeugt wird.
In einer Weiterbildung ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem die Position der Kurbelwelle in Abhängigkeit einer Beschleunigung der Generatorwelle ermittelt wird. Die Beschleunigung der Generatorwelle kann mithilfe eines Signales eines Drehzahlsensors, der ersten Ableitung und oder der zweiten Ableitung dieses Signales bestimmt werden. Andererseits kann die Beschleunigung der Generatorwelle durch den durch den Generator erzeugten Stromfluss, welcher sich je nach Drehzahl der Generatorwelle ändert, detektiert werden. So kann über die Ermittlung der Beschleunigung der Generatorwelle mithilfe des Steuergerätes der untere und/oder der obere Totpunkt der Kurbelwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelt werden.
Im Weiteren wird ein Verfahren vorgesehen, bei welchem die Position der Kurbelwelle in Abhängigkeit einer maximalen Beschleunigung der Generatorwelle ermittelt wird. Dabei wird ein Modell verwendet, welches die Kurbelwellenposition in Abhängigkeit der maximalen Beschleunigung der Generatorwelle ermittelt. Das Maximum der Beschleunigung tritt während dem maximalen Drehmoment des Verbrennungsmotors auf. Kurbelwinkel des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors liegt immer in einem bestimmten Bereich zwischen dem oberen Totpunkt der Verbrennung und dem unteren Totpunkt. Dedektiert das Steuergerät ein maximales Drehmoment, so kann es der Position der Kurbelwelle einen Kurbelwinkelbereich zuordnen, welcher dem Kurbelwinkelbereich des Expansionstaktes des Verbrennungsmotors entspricht. Besonders bevorzugt wird bei diesem Modell zusätzlich die Drehzahl der Generatorwelle erfasst. Dies kann mit einem Drehzahlsensor erfolgen. Auch kann über ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und der Generatorwelle über einen Drehzahlsensor des Verbrennungsmotors die Drehzahl des Generators ermittelt werden. Über die Ermittlung der maximalen Beschleunigung der Generatorwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt und der Ermittlung der Drehzahl der Generatorwelle zu demselben Zeitpunkt kann das Steuergerät eine Änderung des Generatorwellendrehmomentes initiieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird mit einer bestimmten fest vorgegebenen, von der Drehzahl des Generators abhängigen Verzögerungszeit das Generatorwellendrehmoment in einer Sprungfunktion erhöht. In einer weiteren Ausbildung wird das Generatorwellendrehmoment derart erhöht, dass der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes über dem gesamten Kurbelwinkelbereich während eines Arbeitsspieles des Verbrennungsmotors stetig differenzierbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem eine Drehzahlschwankung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors während eines Arbeitspiels des Verbrennungsmotors durch eine Steuerung der Zahnkraft zumindest teilweise verstärkt wird. Insbesondere eine Steuerung eines Generatorwellendrehmomentes, bei welchem während des Kompressionstakts des Verbrennungsmotors das Generatorwellendrehmoment maximal wird, bewirkt eine Verstärkung der Drehzahlschwankung des Verbrennungsmotors, insbesondere an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Wie der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes gesteuert wird kann insbesondere auch von einer Lastanforderung bezogen auf das Fahrzeug und/oder von der Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängen. Bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem in Abhängigkeit der Drehzahl des Verbrennungsmotors der Verlauf des Generatorwellendrehmomentes innerhalb eines Arbeitsspiels des Verbrennungsmotors gesteuert ist. Das oben beschriebene Verfahren, bei welchem die Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle verstärkt werden steht dem in der EP 0 847 490 B1 beschriebenen Verfahren gegenüber. Darin ist eine elektrische Maschine beschrieben, welche an der Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine angeordnet ist. Diese elektrische Maschine ist derart gesteuert, dass sie Drehmomentschwankungen entgegenwirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor einen Massenausgleich auf. Ein Massenausgleich kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass die Produkte von Trägheitsmomenten jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehender Komponenten sich zumindest annähernd gegenseitig aufheben. Durch einen derartigen Massenausgleich werden die Drehzahlschwankungen des Verbrennungsmotors nicht außerhalb eines Bereiches geleitet, welcher den Verbrennungsmotor und den Generator umfasst. Vorzugsweise ist dieser Bereich ein Gehäuse, innerhalb welchem der Verbrennungsmotor und der Generator angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Verwendung eines vorgeschlagenen Verbrennungsmotors als Range-Extender in einem Fahrzeug vorgesehen. Bei der Verwendung dieses Verbrennungsmotors als Range-Extender weist die Kurbelwelle bevorzugt eine einzige mechanische rotatorische Verbindung zu einem Bauteil außerhalb des Verbrennungsmotors auf. Diese einzige Verbindung verbindet die Generatorwelle mit der Kurbelwelle. Insbesondere ist in dieser Ausführungsform der Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern ausgeführt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die folgenden Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Generator. Die aus den einzelnen Figuren hervorgehenden Einzelheiten und Merkmale sind jedoch nicht auf diese jeweilige Figur beziehungsweise das Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können ein oder mehr Merkmale mit einem oder mehr Merkmalen aus verschiedenen Figuren wie auch mit aus der obigen Beschreibung hervorgehenden Merkmalen zu neuen Ausgestaltungen verknüpft werden. Insbesondere dienen die nachfolgenden Ausführungen nicht als Beschränkungen des jeweiligen Schutzbereiches, sondern erläutern einzelne Merkmale sowie ihr mögliches Zusammenwirken untereinander. Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht eines Motors mit einer Kurbelwelle und einem Generator mit einer Generatorwelle;
2: einen Drehmomentverlauf eines Generators und eines Verbrennungsmotors aufgetragen über der Kurbelwinkelposition der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors;
3: einen Drehzahlverlauf der Generatorwelle aufgetragen über der Kurbelwellenposition der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem ersten Zylinder 2 und einem zweiten Zylinder 10. Des Weiteren ist ein Generator 3 mit einer Generatorwelle 4 mit einem Generatorwellenzahnrad 5 und einer Steuereinheit 6, welche zumindest den Generator 3 steuert, und eine Rotationsverbindung 7 in 1 gezeigt. Die Kurbelwelle 8 ist mit einem Kurbelwellenzahnrad 9 mit der Generatorwelle 4 über das Generatorwellenzahnrad 5 gekoppelt. Die Steuereinheit 6 steuert den Generator 3 derart, dass das Kurbelwellenzahnrad 9 während des Betriebes des Verbrennungsmotors 1 permanent mit dem Generatorwellenzahnrad 5 in Eingriff steht. Der permanente Kontakt zwischen dem Kurbelwellenzahnrad 9 und dem Generatorwellenzahnrad 5 wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Steuergerät 6 den Generator derart steuert, dass während des Kompressionstaktes im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 ein Umwandlungsmoment innerhalb des Generators erzeugt wird, welches auf die Generatorwelle 4 und über das Generatorwellenzahnrad 5 und das Kurbelwellenzahnrad 9 auf die Kurbelwelle 8 bremsend wirkt. Auch während dem Ansaugtakt, dem Expansionstakt und dem Ausschiebetakt steuert das Steuergerät 6 den Generator 3 bevorzugt so, dass die Generatorwelle durch das Umwandlungsmoment gebremst wird. Bevorzugt weist der Verbrennungsmotor 1 einen Kurbelwellenpositionssensor 40 auf, mit welchem das Steuergerät 6 die Kurbelwellenposition ermitteln kann. Der Kurbelwellenpositionssensor 40 ist mit dem Steuergerät 6 verbunden.
2 zeigt einen Kurbelwellendrehmomentverlauf 11 eines 1-Zylinder-Verbrennungsmotors, welcher durch den Zylinderinnendruck hervorgerufen wird. Der Kurbelwinkelbereich des negativen Kurbelwellendrehmomentverlaufes zwischen einem Kurbelwinkel von –90° und 0° entsteht während des Verdichtungstakts durch den Kompressionsdruck, der über den Kolben und die Pleuelstange an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen wird. Auch für den Ladungswechsel innerhalb des Verbrennungsmotors muss Energie aufgewandt werden, was ein negatives Kurbelwellendrehmoment bewirkt. Bei der Verwendung mehrerer Zylinder addieren sich die jeweiligen Kurbelwellendrehmomentverläufe und der Effekt eines schwankenden Kurbelwellendrehmomentes an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors kann vermindert werden. Die Anwendung des Verbrennungsmotors mit einem Generator zum Beispiel als Range-Extender in einem Fahrzeug sieht jedoch in der Regel vor, geringe Zylinderzahlen zu verwenden, insbesondere nur zwei Zylinder. Bei zwei Zylindern würde sich ein Kurbelwellendrehmomentverlauf an der Kurbelwelle ergeben, welcher sich aus der Summe zwischen einem Kurbelwellendrehmomentverlauf 11, wie er in 2 dargestellt ist, und einem weiteren Kurbelwellendrehmomentverlauf, welcher entlang der X-Achse in 2 um 360° Kurbelwinkel nach links verschoben ist, ergibt. Der dargestellte Generatorwellendrehmomentverlauf 12 in 2 entspricht einer Ausführung, bei welcher der Verbrennungsmotor mit einem einzigen Zylinder ausgeführt ist. Entsprechend weist der Betrag des Generatorwellendrehmomentverlaufes 12 ein Maximum auf, welches sich zwischen –90° und 0° Kurbelwinkel der Kurbelwelle befindet. Dieser Bereich entspricht dem Bereich, in welchem der Kompressionstakt des Zylinders des Verbrennungsmotors abläuft.
3 zeigt einen Drehzahlverlauf 13 der Kurbelwelle entsprechend zu dem Generatorwellendrehmomentverlauf 12. Entsprechend dem betraglichen Maximum des Generatorwellendrehmomentverlaufes 12 weist die Steigung des Drehzahlverlaufes 13 ein Minimum auf. Das Minimum des Drehzahlveraufes 13 wird bevorzugt dann erreicht, wenn der Kurbelwellendrehmomentverlauf 11 in der Kompressionsphase einen Wert von Null erreicht. Zur Übertragung eines Drehmomentes von der Kurbelwelle auf die Generatorwelle bzw. von der Generatorwelle auf die Kurbelwelle sind in einer speziellen Ausführungsform Zahnräder vorgesehen, welche ein Splitgear aufweisen.
4 zeigt einen durch die Zylinderinnendrücke hervorgerufenen Drehmomentverlauf 14 an einer Kurbelwelle wie er sich bei einem V2-Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern mit einem Bankwinkel der Zylinder von 90° ergibt. Auf der vertikalen Achse 16 ist das Kurbelwellendrehmoment an der Kurbelwelle dargestellt. Die horizontale Achse 15 bezeichnet die Position der Kurbelwelle in Grad Kurbelwinkel. Die Positionen der Kurbelwelle, an denen die jeweiligen maximalen Zylinderdrücke auftreten, sind um circa 440 Grad Kurbelwinkel zueinander versetzt. Der Generatordrehmomentverlauf an der Generatorwelle, welcher durch den Generator hervorgerufen wird ist durch den Generatorwellendrehmomentverlauf 17 dargestellt. Das Integral des Kurbelwellendrehmomentverlaufes 14 über der horizontalen Achse 15 entspricht vom Betrag her dem Integral des Generatorwellendrehmomentverlaufes 17 über der Achse 15. In dieser Ausführungsform ist der Generatorwellendrehmomentverlauf 17 durch eine Rechteckfunktion darstellbar. Bevorzugt wird diese Rechtechfunktion mithilfe von pulsweitenmodulierten Signalen der Generatorsteuerung realisiert.
5 zeigt ein Kurbelwellenzahnrad 21, welches fest mit der Kurbelwelle 22 verbunden ist. Die Kurbelwelle weist als einzige Drehrichtung die Drehrichtung 23 auf. Des Weiteren zeigt 5 ein Generatorwellenzahnrad 24, welches sich in die Richtung des Pfeils 25 dreht. In der in 5 dargestellten Anordnung bremst die Zahnkraft 28, welche vom Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad wirkt, das Kurbelwellenzahnrad. Die Zahnkraft 28 wirkt am Kraftangriffspunkt 34 von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad.
Das Kurbelwellenzahnrad weist Vorderzahnradflanken, wie zum Beispiel die Vorderzahnradflanke 26 auf. Die Vorderzahnradflanke 26 weist am Kraftangriffspunkt 34 eine Vorderzahnradflankennormale 29 auf. Zwei mögliche orthogonale Vektorzerlegungen der Vorderzahnradflankennormale 29 sind unten rechts in 5 abgebildet. Eine erste mögliche orthogonale Vektorzerlegung zerlegt die Vorderzahnradflankennormale 29 in die Vektoren 30 und 31. Eine zweite mögliche orthogonale Vektorzerlegung zerlegt die Vorderzahnradflankennormale 29 in die Vektoren 32 und 33. Insbesondere bewirkt jeder der Vektoren 30, 31, 32 und 33, welcher auch durch den Kraftangriffspunkt 34 verläuft, ein Drehmoment in Drehrichtung 23 des Kurbelwellenzahnrades 21.
Entsprechend weist das Generatorwellenzahnrad Hinterzahnradflanken, wie zum Beispiel die Hinterzahnradflanke 27 auf. Die Hinterzahnradflanke 27 weist am Kraftangriffspunkt 34 eine Hinterzahnradflankennormale 35 auf. Zwei mögliche orthogonale Vektorzerlegungen der Hinterzahnradflankennormale 35 sind oben rechts in 5 abgebildet. Eine erste mögliche orthogonale Vektorzerlegung zerlegt die Hinterzahnradflankennormale 35 in die Vektoren 36 und 37. Eine zweite mögliche orthogonale Vektorzerlegung zerlegt die Hinterzahnradflankennormale 35 in die Vektoren 38 und 39. Insbesondere bewirkt jeder der Vektoren 36, 37, 38 und 39, welcher auch durch den Kraftangriffspunkt 34 verläuft, ein Drehmoment entgegengesetzt zur Drehrichtung 25 des Generatorwellenzahnrades 24.
Erfindungsgemäß ist zumindest zwischen einem ersten Zeitpunkt vor dem Beginn der Verbrennung in einem Zylinder und einem zweiten Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung in dem Zylinder ein direkter Kontakt des Kurbelwellenzahnrades mit dem Generatorwellenzahnrad ausschließlich über ein oder mehrere Vorderzahnradflanken des Kurbelwellenzahnrades und ein oder mehrere Hinterzahnradflanken des Generatorwellenzahnrades realisiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0847490 B1 [0002, 0051]
DE 102010025002 A1 [0018]

Claims

Verbrennungsmotor (1) aufweisend mindestens einen Zylinder (2), einen Generator (3) mit einer Generatorwelle (4) mit einem Generatorwellenzahnrad (5), eine Steuereinheit (6), welche zumindest den Generator (3) steuert, und eine Rotationsverbindung (7), welche eine Kurbelwelle (8) mit einem Kurbelwellenzahnrad (9) des Verbrennungsmotors (1) mit der Generatorwelle (4) koppelt, wobei die Generatorwelle (4) gegensinnig zur Kurbelwelle (8) dreht und parallel zur Kurbelwelle (8) angeordnet ist, wobei Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung (7) gekoppelter, drehender Komponenten sich zumindest annähernd gegenseitig aufheben und die Steuereinheit (6) den Generator (3) derart steuert, dass zumindest zwischen einem ersten Zeitpunkt vor dem Beginn der Verbrennung in einem Zylinder und einem zweiten Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung in dem Zylinder eine Zahnkraft (28) von dem Generatorwellenzahnrad (5) auf das Kurbelwellenzahnrad (9) wirkt, welche das Kurbelwellenzahnrad (9) bremst.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines gesamten Arbeitsspieles des jeweiligen Zylinders (2) eine Zahnkraft (28) von dem Generatorwellenzahnrad (5) auf das Kurbelwellenzahnrad (9) wirkt, welche das Kurbelwellenzahnrad (9) bremst.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf eines Betrages der Zahnkraft (28) während einer Kompressionsphase in einem jeweiligen Zylinder (2) ein lokales Maximum hat.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) einen Kurbelwellenpositionssensor aufweist und/oder in der Steuereinheit (6) ein Modell zur Erkennung der Kurbelwellenposition implementiert ist und die Zahnkraft (28) in Abhängigkeit von einer Kurbelwellenposition der Kurbelwelle (8) gesteuert und/oder geregelt ist.
Verfahren zum Betrieb eines Generators (3), welcher mit einem Verbrennungsmotor (1) mit mindestens einen Zylinder (2) über eine Rotationsverbindung (7) gekoppelt ist und eine Generatorwelle (4) aufweist, wobei die Generatorwelle (4) gegensinnig zu einer Kurbelwelle (8) des Verbrennungsmotors (1) dreht und parallel zur Kurbelwelle (8) angeordnet ist und Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung (7) gekoppelter, drehender Komponenten sich zumindest annähernd gegenseitig aufheben, bei welchem der Generator (3) mit Hilfe einer Steuereinheit (6) derart gesteuert wird, dass zwischen einem Zeitpunkt vor dem Beginn der Verbrennung in einem Zylinder (2) und einem Zeitpunkt nach dem Beginn der Verbrennung in dem Zylinder (2) eine Zahnkraft (28) von dem Generatorwellenzahnrad (5) auf das Kurbelwellenzahnrad (9) wirkt, welche das Kurbelwellenzahnrad (9) bremst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über dem gesamten Arbeitsspiel des jeweiligen Zylinders (2) eine bremsende Zahnkraft (28) von dem Generatorwellenzahnrad auf das Kurbelwellenzahnrad (9) wirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf der Zahnkraft (28) derart durch die Steuereinheit (6) gesteuert wird, dass der Verlauf der Zahnkraft (28) in einer Kompressionsphase eines jeden Zylinders (2) des Verbrennungsmotors (1) vom Betrag her ein lokales Maximum aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahlschwankung der Kurbelwelle (8) des Verbrennungsmotors (1) während eines Arbeitsspiels des Verbrennungsmotors (1) durch eine Steuerung der Zahnkraft (28) zumindest teilweise verstärkt wird.
Verwendung eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Range-Extender in einem Fahrzeug.