DE102018010272A1 - Stromaggregat - Google Patents

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DE102018010272A1
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generator
crankshaft
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reciprocating engine
shaft
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Frank Obrist
Tsuneo Konno
Oliver Obrist
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    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/46—Series type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
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    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B1/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/10—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with more than one main shaft, e.g. coupled to common output shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B21/00—Combinations of two or more machines or engines
    • F01B21/02—Combinations of two or more machines or engines the machines or engines being all of reciprocating-piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F02B63/042—Rotating electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B67/00—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for
    • F02B67/04—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for of mechanically-driven auxiliary apparatus
    • F02B67/06—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for of mechanically-driven auxiliary apparatus driven by means of chains, belts, or like endless members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B75/20—Multi-cylinder engines with cylinders all in one line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B75/22—Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
    • F02B75/228—Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement with cylinders arranged in parallel banks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0002—Cylinder arrangements
    • F02F7/0007—Crankcases of engines with cylinders in line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/22—Compensation of inertia forces
    • F16F15/26—Compensation of inertia forces of crankshaft systems using solid masses, other than the ordinary pistons, moving with the system, i.e. masses connected through a kinematic mechanism or gear system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/28—Counterweights, i.e. additional weights counterbalancing inertia forces induced by the reciprocating movement of masses in the system, e.g. of pistons attached to an engine crankshaft; Attaching or mounting same
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/30—Flywheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H7/00—Gearings for conveying rotary motion by endless flexible members
    • F16H7/02—Gearings for conveying rotary motion by endless flexible members with belts; with V-belts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H7/00—Gearings for conveying rotary motion by endless flexible members
    • F16H7/06—Gearings for conveying rotary motion by endless flexible members with chains
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4833—Step up or reduction gearing driving generator, e.g. to operate generator in most efficient speed range
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
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Abstract

Die Erfindung betrifft Stromaggregat, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, mit
- einem Zweizylinder-Hubkolbenmotor, der zwei Kolben (3, 4), die in zwei Zylindern (1, 2) in Tandem-Anordnung geführt sind, und zwei gegenläufige Kurbelwellen (7, 8) aufweist, die mit den Kolben (3, 4) durch Pleuel (5, 6) verbunden sind
- einem Generator (11), der zur ersten Kurbelwelle (7) gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle (8) gegenläufig drehbar ist, und
- einer Ausgleichswelle (12), die zur zweiten Kurbelwelle (8) gleichläufig und zur ersten Kurbelwelle (7) gegenläufig drehbar ist, wobei der Generator (11) über ein erstes Zugmittel (9) direkt mit der ersten Kurbelwelle (7) und die Ausgleichswelle (12) über ein zweites Zugmittel (10) direkt mit der zweiten Kurbelwelle (8) antriebsverbunden sind, und wobei die zweite Kurbelwelle (8) ein Schwungmassenelement (13) trägt und die Ausgleichswelle (12) ausschließlich durch eine Welle mit einer Ausgleichsmasse gebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem derartigen Stromaggregat.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Stromaggregat sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug mit einem solchen Stromaggregat.
  • Stromaggregate mit einem Zweizylinder-Hubkolbenmotor, dessen Kolben in zwei Zylindern in Tandemanordnung geführt sind und die gegenläufige Kurbelwellen aufweisen, welche mit dem Kolben durch Pleuel verbunden sind, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Insbesondere die auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2014 115 042 A1 , DE 10 2014 115 041 A1 , DE 10 2014 115 044 A1 und EP 2 633 166 B1 zeigen derartige Stromaggregate.
  • Den bekannten Stromaggregaten ist gemeinsam, dass sie einen Generator aufweisen, der mit einer der Kurbelwellen antriebsverbunden ist. Einige Varianten der bekannten Stromaggregate weisen außerdem eine Ausgleichswelle auf, die ebenfalls mit einer der Kurbelwellen antriebsverbunden ist.
  • Die vorbekannten Stromaggregate sind vielfältig anwendbar. Vorzugsweise kommen sie in Hybridfahrzeugen zum Einsatz. Insbesondere sind die vorbekannten Stromaggregate für eine elektrische Nennleistung von etwa 85 kW ausgelegt aufweist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bestehende Grundkonzept weiterzuentwickeln und insbesondere auf Anwendungsgebiete auszuweiten, welchen geringere Leistungen genügen. Gleichzeitig soll das Stromaggregat möglichst kostengünstig in der Serie gefertigt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug mit einem solchen Stromaggregat anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das neuartige Stromaggregat gemäß Anspruch 1 und im Hinblick auf das Fahrzeug durch den Gegenstand des Anspruchs 12 gelöst.
  • Konkret beruht die Erfindung auf dem Gedanken, ein Stromaggregat, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, mit einem Zweizylinder-Hubkolbenmotor anzugeben. Der Zweizylinderhubkolbenmotor weist zwei Kolben und zwei gegenläufige Kurbelwellen auf. Die Kolben sind in zwei Zylindern in Tandemanordnung geführt. Die Kurbelwellen sind mit den Kolben durch Pleuel verbunden. Ferner umfasst das Stromaggregat einen Generator, der zur ersten Kurbelwelle gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle gegenläufig drehbar ist, sowie eine Ausgleichswelle, die zur zweiten Kurbelwelle gleichläufig und zur ersten Kurbelwelle gegenläufig drehbar ist. Der Generator ist dabei über ein erstes Zugmittel direkt mit der ersten Kurbelwelle antriebsverbunden, wobei die Ausgleichswelle über ein zweites Zugmittel direkt mit der zweiten Kurbelwelle antriebsverbunden ist. Die Ausgleichswelle und/oder die zweite Kurbelwelle tragen ein Schwungmassenelement.
  • Die Erfindung fußt auf der Idee, einen zweiten Generator, wie er beispielsweise im Stand der Technik gemäß DE 10 2014 115 042 A1 vorgesehen ist, durch ein Schwungmassenelement auf der Ausgleichswelle und/oder der zweiten Kurbelwelle zu ersetzen. Durch das Schwungmassenelement wird die Laufruhe erreicht, die auch das bekannte Stromaggregat aufweist. Damit geht also die Leistungsreduktion nicht mit weiteren Beeinträchtigungen an den Vorteilen der bekannten Stromaggregate einher.
  • Gleichzeitig können identische Bauteile wie bei anderen, vorbekannten Stromaggregaten mit höherer Leistungsstufe eingesetzt werden. Somit entsteht ein Bauteilsystem, mit welchem kostengünstig Stromaggregate unterschiedlicher Leistungsstufen hergestellt werden können. Insbesondere der Zweizylinder-Hubkolbenmotor als Grundmodul des Bauteilsystems kann so identisch für verschiedene Leistungsstufen beigebhalten werden. Die Kosten bei der Serienfertigung werden dadurch erheblich reduziert.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Betrag der rotierenden Masse (Schwungmasse) des Schwungmassenelements im Wesentlichen der Summe der Erträge der rotierenden Massen des Generators und der ersten Kurbelwelle entspricht. Insgesamt ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Generator und die erste Kurbelwelle im Betrieb gleichläufig rotieren, wobei die Ausgleichswelle und die zweite Kurbelwelle im Betrieb ihrerseits gleichläufig rotieren, jedoch gegenläufig zur Rotationsrichtung des Generators und der ersten Kurbelwelle. Indem nun bevorzugt vorgesehen ist, dass die rotierende Masse des Schwungmassenelements, welches auf der Ausgleichswelle und/oder der zweiten Kurbelwelle angeordnet ist, der Summe der rotierenden Massen des Generators und der ersten Kurbelwelle entspricht, wird ein dynamischer Massenausgleich erreicht. Konkret können Massenkräfte zweiter Ordnung ausgeglichen werden. Dies sorgt für einen besonders ruhigen, insbesondere schwingungsarmen Betrieb des Stromaggregats.
  • Der Vorteil der hohen Laufruhe, der mit dem erfindungsgemäßen Stromaggregat erreicht wird, ist insbesondere für den Einsatz des Stromaggregats in einem Hybridfahrzeug wesentlich. Das Stromaggregat ist insbesondere in Kombination mit einem seriellen Hybridsystem vorgesehen, bei welchem das Stromaggregat lediglich elektrische Energie erzeugt, die in einem Batteriespeicher zwischengespeichert und anschließend an Elektromotoren des Antriebsstrangs geleitet wird. Die Elektromotoren dienen als direkte Antriebsmotoren für die Antriebsachse bzw. die angetriebenen Räder des Hybridfahrzeugs.
  • Als Teil eines seriellen Hybridsystems kann der Hubkolbenmotor des Stromaggregats in einem Drehzahlbereich betrieben werden, der unabhängig von der aktuellen Fahrgeschwindigkeit ist. Insbesondere kann der Hubkolbenmotor konstant in einem vorbestimmten Drehzahlbereich gehalten werden, um so möglichst effizient und mit geringem Treibstoff- und Schadstoffausstoß elektrische Energie bereitzustellen.
  • Da Hybridfahrzeuge mit einem Batteriespeicher ausgerüstet sind, ist es auch nicht erforderlich, dass das Stromaggregat während des Fahrbetrieb des Hybridfahrzeugs konstant aktiviert ist. Der Hubkolbenmotor wird mittels einer Steuerung vorzugsweise nur dann in Betrieb gesetzt, wenn dies zum Nachführen von elektrischen Energie in den Batteriespeicher erforderlich ist.
  • Das führt dazu, dass das Stromaggregat im Fahrbetrieb des Hybridfahrzeugs mehrfach ein- und ausgeschalten wird. Insbesondere beim Start eines Hubkolbenmotors der herkömmlichen Bauart werden dabei starke Schwingungen erzeugt, die sich in den Fahrgastraum übertragen und als unangenehm empfunden werden.
  • Hier kommt die besondere Laufruhe des erfindungsgemäßen Stromaggregats zur Geltung, die sich insbesondere im Startverhalten des Hubkolbenmotors zeigt. Durch den Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung werden Schwingungen, insbesondere beim Starten des Motors, erheblich reduziert. Gleichzeitig wird durch die hohe Laufruhe des Hubkolbenmotors die Geräuschemission des erfindungsgemäßen Stromaggregats sehr niedrig gehalten. Im Ergebnis führt dies zu einem derart ruhigen Start und Lauf des Zweizylinder-Hubkolbenmotors, dass ein Insasse in einem mit dem erfindungsgemäßen Stromaggregat ausgestatteten Hybridfahrzeug üblicherweise weder anhand von Vibrationen noch anhand einer Geräuschentwicklung registriert, dass das Stromaggregat in Betrieb genommen wurde. Damit können also Hybridfahrzeuge geschaffen werden, deren Laufruhe und Geräuschemission rein batterieelektrischen Fahrzeugen nahezu gleichkommt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromaggregats ist vorgesehen, dass das erste Zugmittel zwischen der ersten Kurbelwelle und dem Generator und das zweite Zugmittel zwischen der zweiten Kurbelwelle und der Ausgleichswelle umlenkungsfrei geführt sind. Im Rahmen der Anmeldung wird eine umlenkungsfreie Führung der Zugmittel auch dann als solche verstanden, wenn die Zugmittel beispielsweise durch Kettenspanner oder ähnliche Vorrichtungen geführt sind, sofern diese keine Momente oder Kräfte abgreifen.
  • Wesentlich ist, dass eine Kraftübertragung bei dem ersten Zugmittel vorzugsweise ausschließlich an der ersten Kurbelwelle und dem Generator erfolgt. Bei dem zweiten Zugmittel erfolgt eine Kraftübertragung vorzugsweise nur an der zweiten Kurbelwelle und der Ausgleichswelle. Dazwischen angeordnete Führungen, beispielsweise durch Kettenspanner, nehmen keine Kräfte des Zugmittels auf, so dass hier eine Umlenkungsfreiheit im Sinne der vorliegenden Anmeldung vorliegt.
  • Die umlenkungsfreie Führung hat den Vorteil, dass auf diese Weise die Anzahl zueinander relativbeweglicher Teile reduziert ist, wodurch zusätzliche Geräuschemissionen vermieden werden. Dies trägt somit ebenfalls zur Laufruhe sowohl im akustischen als auch im mechanischen Sinn bei.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass mit dem Hubkolbenmotor nur ein einziger Generator gekoppelt ist. Da elektrische Generatoren kostspielig sind, führt die Reduktion auf einen einzigen Generator zu einer entsprechenden Kostenersparnis. Außerdem wird auf diese Weise Bauraum eingespart, der insbesondere in Anwendungsbereichen bei Kleinfahrzeugen, wie Quads, Motorrädern oder ähnlichen Fahrzeugen, rar ist.
  • Dabei wird darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Anmeldung die bevorzugte Variante mit einem einzigen Generator nur auf einen elektrischen Generator bezogen ist, der so dimensioniert ist, dass die Leistung des Hubkolbenmotors hauptsächlich an den Generator abgegeben und in elektrische Energie umgewandelt wird. Nebengeneratoren, wie beispielsweise für eine Ölpumpe und dergleichen, sind dabei nicht umfasst. Mit anderen Worten weist auch ein Stromaggregat einen einzigen Generator im Sinne der vorliegenden Anmeldung auf, wenn Nebengeneratoren für Zusatzaggregate, wie beispielsweise eine Ölpumpe, zusätzlich vorgesehen sind.
  • Als Generator im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird insbesondere ein Generator bezeichnet, der dazu vorgesehen ist, elektrische Energie in eine Fahrbatterie eines Hybridfahrzeugs einzuspeisen, wobei der Generator so dimensioniert ist, dass für den Fahrantrieb eines Hybridfahrzeugs ausreichend elektrische Energie bereitgestellt werden kann. Weitere elektrische Maschinen im Stromaggregat, die beispielsweise Nebenaggregate betreiben, werden demgegenüber als Nebengeneratoren bezeichnet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Zugmittel die erste Kurbelwelle ausschließlich mit dem Generator verbindet. Dabei wird als Verbindung zwischen der ersten Kurbelwelle und dem Generator eine solche verstanden, die Kräfte überträgt. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass erste Zugmittel die erste Kurbelwelle ausschließlich mit dem Generator kraftübertragend verbindet. Auf diese Weise wird wiederum die Laufruhe verbessert, da weitere kraftübertragende Verbindungen mit bewegten Teilen vermieden werden. Außerdem dient diese Gestaltung der Kompaktheit des Stromaggregats.
  • Der Vorteil der Laufruhe und der kompakten Bauweise wird dadurch weiter verbessert, indem vorzugsweise das zweite Zugmittel die zweite Kurbelwelle ausschließlich mit der Ausgleichswelle verbindet, insbesondere kraftübertragend, verbindet.
  • Das erste Zugmittel und das zweite Zugmittel können insbesondere die gleiche Länge aufweisen. Damit können für das erste Zugmittel und das zweite Zugmittel gleiche Bauteile eingesetzt werden, wodurch der Standardisierungsgrad in der Serienfertigung erhöht werden kann. Dies wirkt sich positiv auf die Bauteilkosten und somit auf die Fertigungskosten des Stromaggregats aus.
  • Das erste Zugmittel und das zweite Zugmittel können jeweils durch eine Zahnkette oder einen Zahnriemen gebildet sein. Der Einsatz eines Zahnriemens ist besonders bevorzugt, um die Geräuschemissionen gering zu halten. Eine Zahnkette zeichnet sich durch eine erhöhte Dauerfestigkeit und geringere Bauteilkosten aus.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zweizylinder-Hubkolbenmotor eine Nennleistung von mindestens 30 kW und/oder höchstens 50 kW aufweist. Andere Leistungsstufen im Bereich zwischen 30 kW und 50 kW sind möglich. Insbesondere ist in einer bevorzugten Variante vorgesehen, dass der Zweizylinderhubkolbenmotor eine Nennleistung von 45 kW aufweist.
  • Um möglichst viele Bauteile einzusparen und so die Kosten einer Serienfertigung möglichst gering zu halten, ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Zweizylinder-Hubkolbenmotor als reiner Saugmotor ausgebildet ist. Das bedeutet im Sinne der vorliegenden Anmeldung insbesondere, dass der Zweizylinder-Hubkolbenmotor keinen Abgasturbolader oder elektrischen Kompressor aufweist.
  • Als Ausgleichswelle kommt bei dem erfindungsgemäßen Stromaggregat vorzugsweise eine Welle mit einer Ausgleichsmasse zum Einsatz. Konkret kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Ausgleichswelle ausschließlich durch eine Welle mit einer Ausgleichsmasse gebildet ist. Die Ausgleichswelle ist also vorteilhaft besonders einfach aufgebaut, was eine Serienfertigung vereinfacht und zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug mit einem zuvor beschriebenen Stromaggregat. Wegen der besonderen Laufruhe des Stromaggregats kann das erfindungsgemäße Fahrzeug als besonders fahrkomfortabel angesehen werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1: ein erfindungsgemäßes Stromaggregat nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei das Schwungmassenelement von der Ausgleichswelle getragen wird; und
    • 2: ein erfindungsgemäßes Stromaggregat nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei das Schwungmassenelement von der zweiten Kurbelwelle getragen wird.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßes Stromaggregat gezeigt, das im Wesentlichen durch einen Hubkolbenmotor, einen Generator 11 und einer Ausgleichswelle 12 gebildet ist. Der Hubkolbenmotor weist zwei in Tandemform, insbesondere parallel zueinander, angeordnete Zylinder 1 und 2 auf. In den Zylindern 1 und 2 sind Kolben 3, 4 geführt, die durch Pleuel 5, 6 gelenkig jeweils mit einer Kurbelwelle 7, 8 gekoppelt sind. Die Kurbelwellen 7, 8 sind gegenläufig rotierbar und weisen jeweils stirnseitig Zahnräder 9, 10 auf, die ineinandergreifen, um so die Bewegung der Kolben 3, 4 zu synchronisieren.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen den Gelenkverbindungen zwischen den Pleueln 5, 6 und den Kolben 3, 4 kleiner als der Abstand der Kurbelwellenachsen zueinander ist. Die Zylinder 1, 2 sind also bezüglich der Kurbelwellen 7, 8 nach innen versetzt angeordnet. Das führt dazu, dass in einem oberen Totpunkt der Kolben die Pleuel 5, 6 in einem leichten Winkel zu den Kurbelwellenachsen stehen, wodurch die Kolbenschaftreibung reduziert wird. Daraus ergibt sich ein besonders ruhiger Motorstart.
  • Die Kolben 3, 4 und die Kurbelwellen 7, 8 sind so zueinander ausgerichtet, dass die Kolben 3, 4 im Betrieb des Zweizylinderhubkolbenmotors parallel zueinander laufen. Das bedeutet, dass die Kolben 3, 4 zeitgleich den oberen und den unteren Totpunkt in den Zylindern 1, 2 erreichen. Dabei durchlaufen beide Kolben vorzugsweise denselben Hubraum.
  • Die Zahnräder 9, 10 an den Stirnseiten der Kurbelwellen 7, 8 können als geradverzahnte oder schrägverzahnte Zahnräder bzw. Stirnräder ausgebildet sein. Die Verwendung von schrägverzahnten Zahnrädern wird besonders bevorzugt, da durch die Schrägverzahnung eine erhebliche Geräuschreduktion zu erreichen ist.
  • Seitlich und in einer Ebene mit den Zylindern 1, 2 angeordnet ist ein Generator 11 vorgesehen, der über ein erstes Zugmittel 9 mit der ersten Kurbelwelle 7 direkt antriebsverbunden ist. Das erste Zugmittel kann insbesondere durch eine Zahnkette oder einen Zahnriemen gebildet sein. Das erste Zugmittel 9 erstreckt sich im Wesentlichen umlenkungsfrei zwischen dem Generator 11 und der ersten Kurbelwelle 7.
  • Ferner ist eine Ausgleichswelle 12 vorgesehen, die im Wesentlichen auf derselben Höhe wie der Generator 11 angeordnet ist. Die Ausgleichswelle 12 ist neben dem Hubkolbenmotor in der Ebene der Zylinder 1, 2 angeordnet. Dabei ist die Ausgleichswelle 12 vorzugsweise dem Generator 11 gegenüberliegend angeordnet.
  • Mit anderen Worten ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Drehachsen des Generators 11, der Ausgleichswelle 12 und der beiden Kurbelwellen 7, 8 parallel zueinander ausgerichtet sind. Dabei liegen die Drehachsen der Kurbelwellen 7, 8 auf einer unteren und die Drehachsen des Generators 11 und der Ausgleichswelle 12 auf einer oberen Horizontalebene. Auf diese Weise kann ein besonders kompakter Aufbau des Stromaggregats erzielt werden, wie dies in den 1 und 2 gut erkennbar ist.
  • Der Hubkolbenmotor weist außerdem nicht dargestellte, untenliegende Nockenwellen auf, die mehrere Ventile 14 antreiben. Die Nockenwellen werden mittels eines dritten Zugmittels 15, das insbesondere als Riemen oder Kette ausgebildet sein kann, von der zweiten Kurbelwelle 8 angetrieben.
  • Der Hubkolbenmotor umfasst außerdem eine Ölwanne 16 mit einem Ölfilter 17 und einer Ölpumpe 18, wobei die Ölpumpe 18 über ein viertes Zugmittel 19 mit der ersten Kuppelwelle 7 antriebsverbunden ist.
  • Um die vorteilhafte besondere Laufruhe des Stromaggregats zu erreichen, ist ein Schwungmassenelement 13 vorgesehen. Das Schwungmassenelement kann als Schwungscheibe mit einer exzentrischen Schwungmasse ausgestaltet sein. Die auszugleichenden Massenträgheitsmomente entstehen durch den Generator 11, der bei Rotation eine entsprechende Unwucht und somit Schwingungen hervorruft. Der Ausgleich erfolgt durch das Schwungmassenelement 13 dadurch, dass dieses auf Bauteilen montiert ist, die gegenläufig zum Generator 11 rotieren. Dies betrifft einerseits die zweite Kurbelwelle 8 und andererseits die Ausgleichswelle 12.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das Schwungmassenelement 13 auf der Ausgleichswelle 12 befestigt. Insbesondere trägt die Ausgleichswelle 12 das Schwungmassenelement 13. Das Schwungmassenelement 13 ist mit der Ausgleichswelle 12 drehfest verbunden. Bei dieser Ausführungsform des Stromaggregats am Generator 11 und der Ausgleichswelle 12 angebrachten Zahnräder bzw. Riemenscheiben, die mit den jeweiligen Zugmitteln 9, 10 im Eingriff stehen, mit den gleichen Durchmessern ausgestattet. Das führt dazu, dass der Generator 11 und die Ausgleichswelle 12 mit derselben Rotationsgeschwindigkeit drehen, so dass sich die rotierende Masse des Generators 11 und die rotierende Schwungmasse des Schwungmassenelements 13 ausgleichen. Auf diese Weise werden insbesondere Massenträgheitsmomente zweiter Ordnung ausgeglichen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das Schwungmassenelement 13 an der zweiten Kurbelwelle 8 angeordnet. Insbesondere trägt die zweite Kurbelwelle 8 das Schwungmassenelement 13. Die Kopplung des Schwungmassenelements 13 mit der zweiten Kurbelwelle 8 erfolgt jedoch vorzugsweise mittelbar durch ein Übersetzungsgetriebe, so dass das Schwungmassenelement 13 im Betrieb mit gegenüber der zweiten Kurbelwelle 8 doppelter Geschwindigkeit dreht.
  • In den 1 und 2 ist grundsätzlich erkennbar, dass die Zugmittel 9, 10 eine Übersetzung im Verhältnis 2:1 zwischen dem Generator 11 bzw. Ausgleichswelle 12 und den beiden Kurbelwellen 7, 8 bewirken. Das bedeutet, dass der Generator 11 doppelt so schnell rotiert wie die Kurbelwellen 7, 8. Um nun die Massenträgheitsmomente auszugleichen, die durch den Generator 11 maßgeblich ausgelöst werden, ist es daher zweckmäßig, das Schwungmassenelement 13 ebenfalls mit der Rotationsgeschwindigkeit des Generators 11, jedoch gegenläufig rotieren zu lassen. Sofern also das Schwungmassenelement von der zweiten Kurbelwelle 8 getragen wird, ist eine 2:1 Übersetzung vorteilhaft, so dass das Schwungmassenelement 13 doppelt so schnell wie die Kurbelwellen 7, 8 und folglich gleich schnell mit dem Generator dreht. Mit der Anordnung des Schwungmassenelements 13 auf der zweiten Kurbelwelle 8 können insbesondere Rollmomente ausgeglichen werden.
  • Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass der Zweizylinder-Hubkolbenmotor als reiner Saugmotor, insbesondere ohne einen Abgasturbolader oder einen Kompressor, also ohne Verdichtung der Verbrennungsansaugluft, ausgebildet ist. Dies reduziert zusätzlich Bauteilkosten und sorgt damit für eine besondere Vereinfachung in der Serienfertigung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 2
    Zylinder
    3, 4
    Kolben
    5, 6
    Pleuel
    7
    erste Kurbelwelle
    8
    zweite Kurbelwelle
    9
    erstes Zugmittel
    10
    zweites Zugmittel
    11
    Generator
    12
    Ausgleichswelle
    13
    Schwungmassenelement
    14
    Ventil
    15
    drittes Zugmittel
    16
    Ölwanne
    17
    Ölfilter
    18
    Ölpumpe
    19
    viertes Zugmittel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 102014115044 A1 [0002]
    • EP 2633166 B1 [0002]

Claims (11)

  1. Stromaggregat, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, mit - einem Zweizylinder-Hubkolbenmotor, der zwei Kolben (3, 4), die in zwei Zylindern (1, 2) in Tandem-Anordnung geführt sind, und zwei gegenläufige Kurbelwellen (7, 8) aufweist, die mit den Kolben (3, 4) durch Pleuel (5, 6) verbunden sind - einem Generator (11), der zur ersten Kurbelwelle (7) gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle (8) gegenläufig drehbar ist, und - einer Ausgleichswelle (12), die zur zweiten Kurbelwelle (8) gleichläufig und zur ersten Kurbelwelle (7) gegenläufig drehbar ist, wobei der Generator (11) über ein erstes Zugmittel (9) direkt mit der ersten Kurbelwelle (7) und die Ausgleichswelle (12) über ein zweites Zugmittel (10) direkt mit der zweiten Kurbelwelle (8) antriebsverbunden sind, und wobei die zweite Kurbelwelle (8) ein Schwungmassenelement (13) trägt und die Ausgleichswelle (12) ausschließlich durch eine Welle mit einer Ausgleichsmasse gebildet ist.
  2. Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag der rotierenden Masse des Schwungmassenelements (13) im Wesentlichen der Summe der Beträge der rotierenden Massen des Generators (11) und der ersten Kurbelwelle (7) nähert.
  3. Stromaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zugmittel (9) zwischen der ersten Kurbelwelle (7) und dem Generator (11) und das zweite Zugmittel (10) zwischen der zweiten Kurbelwelle (8) und der Ausgleichswelle (12) umlenkungsfrei geführt sind.
  4. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein einziger Generator (11) mit dem Hubkolbenmotor gekoppelt ist.
  5. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zugmittel (9) die erste Kurbelwelle ausschließlich mit dem Generator (11) verbindet.
  6. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zugmittel (10) die zweite Kurbelwelle ausschließlich mit der Ausgleichswelle (12) verbindet.
  7. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zugmittel (9) und das zweite Zugmittel (10) die gleiche Länge aufweisen.
  8. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zugmittel (9) und das zweite Zugmittel (10) jeweils durch eine Zahnkette oder einen Zahnriemen gebildet sind.
  9. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweizylinder-Hubkolbenmotor eine Nennleistung von mindestens 30kW und/oder höchstens 50kW aufweist.
  10. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweizylinder-Hubkolbenmotor als reiner Saugmotor ausgebildet ist.
  11. Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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