Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugantriebsstrangs mit einer Brennkraftmaschine mit mehreren selektiv abschaltbaren Zylindern sowie Fahrzeugantriebsstrang

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugantriebsstrangs mit einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, in denen mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbundene Kolben arbeiten, bei welchem Verfahren die Lastanpassung der Brennkraftmaschine zumindest teilweise dadurch erfolgt, dass die Zylinder nach einem vorbestimmten Programm selektiv abgeschaltet werden. Die Erfindung betrifft weiter einen Fahrzeugantriebsstrang.

Fig. 8 zeigt mit der gestrichelten Linie einen Fahrzyklus, wie er im NEDC (New European Driving Cycle) zur Verbrauchsmessung durchfahren wird. Die Abszisse zeigt die Testzeit in Sekunden; die rechtsseitige Ordinate zeigt die Fahrgeschwindigkeit.

Wenn ein solcher Fahrzyklus mit einem Fahrzeug der „Golfklasse" mit einem üblichen Vierzylinder-Ottomotor mit zwei Liter Hubraum durchfahren wird, wird die Brennkraftmaschine bei üblichen Getriebeübersetzungen ständig im Teillastbetrieb betrieben, d.h. in einem Betriebsbereich, in dem die Füllung der einzelnen Zylinder weit unterhalb der Füllung liegt, bei der ein günstiger spezifischer Verbrauch erzielt wird. Wie allgemein bekannt, steigt der spezifische Verbrauch der Brennkraftmaschine, ausgehend von einem Minimum, mit abnehmender Last an, wobei dieser Anstieg bei Ottomotoren ausgeprägter ist als bei Dieselmotoren.

In Fig. 8 sind auf der linksseitigen Ordinate die gefeuerten Zylinder bzw. Betriebszustände der Brennkraftmaschine angegeben, bei denen Zylinder selektiv abgeschaltet werden. Dabei bedeutet 2 ZyI-P einen Betrieb, bei dem gegenüber dem normalen Vierzylinderbetrieb ein Zylinder aussetzt, der nachfolgende Zylinder befeuert wird, dann wieder ein Zylinder aussetzt, der dann nachfolgende Zylinder befeuert wird und anschließend alle vier Zylinder aussetzen, woraufhin der Zyklus neu beginnt (Zweizylinderbetrieb mit Pause). 2 ZyI bedeutet, dass die Brennkraftmaschine derart betrieben wird, dass zwischen je zwei befeuerten Zylindern ein Zylinder aussetzt. 4 ZyI bedeutet, dass alle vier Zylinder in üblicher Weise befeuert werden. Wie ersichtlich, genügt für den bei weitem größten Teil des NEDC ein Betreiben der

Brennkraftmaschine im 2 ZyI-P Modus. Für einen kleinen Teil ist der 2 ZyI Modus erforderlich. Für einen noch kleineren Teil werden alle vier Zylinder benötigt.

Fig. 9 gibt die im NEDC durch Zylinderabschaltung möglichen Verbrauchseinsparungen abhängig von den möglichen Betriebsmoden an. Der Modus 4/2 bedeutet, dass die Maschine sowohl im 4 ZyI Modus als auch im 2 ZyI Modus betrieben wird. Der Modus 4/2/2 -P bedeutet, dass alle in Fig. 10 gezeigten Moden möglich sind. Die jeweiligen Moden, mit denen die Maschine im Leerlauf betrieben wird, sind gesondert angegeben. Wie ersichtlich, lassen sich je nach Modus Verbrauchsvorteile zwischen 10 und 18 % erzielen. Dies liegt daran, dass die Brennkraftmaschine im 2 ZyI Modus gegenüber dem 4 ZyI Modus mit doppeltem Mitteldruck (doppelter Zylinderfüllung) betrieben wird und im 2 ZyI-P Modus mit einem effektiven Hubvolumen von lediglich 500 cm ³ und entsprechend vierfachem Mitteldruck betrieben wird. In Fig. 11 sind weiter die bei Konstantfahrt möglichen Verbrauchsminderungen, abhängig vom jeweiligen Modus, angegeben.

Alle angegebenen Werte beziehen sich auf einen Betrieb der Brennkraftmaschine, bei dem die Ladungswechselventile der nicht gefeuerten Zylinder zur Vermeidung von Strömungsverlusten und Auskühlen geschlossen bleiben. Dies ist durch an sich bekannte schaltbare Ventiltriebe bzw. Ventilbetätigungseinrichtung möglich.

Ein Problem, das sich bei der Zylinderabschaltung stellt, liegt in der dadurch bedingten erheblichen Zunahme von Drehungleichförmigkeiten und Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle und Ungleichförmigkeiten und Schwankungen des von der Kurbelwelle abgegeben Drehmoments, wodurch der Fahrkomfort für die Fahrzeuginsassen beeinträchtigt wird.

Fig. 10 zeigt für einen Vierzylindermotor im 2 ZyI Modus, in dem nach jeweils 360° Kurbelwellendrehung ein Arbeitstakt erfolgt, von zwei Liter Hubraum bei einem Betrieb mit einem Mitteldruck von 2 bar und einer mittleren Drehzahl von 2000 min ^"1 in der Linie I den Drehmomentverlauf und in der Linie II den Drehzahlverlauf. Das Drehmoment ist auf der linksseitigen Ordinate als Abweichung von dem mittleren Wert angegeben, wobei O Nm dem Mittelwert entspricht._Die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit ist auf der rechtsseitigen Ordinate angegeben._Die Abszisse gibt die jeweilige Stellung der Kurbelwelle an. Wie ersichtlich, ändern sich die Winkelgeschwindigkeit und der Drehmomentverlauf mit einer Peri-

odizität, die dem Abstand zwischen der Feuerung zweier Zylinder entspricht (im Beispiel 360°) um den mittleren Wert von 2000 min ^"1 bzw. den Mittelwert des Drehmoments.

Fig. 11 entspricht der Fig. 10, zeigt die Situation jedoch im 2 ZyI-P Modus. Wie ersichtlich, sind sowohl die Drehmomentänderungen als auch die Winkelgeschwindigkeitsänderungen erheblich größer als im 2 ZyI Modus. Damit die über vier Umdrehungen der Kurbelwelle gemittelte Drehzahl von etwa 2000 min ^"1 konstant bleibt, muss das während der Arbeitstakte (bei jeweils 180° und 540° Kurbelwellendrehung) aufzubringende Drehmoment, d.h. die Füllung des jeweiligen Zylinders, erheblich größer sein als im Fall der Fig. 10. Im Unterschied zur Fig. 10 schwankt die Winkelgeschwindigkeit nicht innerhalb jeweils einer Kurbelwellenumdrehung um einen Mittelwert, sondern nimmt mit deutlichen Einbrüchen bei 180° KW und 540° KW zunächst zu, um dann wieder abzunehmen, so dass gemittelt über 2 Kurbelwellenumdrehungen der Mittelwert von 2000 min ^"1 erreicht wird.

Wie aus einem Vergleich der Figuren 10 und 11 ersichtlich, sind im 2 ZyI-P Modus die zeitlichen änderungen des Drehmoments und der Drehzahl, die mit einem Arbeitstakt einhergehen, erheblich größer als im 2 ZyI Modus. Die unmittelbar durch einen Arbeitstakt ausgelösten Drehmoment- und Drehzahlschwankungen werden im Folgenden als Drehmoment- bzw. Drehzahlungleichförmigkeit bezeichnet. Sie wiederholen sich im Abstand der Arbeitstakte. Diesen Ungleichförmigkeiten überlagert sich eine Drehzahlschwankung, die die durch den Modus gegebene Periodizität hat, also im Beispiel der Fig. 13 eine Periodizität von vier Kurbelwellenumdrehungen.

In der DE 10 2005 001 047 Al ist ein Fahrzeugantriebsstrang mit einer Mehrzylinderbrenn- kraftmaschine und einer Elektromaschine offenbart. Bei Zylinderabschaltung der Brennkraftmaschine wird die Elektromaschine derart angesteuert, dass das von ihr aufgenommene bzw. abgegebene Drehmoment Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors vermindert. Damit Drehungleichförmigkeiten einer im Zylinderabschaltbetrieb betriebenen Mehrzy- linderbrennkraftmaschine mittels der Elektromaschine wirksam vermindert werden können, sind hohe Kurzzeitleistungen der Elektromaschine und eine entsprechend leistungsstarke Auslegung der zur Steuerung der Elektromaschine erforderlichen Halbleiterschaltelemente sowie ein elektrischer Energiespeicher, der auf die hohen Leistungen abgestimmt ist, erforderlich.

In der DE 34 31 368 C2 ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, die eine durch zwei Ausgleichswellen gebildete Ausgleichsvorrichtung zur Erzeugung eines Dämpfungsmoments im Zylinderabschaltbetrieb aufweist. Die beiden Ausgleichswellen sind im Zylinderabschaltbetrieb drehfest mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine koppelbar, wobei die Phasenlage von Ausgleichsmassen der Ausgleichswellen relativ zur Kurbelwelle derart ist, dass Dre- hungleichförmigkeiten durch Massenausgleich ausgeglichen werden.

In der DE 10 2005 011 910 Al ist ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der im Zylinderabschaltmodus betreibbar ist. Der Antriebsstrang des Fahrzeugs enthält weiter ein elektrisch variables Getriebe mit einer Torsionsdämpferanordnung und einer Elektromaschi- ne, mittels der Kompressionsimpulse des Motors verminderbar sind, wenn die Dämpferanordnung entkoppelt ist. Die Dämpferanordnung enthält mehrere Dämpferfedern mit unterschiedlichen Federkonstanten, so dass die Torsionsdämpferanordnung uneinheitliche Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors dämpft, die im Zylinderabschaltbetrieb auftreten.

Die DE 100 05 582 Al beschreibt einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, der zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor eine dazu funktionell parallel angeordnete Elektromaschine mit einem Stator und einem am Antriebsstrang festgelegten Rotor aufweist. Eine oder mehrere pendelartig aufgehängte Tilgermassen sind am Rotor angeordnet oder mit dem Rotor koppelbar. Mit solchen Tilgermassen, die einen Drehschwingungspendeltilger bilden, können Drehschwingungen in einem gewissen Ausmaß ähnlich getilgt werden, wie mit in dem Antriebsstrang integrierten elastisch angekoppelten Tilgermassen.

Die DE 195 32 135 Al beschreibt ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors koppelbaren Elektromaschine, die derart ausgebildet ist, dass sie den Verbrennungsmotor im Stand anlassen kann und einen automatischen Start- Stoppbetrieb ermöglicht.

Die DE 199 13 015 Al beschreibt ein Schwingungsdämpfersystem, für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs mit einer Elektromaschine, die derart ansteuerbar ist, dass Drehzah- lungleichförmigkeiten im Antriebsstrang vermindert werden können. An einem drehenden Bauteil des Antriebsstrangs ist eine Auslenkungsmassenanordnung mit wenigstens einer Auslenkungsmasse und wenigstens einer Auslenkungsbahn befestigt, längs der die Auslen-

kungsmasse bewegbar ist. Die Auslenkungsbahn weist einen Scheitelbereich und von diesem in Umfangsrichtung ausgehende Auslenkungsbereiche auf, wobei der Scheitelbereich ein Bereich größten radialen Abstandes der Auslenkungsbahn von der Drehachse des Drehbauteils ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrzeugantriebsstrang mit einer Mehrzy- linderbrennkraftmaschine und einer Elektromaschine zu schaffen, bei dem durch Zylinderabschaltung mögliche Verbrauchsvorteile in einem hohen Maß genutzt werden, ohne dass damit eine für die Fahrzeuginsassen nicht akzeptable Komfortbeeinträchtigung verbunden ist. Eine Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Anspruch 1 werden infolge der Zylinderabschaltung auftretende Winkelgeschwindigkeitsänderungen der Kurbelwelle mit Hilfe wenigstens eines beweglichen Ausgleichsmassebauteils vermindert. Dieses Ausgleichsmassebauteil ist mit der Kurbelwelle derart gekoppelt, dass ihm in vorbestimmten Drehphasen der Kurbelwelle, in denen ein jeweiliger Zylinder zündet, kinetische Energie zugeführt wird, die in Phasen, in denen keine Zündung erfolgt, in die Kurbelwelle rückgespeist wird. Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle und dem Ausgleichsmassebauteil ist derart, dass ein solcher Energieaustausch auch dann erfolgt, wenn die Kurbelwelle sich mit konstanter Drehzahl dreht, so dass mit Hilfe des Ausgleichsmassebauteils Winkelgeschwindigkeitsänderungen der Kurbelwelle sozusagen bereits vor ihrer Entstehung und damit „an der Wurzel" bekämpft werden. Mit der Elektromaschine müssen dann nur noch die vom Ausgleichsmassebauteil nicht ausgeglichenen, in die Antriebswelle des Fahrzeugs gelangenden Drehzahlschwankungen ausgeglichen werden. Die zeitlichen Gradienten der im Antriebsstrang nach Ausgleich der Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle verbleibenden Drehzahlschwankungen sind erheblich kleiner als die Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle vor deren Ausgleich durch das Ausgleichsmassebauteil, so dass erfindungsgemäß die elektrische Leistung, die zum Ausgleich der Drehzahlschwankungen erforderlich ist, gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert ist.

Die Unteransprüche 2 und 3 kennzeichnen zwei vorteilhafte alternative Ankopplungsmög- lichkeiten der Elektromaschine an den Antriebsstrang.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 wird erreicht, dass die Wirksamkeit des Ausgleichsmassebauteils an die Last der Brennkraftmaschine und damit an die auftretenden Dre- hungleichförmigkeiten anpassbar ist.

Die Unteransprüche 5 und 6 kennzeichnen zwei Möglichkeiten, wie die Kupplung des Ausgleichsmassebauteils mit der Kurbelwelle und der Betrieb der Elektromaschine geregelt werden können.

Der Anspruch 7 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau des Fahrzeugantriebsstrangs, der entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.

Der erfindungsgemäße Fahrzeugantriebsstrang wird mit den Merkmalen der Ansprüche 8 bis 16 in vorteilhafter Weise weitergebildet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

In den Figuren stellen dar:

Fig. 1 eine Prinzipanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Fig. 2 Drehmoment- und Drehzahlverläufe im 2 ZyI Modus mit Wirksamkeit eines Ausgleichsmassebauteils,

Fig. 3 Drehmoment- und Drehzahlverläufe im 2 ZyI-P Modus mit Wirksamkeit eines Ausgleichsmassebauteils,

Fig. 4 Drehzahlverläufe zur Erläuterung der Wirksamkeit einer über ein Addiergetriebe eingekoppelten Elektromaschine,

Fig. 5 u. 6 Stirnansichten einer Ausgleichseinrichtung mit einem beweglichen Ausgleichsmassebauteil,

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer Stellvorrichtung,

Fig. 8 das im NEDC zu durchfahrende Fahrprofü mit dafür erforderlichen Betriebsmoden,

Fig. 9 im NEDC durch unterschiedliche Betriebsmoden mögliche Verbrauchseinsparungen,

Fig. 10 Drehzahl- und Drehmomentschwankungen im Modus 2 ZyI, und

Fig. 1 1 Drehzahl- und Drehmomentschwankungen im Modus 2 ZyI-P.

Gemäß Fig. 1 weist ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs eine Brennkraftmaschine 100, im dargestellten Beispiel eine Vierzylinderbrennkraftmaschine, auf, deren Kurbelwelle 102 unmittelbar oder über eine drehfest mit der Kurbelwelle verbundene Zwischenwelle mit einem Eingang einer Koppelvorrichtung 104 verbunden ist, deren Ausgangswelle 106 über eine Kupplung 108 und ein Getriebe 110 mit einer Antriebswelle 112 des Fahrzeugs verbunden ist, die wiederum über ein Differential 114 die Räder einer angetriebenen Fahrzeugachse oder, bei Allradantrieb alle Räder des Fahrzeugs antreibt.

Der Antriebsstrang enthält erfindungsgemäß eine Ausgleichseinrichtung, die einen mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zusammenwirkenden mechanischen Teil 120 und einen eine Elektromaschine 122 und die Koppelvorrichtung 104 enthaltenden elektrischen Teil 124 aufweist. Die Elektromaschine kann mit Hilfe eines steuerbaren Wechselrichters 126 gesteuert werden und in an sich bekannter Weise zwischen generatorischem und motorischem Betrieb umgeschaltet werden, wobei sie im generatorischen Betrieb elektrische Energie in einen elektrischen Energiespeicher 128 einspeichert und im motorischen Betrieb dem Energiespeicher 128 Energie entnimmt.

Die Kupplung 108 und das Getriebe 110 können jedwelcher bekannter Bauart sein, wie Anfahrkupplung, Wandlerkupplung, Handschaltgetriebe, automatisches Getriebe usw.

Die Koppelvorrichtung 104, mit der die Elektromaschine 122 mit der Kurbelwelle 102 gekoppelt wird, kann unterschiedlichster Bauart sein. Im einfachsten Fall ist sie unmittelbar durch einen drehfest mit der Kurbelwelle 102 verbundenen Rotor der Elektromaschine 122 gebildet, wobei die Ausgangswelle 106 dann einteilig mit der Kurbelwelle 102 ausgebildet sein kann. Der Rotor muss nicht unmittelbar auf der Kurbelwelle angeordnet sein, sondern kann über eine übersetzungsstufe, mit der die Drehzahl der Ausgangswelle der Elektromaschine 122 auf die Drehzahl der Kurbelwelle 102 bzw. Ausgangswelle 106 übersetzt wird, angekoppelt sein.

In eine abgeänderten Ausführungsform kann die Koppelvorrichtung 104 durch ein Addiergetriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, gebildet sein, dessen Sonnenrad 104a mit der Kurbelwelle 102 drehfest verbunden ist, dessen Planetenträger 104b mit der Ausgangswelle

106 drehfest verbunden ist und dessen Hohlrad 104c mit der Elektromaschine 122 drehfest verbunden ist.

Für ein solches Planetengetriebe gilt allgemein:

n _s + (Z _H /Z _S ) x n _H - (1 + Z _H /Z _S ) x n _P = 0, wobei

ns = Drehzahl des Sonnenrades, π _H = Drehzahl des Hohlrades, np = Drehzahl des Planetenträgers, Z _H = Zähnezahl des Hohlrades, und Zs - Zähnezahl des Sonnenrades.

Die Elektromaschine 122 kann die einzige Maschine zur Stromerzeugung des Fahrzeugs sein. In diesem Fall ist der Energiespeicher 128 eine übliche Fahrzeugbatterie. Wenn die Elektromaschine 122 zusätzlich zur üblichen elektrischen Fahrzeugsausrüstung vorhanden ist, kann der ihr zugeordnete Energiespeicher 128 lediglich durch einen Kondensator gebildet sein.

Zur Steuerung der beschriebenen Anordnung ist ein elektronisches Steuergerät 132 vorgesehen, dessen Eingänge mit einem Fahrpedalsensor 134 sowie weiteren Sensoren, beispielsweise einem Drehzahlsensor 136 zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit, einem Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl der Maschine 100, einem Sensor zum Erfassen der Temperatur der Maschine usw. verbunden sind. Das Steuergerät 132 enthält in an sich bekannter Weise einen Mikroprozessor mit Programm- und Datenspeichern und ist funktional in eine Selektivsteuereinrichtung 132a, eine Laststeuereinrichtung 132b, eine Ausgleichssteuereinrichtung 132c und eine Elektromaschinensteuereinrichtung 132d unterteilt. Die Selektivsteuereinrichtung 132a legt, abhängig von den Betriebsbedingungen des Antriebsstrangs, beispielsweise der Stellung des Fahrpedals und der Fahrzeuggeschwindigkeit, den Modus fest, in dem die Brennkraftmaschine 100 betrieben wird. Die Laststeuereinrichtung 132b steuert das Laststellglied 138 sowie weitere Parameter der Brennkraftmaschine. Die Ausgleichssteuereinrichtung 132c steuert die Verstellvorrichtung 140 und die Elektromaschinensteuerein- richtung 132d steuert die elektronische Steuereinrichtung 126 der Elektromaschine 122.

Ein Ausführungsbeispiel der Ausgleichseinrichtung wird weiter unten beschrieben. Im Folgenden wird zunächst die grundsätzliche Funktion der Ausgleichseinrichtung erläutert.

Fig. 2 entspricht der Fig. 12, jedoch mit aktivem mechanischem Teil 120 der Ausgleichseinrichtung. Die eingetragene Bezeichnung „mit CRE" bedeutet mit wirksamem „Crankshaft Rotation Equalizer". Wie ersichtlich, sind gegenüber der Fig. 22 sowohl die Drehmomentänderungen als auch die Winkelgeschwindigkeitsänderungen erheblich vermindert.

Fig. 3 entspricht der Fig. 13, jedoch mit wirksamem mechanischen Teil 120 der Ausgleichseinrichtung. Wie ersichtlich, sind auch hier die Drehmomentungleichförmigkeiten gegenüber der Fig. 13 insbesondere im Bereich von 0° KW bis 720° KW deutlich vermindert. Entsprechend sind die Winkelgeschwindigkeitsänderungen gegenüber der Fig. 13 deutlich verstetigt. Deutlich sichtbar ist die mit der Periodizität der Befeuerung der Brennkraftmaschine, d.h. vier Kurbelwellenumdrehungen einhergehende Schwankung der Drehzahl um die mittlere Drehzahl von 2000 min ^'1 , die durch den mechanischen Teil 120 der Ausgleichseinrichtung nicht ausgeglichen wird.

Erfindungsgemäß wird die Elektromaschine im Wesentlichen lediglich zum Ausgleich der Winkelgeschwindigkeitsänderungen verwendet, die nach mechanischem Ausgleich der Dreh- ungleichförmigkeiten verbleiben. Wie aus den Figuren ersichtlich, dient die Elektromaschine dann im Wesentlichen lediglich dazu, den Drehzahlanstieg und den Drehzahlabfall der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auszugleichen, der umso ausgeprägter ist, je größer der Kurbelwinkelabstand zwischen zwei gefeuerten Zylindern liegen. Auf diese Weise kann der Leistungsbedarf der Elektromaschine erheblich vermindert werden und ist zur Zwischenspei- cherung der von der Elektromaschine im generatorischen Betrieb erzeugten elektrischen Energie nur ein verhältnismäßig kleiner Energiespeicher erforderlich, beispielsweise ein Kondensator.

Fig. 4 zeigt beispielhaft die Wirksamkeit der Elektromaschine 122 (Fig. 1) bei ihrer Ankopp- lung über das Addiergetriebe 104 zum Ausgleich der Drehzahlschwankungen gemäß der Kurve II der Fig. 3. Die Kurve ns der Fig. 4 zeigt, bezogen auf die linke Ordinate, die Drehzahl ns des Sonnenrades 104a des Planetengetriebes, die gleich der Drehzahl der Kurbelwelle 102 ist. Bei still stehendem Hohlrad 104c beträgt die Drehzahl des Planetenträgers 104b, die gleich der Drehzahl der Ausgangswelle 106 ist,

np = n _s /(l+Z _H /Zs).

Wenn Z _H /Z _S = 0,5, beträgt bei einer Kurbeldrehzahl von 2000 min ^"1 die Drehzahl der Ausgangswelle 106 also etwa 1330 min ^"1 .

Die Kurve nπ gibt die Drehzahl des Hohlrades an, bezogen auf die rechte Ordinate, mit der die Abweichung der Drehzahl des Sonnenrades von der Solldrehzahl 2000 min ^'1 jeweils kompensiert werden kann, so dass die Drehzahl des Planetenträgers np auf dem Wert von etwa 1300 min ^"1 bleibt. Wenn mit der Elektromaschine 122 kein Ausgleich von Drehzahlschwankungen erforderlich ist, ist das Hohlrad 104c mittels einer nicht dargestellten Bremse, gesteuert von der elektronischen Steuereinrichtung 132, blockiert, wobei die Bremse auch an der Elektromaschine 122 eingreifen kann. Sobald ein Ausgleich einer Drehzahlschwankung um einen Sollwert, im dargestellten Beispiel ein Ausgleich der Schwankung der Drehzahl des Sonnenrades um 2000 min ^"1 erforderlich ist, wird die Drehzahl der Elektromaschine 122 derart gesteuert, dass die Drehzahl des Planetenträgers bzw. der Ausgangswelle 106 auf dem sich aus der übersetzung des Addiergetriebes ergebenden konstanten Wert bleibt. Die übersetzung von der Elektromaschine 122 auf das Hohlrad 104c wird jeweils im Hinblick auf eine günstige Auslegung der Elektromaschine gewählt, die, bei gelöster Bremse, das Stützmoment zur Abstützung des über die Kurbelwelle 102 eingeleiteten Drehmoments aufbringen muss. Auch wenn die Drehzahlregelung der Elektromaschine 122, die bei negativen Drehzahlen nu der Fig. 4 generatorisch und bei positiven Drehzahlen motorisch betrieben wird, keinen vollständigen Ausgleich der Drehzahlabweichungen zulässt, so lassen sich dennoch die Drehzahlschwankungen zu einem erheblichen Anteil kompensieren.

Im Folgenden wird der mechanische Teil 20 der Ausgleichseinrichtung beispielhaft beschrieben:

Gemäß Fig. 5, die eine Stirnansicht des mechanischen Teils 120 (Fig. 1) der Ausgleichseinrichtung zeigt, weist die Kurbelwelle 102 der Hubkolbenbrennkraftmaschine einen radial vorstehenden Mitnehmeransatz 12 auf, der drehfest mit der Kurbelwelle 102 verbunden oder einteilig mit ihr ausgebildet ist. Auf der Kurbelwelle 102 ist neben dem Mitnehmeransatz 12 ein Ausgleichsmassebauteil 14 gelagert, das bezüglich der Drehachse A der Kurbelwelle 10 in vorteilhafter Weise ausgewuchtet ist.

Axial neben dem Ausgleichsmassebauteil 14 ist ein Lagerschild 16 (schraffiert; in Fig. 5 ist die axiale Anordnung nicht sichtbar) um eine von der Drehachse A der Kurbelwelle 102 entfernte Achse B an einem nicht dargestellten Motorgehäuse schwenkbar gelagert. Das Lagerschild 16 weist eine Durchgangsöffnung 20 auf, durch die hindurch sich die Kurbelwelle 10 erstreckt, so dass die geschilderte Baugruppe an einem Stirnende der Kurbelwelle oder in einem mittleren Bereich der Kurbelwelle angeordnet sein kann. Die Schwenkachse B ist parallel zur Drehachse A der Kurbelwelle. An dem relativ zur Kurbelwelle verschwenkbaren Lagerschild 16 ist eine Führungskoppel 22 drehbar gelagert, von der ein radialer Arm 24 vorsteht.

Der radiale Arm ist über einen Arm 26a eines zweiarmigen Koppelgliedes 26 mit dem Mitnehmeransatz 12 verbunden. Der andere Arm 26b des Koppelgliedes 26 ist über ein weiteres Koppelglied 28 in einem Gelenk 29 mit dem Ausgleichsmassebauteil 14 verbunden. Das Koppelglied 28 ragt bspw. in einen radialen Schlitz (nicht dargestellt) des Ausgleichmassebauteils 14 ein und ist darin mittels eines Zapfens gelagert. Die Schwenkachsen der Gelenke, um die die Koppelglieder relativ zueinander und zu dem Mitnehmeransatz 12, der Führungskoppel 22 und dem Ausgleichsmassenbauteil 14 schwenkbar sind, sind zueinander parallel und parallel zu den Achsen A und B.

Durch Verschwenken des Lagerschildes 16 um das motorgehäusefeste Lager mit der Achse B lässt sich der Abstand zwischen der Drehachse C, um die die Führungskoppel 22 dreht und der Drehachse A der Kurbelwelle verändern. Zum Verschwenken des Lagerschildes 16 ist eine insgesamt mit 140 bezeichnete Verstellvorrichtung vorgesehen, die ein Stellglied 42 aufweist, das mit einem Arm 44 gelenkig verbunden ist, der starr mit dem Lagerschild 16 verbunden ist. Etwa in Verlängerung des Arms 44 weist das Lagerschild 16 auf seiner entgegengesetzten Seite einen weiteren, mit ihm starr verbundenen Arm 46 auf, der um die Schwenkachse B schwenkbar ist. Das Stellglied 42 der Verstellvorrichtung 140 kann in an sich bekannter Weise mittels eines Hydraulikzylinders, eines Elektromotors oder sonstwie gemäß Figur 7 in senkrechter Richtung bewegt werden, wobei die Bewegbarkeit vorteilhafter Weise durch Anschläge 48 und 50 begrenzt ist.

Die geschilderte Vorrichtung kann bei in einander geschachtelter Bauweise sehr kompakt bauen. Das Ausgleichsmassebauteil 14 ist zwischen der Führungskoppel 22 und dem Mit-

nehmeransatz 12 auf der Kurbelwelle gleichachsig mit der Drehachse A der Kurbelwelle drehbar gelagert. Die Führungskoppel 22 ist um die durch das Lagerschild 16 definierte Drehachse C drehbar gelagert. Axial neben der Führungskoppel 22 erstrecken sich die Arme 44 und 46 des Lagerschildes 16. Es versteht sich, dass die relativ zur Kurbelwelle exzentrische Schwenkbarkeit des Lagerschildes 16 und dessen Verstellung auch durch andere Konstruktionen gewährleistet sein kann, bspw. dadurch, dass das Lagerschild unmittelbar mit einem Zapfen im Motorgehäuse gelagert ist, der exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist.

Figur 5 stellt den Zustand der Anordnung dar, bei der die Drehachse C der Führungskoppel 22 einen maximalen Abstand von der Drehachse A der Kurbelwelle 102 hat. Die Verbindungslinie zwischen den Drehachsen A und C ist vorteilhafter Weise etwa parallel zur Bewegungsrichtung der mit der Kurbelwelle 102 verbundenen, nicht dargestellten Kolben der Brennkraftmaschine und deckt sich in der dargestellten Aufsicht vorteilhafter Weise mit der Bewegungslinie der Kolben. Geringfügige Richtungsänderungen der Verbindungslinie bei einem Verschwenken des Lagerschildes 16 um die Schwenkachse B können außer Betracht bleiben.

Figur 6 zeigt den Zustand der Anordnung der Figur 5, bei dem die Drehachsen A und C zusammen fallen, das heißt der Zustand maximale Exzentrizität gemäß Figur 7 ist in einen konzentrischen Zustand verstellt, bei dem die Führungskoppel 22 sich gleichachsig zur Kurbelwelle 10 dreht. In diesem Zustand bleibt die Relativstellung zwischen dem Mitnehmeransatz und den Koppelgliedern 26 und 28 und dem radialen Arm 24 konstant, so dass sich das Ausgleichsmassebauteil 14 jeweils mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle 16 dreht.

Die Anordnung des Mitnehmeransatzes 12, des abgewinkelten Koppelgliedes 26 und des Koppelgliedes 28 sowie die gelenkige Verbindung zwischen den genannten Bauteilen ist derart, dass bei exzentrischer Anordnung der Führungskoppel relativ zur Kurbelwelle während einer Umdrehung der Kurbelwelle bzw. des Mitnehmeransatzes 12 das Koppelglied 26 einmal relativ zum Mitnehmeransatz 12 verschwenkt wird und dadurch die Winkelgeschwindigkeit des Ausgleichsmassebauteils 14 sich gegenüber der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einmal vergrößert und entsprechend einmal verkleinert. Auf diese Weise können Drehungleichförmigkeiten bzw. Drehzahlschwankungen, wie sie im 2 ZyI Modus einer Vier-

2ylinder-Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine auftreten, ausgeglichen werden, indem die Anordnung gemäß Fig. 5 auf die Maschine derart abgestimmt ist, dass in der Phase, in der die Kurbelwelle durch den gefeuerten Zylinder beschleunigt würde, von der Kurbelwelle in das Ausgleichsmassebauteil durch Beschleunigung des Ausgleichsmassebauteils auch bei konstant drehender Kurbelwelle Energie von der Kurbelwelle in das Ausgleichsmassebauteil übertragen wird und in der Phase, in der die Kurbelwelle die Kolben lediglich mitschleppt, bzw. Verdichtungsarbeit leisten muss, die überschüssige Energie des Ausgleichsmassebauteils in die Kurbelwelle zurückgespeist wird. Auf diese Weise werden Drehungleichförmig- keiten der Kurbelwelle im 2 ZyI Modus zumindest teilweise ausgeglichen, wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich. Während der P (Pause) Phase des 2 ZyI-P Modus wird die Anordnung gemäß Fig. 5 in die Neutral- bzw. Koaxialstellung gemäß Fig. 8 bewegt, in der vom Ausgleichsmassebauteil 14 her kein aktiver Drehungleichförmigkeitsausgleich erfolgt, sondern das Ausgleichsmassebauteil lediglich in Folge seines Trägheitsmoments Drehwinkelgeschwindigkeitsschwankungen vermindert.

Fig. 7 zeigt schematisch eine besonders einfache Ausführungsform einer Verstelleinrichtung 140. Der Arm 44 des Lagerschildes 16 (Fig. 1) ist gelenkig mit einem als Stellglied 42 dienenden Schaft eines Kolbens 72 einer doppelt wirkenden Kolbenzylindereinheit 74 verbunden, deren Druckräume über zwei Leitungen 76 und 78 miteinander verbunden sind. In jeder der Leitungen 76 und 78 ist ein Rückschlagventil 80 und 82 angeordnet, wobei die Rückschlagventile 80 und 82 gegensinnig zueinander wirken. Weiter ist in jeder der Leitungen ein Absperrventil 84 bzw. 86 angeordnet. Durch die exzentrische Lagerung des Lagerschildes 16 wirken auf den Arm 44 während einer Umdrehung des Ausgleichsmassebauteils 14 alternierend Kräfte, die gemäß den Figuren nach oben oder nach unten gerichtet sind. Je nach öffnung eines der Absperrventile 84 oder 86 kann ein in der Kolbenzylindereinheit 74 befindliches Hydraulikfluid nur von dem einen Druckraum in den anderen strömen, so dass durch zweckentsprechende Steuerung der Absperrventile 84 und 86 eine Verstellung in die eine oder in die andere Richtung erfolgt, ohne dass dazu eine externe Druckmittelquelle erforderlich ist. Es versteht sich, dass durch eine geeignete Hydraulikfluid-Nachfülleinrichtung sichergestellt ist, dass die Leitungen und die Kolbenzylindereinheit ständig luftfrei mit Hydraulikfluid gefüllt sind.

Bezug nehmend wiederum auf Fig. 1 wird die Gesamtfunktion der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Ausgleich von durch selektive Befeuerung von Zylindern verursachten Dre- hungleichförmigkeiten der Kurbelwelle nochmals kurz erläutert:

Abhängig von der Stellung des Fahrpedals 134 und der Fahrzeuggeschwindigkeit wird in der elektronischen Steuereinrichtung 132 der Leistungsbedarf der Brennkraftmaschine ermittelt und der Betriebsmodus bestimmt. Solange die Brennkraftmaschine mit allen Zylindern betrieben wird, wird die Verstellvorrichtung 140 in die Neutralstellung gemäß Fig. 6 bewegt. Wenn der Modus 2 ZyI entschieden wird, ermittelt die Ausgleichssteuereinrichtung 132c der Steuereinrichtung 132 entsprechend in ihr abgelegten, auf die jeweilige Brennkraftmaschine abgestimmten Programmen diejenige Stellung der Verstellvorrichtung 140, d.h. denjenigen Abstand zwischen den Drehachsen A und C (Fig. 5), bei dem mittels des Ausgleichsmassebauteils 88 die Drehunglei chförmigkeiten der Kurbelwelle, die auch von der Stellung des Laststellgliedes 138 abhängen, optimal ausgeglichen werden. Weiter bestimmt die Elektro- maschinensteuereinrichtung 132d den Drehzahlverlauf, mit dem die vom Ausgleichsmassebauteil 88 nicht ausgeglichenen, durch den zylinderselektiven Betrieb der Brennkraftmaschine bedingten Drehzahländerungen- bzw. Schwankungen der Kurbelwelle 102 über das Addiergetriebe 104 ausgeglichen werden sollen und steuert den Wechselrichter Steuereinrichtung 126 für einen entsprechenden Drehzahl verlauf der Elektromaschine 122 an.

Bei Betrieb der Brennkraftmaschine im 2 ZyI-P Modus laufen die genannten Vorgänge in gleicher Weise ab, jedoch wird die Verstell Vorrichtung 140 in der P-Phase (Kurbelwellendrehung) zwischen 720° und 1440° (Fig. 13) auf Neutral (Drehachsen A und C fallen zusammen) gestellt.

Der Betrieb der Ausgleichseinrichtung kann, wie vorbeschrieben vorgesteuert erfolgen, oder kann zusätzlich oder ausschließlich geregelt erfolgen, indem die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle 102 und/oder der Antriebswelle 106 erfasst werden und einem Regler zugeführt wird, der die Verstellvorrichtung 140 und die elektronische Steuereinrichtung 126 derart ansteuert, dass Drehzahländerungen der Kurbelwelle und der Antriebswelle minimiert werden. Es versteht sich, dass die von entsprechenden Sensoren erfassten Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle und der Antriebswelle entsprechend der unterschiedlichen Periodizitäten der zu beseitigenden Ungleichförmigkeiten in ungleicher Weise gefiltert werden, beispielsweise werden für die Regelung der Verstellvorrichtung 140 änderungen von jeweils über 20° Kur-

belwellendrehung gleitend gemittelten Winkelgeschwindigkeiten herangezogen, während für die Steuerung des Wechselrichters 126 änderungen der Winkelgeschwindigkeiten über jeweils 360° Kurbelwellendrehung gleitend gemittelt werden.

Der mechanische Teil 120 der Ausgleichseinrichtung wurde anhand seiner Anwendung auf den 2 ZyI Modus einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine beschrieben. Durch Abänderung der Kopplung zwischen der Drehung der Kurbelwelle, der Führungskoppel und des Ausgleichsmassebauteils sowie erforderlichenfalls einer übersetzung zwischen der Drehung der Kurbelwelle und der Drehung des Mitnehmeransatzes 12 lassen sich unterschiedliche Moden bei unterschiedlichen Motoren ausgleichen. Beispielsweise können die Koppelglieder 26 und 28 durch zwei Koppelglieder ersetzt werden, von denen eines den Mitnehmeransatz 12 mit dem radialen Arm 24 der Führungskoppel verbindet und das andere den radialen Arm 24 mit dem Ausgleichsmassebauteil 14 verbindet. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass das Ausgleichsmassebauteil während einer Umdrehung der Kurbelwelle zweimal beschleunigt und verzögert wird. Zusätzlich zur Verstellbarkeit des Lagerschildes 16 kann das Ausgleichsmassebauteil 14 mit veränderbarem Trägheitsmoment ausgebildet werden, indem es beispielsweise zwei in einem Abstand veränderbare Massekörper enthält. Die Elektromaschi- ne 122 kann derart ausgelegt sein, dass er nicht nur für einen Ausgleich von Drehzahlschwankungen dient, sondern auch zum Rückspeisen von Bremsenergie im Schubbetrieb dient oder als Motor zum Antrieb oder zur Unterstützung des Antriebs des Fahrzeugs.

Der elektrische Teil 124 wurde vorstehend anhand der über das Addiergetriebe 104 mit dem Antriebsstrang verbundenen Elektromaschine 122 erläutert. Alternativ kann die Elektroma- schine 122 auch drehfest mit der Kurbelwelle 102 verbunden sein, wobei das Addiergetriebe 104 dann entfallen kann oder lediglich eine übersetzungsstufe zwischen dem Rotor der Elektromaschine 122 und der Kurbelwelle 102 bzw. Antriebswelle 112 bildet. In diesem Fall muss das Drehmoment der Elektromaschine 122 jeweils derart gesteuert werden, dass es den nach Ausgleich der Drehmomentungleichförmigkeiten an der Kurbelwelle 102 der Brennkraftmaschine 100 wirksamen Drehmomentschwankungen um das mittlere abgegebene Drehmoment genau entgegen gesetzte Drehmomentschwankungen erzeugt, wodurch die Drehzahl der Kurbelwelle 102 selbst konstant gehalten wird. Auch in diesem Fall kann die Steuerung der Elektromaschine 122 abhängig von der Last und dem jeweiligen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine gesteuert werden oder der Betrieb der Elektromaschine 122 kann geregelt werden, indem die Winkelgeschwindigkeitsänderungen der Kurbelwelle 102 erfasst

und einem Regler zugeführt werden, der den Wechselrichter 126 derart ansteuert, dass die Winkelgeschwindigkeitsänderungen minimiert werden.

Das vorstehend erläuterte Prinzip, bei dem durch relative Befeuerung der Zylinder entstehende Drehzahlschwankungen der Antriebswelle des Fahrzeugs dadurch gemindert werden, dass Drehmomentschwankungen der Kurbelwelle zunächst mechanisch durch Energieaustausch mit dem Ausgleichsmassebauteil vermindert und verbleibende Drehzahlschwankungen mit einer Elektromaschine vermindert werden, ist auch bei Brennkraftmaschinen mit geringer Zylinderzahl ohne Laststeuerung mittels selektiver Zündung oder Einspritzung möglich. So kann beispielsweise bei einer Einzylinder Viertaktmaschine den Drehmomentsschwankungen mittels des Ausgleichsmassebauteils entgegengewirkt werden und verbleibende Drehzahlschwankungen können mit der Elektromaschine geglättet werden. Die Kopplung zwischen dem Ausgleichsmassebauteil und der Kurbelwelle kann an die Zylinderzahl und Betriebsweise (2 Takt, 4 Takt) der Brennkraftmaschine angepasst werden.

Bezugszeichenliste

12 Mitnehmeransatz 84 Absperrventil

14 Ausgleichsmassebauteil 86 Absperrventil

16 Lagerschild 88 Ausgleichsmassebauteil

20 Durchgangsöffnung 90 Unwucht

22 Führungskoppel 92 Unwucht

24 radialer Arm 100 Brennkraftmaschine

26 Koppelglied 102 Kurbelwelle

26a Arm 104 Koppelvorrichtung

26b Arm 104a Sonnenrad

28 Koppelglied 104b Planetenträger

29 Gelenk 104c Hohlrad

40 Verstelleinrichtung 106 Ausgangswelle

42 Stellglied 112 Antriebswelle 4 Arm 120 mechanischer Teil

46 Arm 122 Elektromaschine 8 Anschlag 124 elektrischer Teil

50 Anschlag 126 Wechselrichter

52 Koppelglied 128 Energiespeicher

54 Arm 132 elektronische Steuereinrichtung

56 Arm 132a Selektivsteuereinrichtung

58 Koppelglied 132b Laststeuereinrichtung 0 Kolben 132c Ausgleichssteuereinrichtung 2 Pleuel 132d Elektromaschinensteuereinrichtung 4 Umfangsverzahnung 134 Fahrpedalsensor 6 Ausgleichsmassebauteil 136 Drehzahlsensor 8 Umfangsverzahnung 138 Laststellglied 2 Kolben 140 Verstellvorrichtung 4 Kolben/Zylindereinheit 6 Leitung 8 Leitung 0 Rückschlagventil 2 Rückschlagventil