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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 sowie ein Stromaggregat mit Verbrennungsmotor und Generator nach Anspruch 12.
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Stromaggregate der genannten Art in Kompaktbauweise werden zunehmend nachgefragt als Range Extender für Fahrzeuge, zum Antrieb von Baumaschinen, landwirtschaftlichen Maschinen, als Industrieantrieb, Notstromaggregat, APU, Blockheizkraftwerk oder der gleichen.
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Bei Anwendungen derartiger Aggregate als Range Extender in Elektrofahrzeugen geht es insbesondere um deren Unterbringung in kleinsten Einbauräumen z. B. im Unterflurbereich oder im Fahrzeuginneren unter den Rücksitzen.
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Bekannte Range Extender dienen zur Steigerung der Fahrzeugreichweite, wobei die vorhandene Fahrzeugbatterie entweder während des Fahrbetriebs oder im Stillstand des Fahrzeugs aufgeladen wird. Die Ladung der Batterien wird dabei so gesteuert, dass deren Ladezustand etwa 20% der maximalen Kapazität nicht unterschreitet. Eine hierfür geeignete Aggregatkonzeption umfasst beispielsweise einen Verbrennungsmotor mit einer Leistung von 10 bis 40 kW mit integriertem Generator, letzterer vorzugsweise als PM-Generator, aufgebaut auf einen Motor mit vertikaler Kurbelwelle und einem Gesamthubraum bis ca. 1,2 l.
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Mit dieser Bauart und Steuerung eines Range Extenders wird ein Liegenbleiben des Fahrzeugs auf der Heimfahrt zuverlässig vermieden, denn der motorische Antrieb bietet eine quasi unbegrenzte Reserve zur Aufrechterhaltung eines Mindest-Ladezustands der Batterie zur Abgabe ihrer Normalleistung an die elektrischen Antriebsmotore des Fahrzeugs.
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Darüber hinaus gilt es, weitere Anforderungen an geeignete Motorkonzepte zu beachten wie ein günstiges NVH-Verhalten – NVH steht hierbei für Motoreigenschaften in Bezug auf Noise, Vibration, Harshness – sowie die weitgehende Vermeidung störender Massenkräfte durch Auswahl bewährter Motorbautypen, welche künftigen Emissionsanforderungen wie Euro V/VI genügen und bevorzugt wassergekühlt sind.
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Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann dabei für Heizzwecke verwendet werden und ermöglicht insbesondere ein rasches Anheben der Batterietemperatur in Kaltstartsituationen.
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Durch den Einspeisungsbeitrag des den Range Extender bildenden Stromaggregats können dessen Batteriesätze entsprechend kleiner ausgelegt werden, wobei eine spürbare Einsparung an Kosten und Gewicht möglich ist.
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Es sind Verbrennungsmotoren mit vertikaler Kurbelwelle zahlreich bekannt (
US 5 997 372 A ,
US 2007/0277762 A1 ,
US 5 037 340 A ); sie erleichtern grundsätzlich eine Reduzierung des beanspruchten Einbauraums in Richtung ihrer Bauhöhe. Selbst bei Anwendung der Trockensumpfschmierung genügt die bei den bekannten Bauformen erreichbare Reduzierung der vertikalen Abmessung nicht den Anforderungen der Praxis.
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Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Verbrennungsmotor und ein Stromaggregat zu schaffen, welches einen anwendungsoptimierten Verbrennungsmotor und mit diesem eine vorteilhafte Baueinheit bildenden Generator umfasst, derart dass das kombinierte Stromaggregat in Bezug auf seine Einbauhöhe minimalsten Anforderungen genügt und darüber hinaus die oben aufgezeigten vorteilhaften Eigenschaften auf sich vereinigt. Neben einer geeigneten Auswahl der Generator- und Motorbauart geht es dabei insbesondere um die konstruktive Gestaltung der Lagerung der Kurbelwelle im Inneren des Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Kennzeichen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 12 gelöst.
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Zur Minimierung der Bauhöhe besitzt der Verbrennungsmotor neben einer Trockensumpfschmierung eine im Inneren des Kurbelgehäuses mittels Schrauben befestigte Lagerplatte in welcher das untere Ende der Kurbelwelle gelagert ist und welche für den Zustrom von Öl aus dem Kurbeltrieb in einen Ölsammelraum unterhalb der Lagerplatte geeignet angeordnet bzw. ausgebildet ist. Der Ölsammelraum ist über einen Pumpenpfad mit einem Ölbehälter für Reinöl verbunden. Durch diese Ausführung ohne die übliche Ölwanne und deren Ersetzen durch einen an anderer Stelle des Kurbelgehäuses angeordneten Ölbehälter schrumpft die Bauhöhe des Verbrennungsmotors spürbar zusammen.
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Zur Schaffung eines entsprechend flachen Stromaggregats ist als nebengeordnete Erfindung vorgesehen, dass auf dem oberen Ende der Kurbelwelle (33) anstelle eines Schwungrads des Verbrennungsmotors ein PM-Generator (2) aufgesetzt ist.
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Als geeignete Motorenkonzepte für den Verbrennungsmotor kommen ein Zwei-Zylinder-Boxermotor, ein Zwei-Zylinder-90°-V-Motor, ein Zwei-Zylinder-180°-V-Motor oder ein Sternmotor bevorzugt in Frage; es handelt sich dabei um Motorbauarten, die grundsätzlich – in Achsrichtung der Kurbelwelle gesehen – kurzbauend sind, wobei der Sternmotor die niedrigste Bauhöhe, mit vertikaler Kurbelwelle, ermöglicht. Beim Zwei-Zylinder-Boxermotor liegen sich die beiden Zylinder allerdings nicht genau gegenüber sondern sind in der Höhe geringfügig zueinander versetzt, entsprechend dem bekannten Konstruktionsprinzip des Boxermotors. Der 90°-V-Motor mit leicht versetzten Zylindern ist demgegenüber um eine Kurbelwangenbreite niedriger, wobei allerdings Massenkräfte höherer Ordnung in Kauf zu nehmen sind, welche beim Boxermotor gänzlich vermieden werden. Beim 180°-V-Motor mit Gabelpleuel und dem Sternmotor liegen sich die Zylinder direkt gegenüber, was deren besonders geringe Bauhöhe ermöglicht.
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Auf diese Weise gelingt es bei erfindungsgemäßer Ausbildung des Kurbelgehäuses die Gesamthöhe des Verbrennungsmotors auf unter 200 mm zu reduzieren. Zuzüglich eines als Schwungscheibe aufgebauten PM-Generators ergibt sich dann eine maximale Aggregatbauhöhe von weniger als 250 mm für den Boxermotor; alle anderen aufgezeigten Motorenkonzepte liegen noch darunter. Diese niedrige Bauhöhe ist, wie der Fachmann weiß, einzigartig, d. h. bisher durch keine bekannte Ausführung für den genannten Leistungsbereich von 10 bis 40 kW erreicht worden.
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Eine besonders vorteilhafte konstruktive Maßnahme im Rahmen der vorliegenden Konzeption für einen neuartigen Verbrennungsmotor besteht in der besonderen Ausgestaltung der genannten Lagerplatte.
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Diese kann zur Aussteifung des Kurbelgehäuses mehrere Zentriervorsprünge zu deren Befestigung im Inneren des Kurbelgehäuses aufweisen.
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Sie kann ferner längs Ihres Außenumfangs mit Abstand an das Kurbelgehäuse angeschlossen sein, damit die Abströmung des Öls aus dem Triebwerksraum in den Ölsammelraum gefördert wird. Dem gleichen Zweck dient eine Mehrzahl von Durchbrechungen der Lagerplatte. Aus dem Ölsammelraum unterhalb der Lagerplatte wird das gebrauchte Öl dann im Sinne einer Trockensumpfschmierung abgesaugt und dem Ölbehälter für das Reinöl zugeführt.
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Zweckmäßigerweise und wiederum mit dem Ziel einer Reduzierung der Bauhöhe ist dabei der Reinölbehälter oberhalb dem Ölsammelraum seitlich des Kurbelraums im Kurbelgehäuse angeordnet und mit einem öldichten Deckel versehen.
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Während das Kurbelgehäuse bis auf diesen Deckel nach oben hin geschlossen ist, ist es nach unten offen ausgebildet, wobei der Ölsammelraum über einem dort öldicht angeschlossenen Gehäuseboden im Inneren des Kurbelgehäuses ausgebildet ist. Durch diesen Gehäuseboden ist das Kurbelgehäuse somit nach unten hin öldicht verschlossen. Es ist im Übrigen ungeteilt ausgebildet und umfasst neben dem Ölsammelbehälter und dem Reinölbehälter die üblichen Zylinderdome für die beiden Zylinder, welche zur Gehäusemitte hin an die Wand des zentralen Kurbelraums anschließen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind beide Ölpumpen im Inneren des Reinölbehälters angeordnet, wobei sie dort bevorzugt auf derselben Antriebswelle sitzen und wobei die erste Ölpumpe eine größere Förderleistung besitzt als die zweite Ölpumpe, um die Entleerung des Ölsammelraums in den größer dimensionierten Reinölbehälter sicherzustellen.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass der an die Außenwand des Kurbelgehäuses angrenzende Wandteil des Reinölbehälters als Doppelwand ausgebildet ist, deren Zwischenraum von Kühlwasser durchströmt wird und mit den Kühlwasserräumen der Zylinder verbunden ist. Auf diese Weise gelingt es, das Kühlwasser zur effektiven Kühlung des Reinöls einzusetzen.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Stromaggregat in der Ansicht von oben,
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2 das Stromaggregat nach 1 mit entfernter Generatoreneinheit und offenem Reinölbehälter,
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3 eine Ansicht des Stromaggregats gemäß 1 von unten mit entferntem Gehäuseboden,
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4 eine Seitenansicht des Stromaggregats gemäß Pfeil IV in 1,
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5 eine Seitenansicht des Stromaggregats gemäß Pfeil V in 1,
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6 eine Seitenansicht des Stromaggregats gemäß Pfeil VI in 1 und
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7 einen Schnitt durch das Stromaggregat längs der Kurbelwellenachse.
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In der Draufsicht auf das Stromaggregat gemäß 1 erkennt man im Zentrum eines Lüftrads 1, welches der Gebläsekühlung des Verbrennungsmotors dient, einen Rotor 2 eines PM-Generators, welcher auf dem Verbrennungsmotor am oberen Ende seiner vertikalen Kurbelwelle 33 aufgebaut ist. Unter dem Lüfterrad 1 befindet sich ein Verbrennungsmotor in Form eines Zwei-Zylinder-Boxermotors mit dem Kurbelgehäuse 3, den Motorzylindern 8, den Zylinderköpfen 4 und den Zylinderkopfdeckeln 5. Am Kurbelgehäuse 3 sind in den vier Ecken Motorfüße 6 angegossen. Ein Ölbehälter 16 für Reinöl befindet sich unter einem Deckel 7 des Kurbelgehäuses 3. Ferner ist ein Einfülldeckel 9 für Motoröl erkennbar.
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2 zeigt ebenfalls eine Draufsicht auf den Verbrennungsmotor bei entfernter Baueinheit aus PM-Generator und Lüfterrad 1. Auf der Oberseite der Wand 10 des Kurbelraums des Kurbelgehäuses 3 sind jeweils mit gleichem radialen Abstand von der Kurbelwellenachse Befestigungsblöcke 11 für die Montage des PM-Generators vorgesehen. Am rechten Zylinderkopf 4 erkennt man den Abgaskanal 14 mit Abschlussflansch 15 zu Abgasleitung.
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Ein am Kurbelgehäuse 3 angeformter Reinölbehälter 16 für Reinöl, dessen Deckel 7 abgenommen ist, besitzt eine Doppelwand 17, deren Innenraum 18 mit Kühlwasser der Motorkühlung gekühlt wird. Ein Kühlwasserzulauf 19 befindet sich auf der Vorderseite des Ölbehälters 16. Im Inneren des Reinölbehälters 16 für Reinöl befindet sich ein Rohölkanal 20, durch welchen Rohöl von zwei hintereinander angeordneten Ölpumpen 21, 22 über einen Ölfilter 22 durch eine Ölaustrittsöffnung 23 in den Reinölbehälter 16 gefördert wird. Die erste Ölpumpe 21a ist unter dem Boden 24 des Reinölbehälters 16 mit einem Ölsammelraum 25 für Rohöl aus dem Kurbelraum 26 verbunden; die zweite Ölpumpe 21b sitzt auf derselben Antriebswelle darüber und fördert Reinöl zu den Lagerstellen.
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3 zeigt die Ansicht des Verbrennungsmotors von unten mit vom Bodenflansch 27 des Kurbelgehäuses 3 abgeschraubtem Boden 28. Die Stoßstangen 29 werden über Nocken betätigt, die sich auf der Rückseite des Zahnrads 30 auf der Nockenwelle 31 befinden. Das Zahnrad 30 auf der Nockenwelle 31 wird angetrieben durch das Zahnrad 32 auf der Kurbelwelle 33. Über ein Zwischenrad 34 treibt das Zahnrad 32 auf der Kurbelwelle 33 ein Zahnrad 35 für den Antrieb der beiden Ölpumpen.
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Ferner erkennt man in 3 einen Deckel 36 für den Zugang zum Ölfilter. Die Kurbelwelle 33 ist mit ihrem unteren Ende in einer Lagerplatte 37 gelagert, welche mittels der Schrauben 38 mit dem Kurbelgehäuse 3 verschraubt ist. Die Lagerplatte 37 besitzt eine Lagerplattenverlängerung 39, auf welcher das Zahnrad 35 für den Antrieb der Ölpumpen gelagert ist. Die Lagerplatte 37 besitzt ferner eine Anzahl Durchbrechungen 40 für den Durchtritt des Öls aus dem Kurbelraum 26 in den flachen Ölsammelraum 25 oberhalb des Bodens 28 des Kurbelgehäuses 3. Zu ihrer zentrischen Fixierung besitzt die Lagerplatte 37 mehrere Zentrierungsvorsprünge 13, welche in entsprechende Sitze im Inneren des Kurbelgehäuses 3 eingreifen.
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Die 4, 5 und 6 zeigen unterschiedliche Seitenansichten gemäß den Pfeilen IV, V und VI in 1.
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In diesen drei Seitenansichten werden für gleiche Teile die Bezugszeichen gemäß den 1–3 verwendet, welche somit keiner näheren Erwähnung bedürfen. Lüfterschaufeln 41 des Lüfterrads 1 befinden sich oberhalb des PM-Generators 2. Dessen Schnittdarstellung gemäß 7 zeigt den Stator 42 und den Rotor 43 des PM-Generators 2. Zwischen beiden sind die Permanentmagnete 44 auf dem Innenumfang des Rotors 43 angeordnet.
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In 5 ist im Zentrum der Nockenwellenschacht 45 dargestellt, in dessen Inneren neben einer (nicht dargestellten) kurzen Nockenwelle auch das Nockenwellenzahnrad 30 (3) angeordnet sind. Zu beiden Zylinderköpfen 4 ist die jeweilige Ansaugöffnung 46 mit Ansaugflansch 47 eingezeichnet.
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6 zeigt die Seitenansicht auf einen Zylinderkopfdeckel 5; ferner erkennt man zwei der Zuganker 48 des Motors. Schließlich zeigt 6 die Außenansicht des Ölbehälters 16 mit dessen Kühlwasserzulauf 19.
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7 zeigt einen Schnitt durch das Stromaggregat längs der Kurbelwellenachse. Auch hier sind die bereits vorstehend beschriebenen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Man erkennt, dass die beiden Zylinder 8 mit Kolben 53 und Pleuel 52, wie beim bekannten Zwei-Zylinder-Boxermotor üblich, in der Höhe um eine Kurbelwangenbreite versetzt sind. Diese Versetzung um die Breite der mittleren Kurbelwange 49 entfällt beim 180°-V-Motor sowie beim Sternmotor, so dass sich deren Bauhöhe entsprechend verringert. Bei einem Zwei-Zylinder-Boxermotor ist es möglich, die Gesamtbauhöhe k des reinen Verbrennungsmotors ohne PM-Generator auf etwa 200 mm zu begrenzen. Entscheidet man sich für eine der oben genannten alternativen Motorvarianten, so kann die Bauhöhe k sogar noch auf ein Maß unter 200 mm reduziert werden.
