DE102019106102A1

DE102019106102A1 - Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE102019106102A1
Application number: DE102019106102.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Pischinger
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-05-16
Also published as: DE102018105779A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung umfassend einen Generator (10) mit einem Generatorwellenzahnrad (9) und einen Verbrennungsmotor (1), aufweisend ein Kurbelwellenzahnrad (5), mindestens einen Zylinder (2), mindestens einen Kolben und mindestens einen Kolbenbolzen, wobei der Kolben und/oder der Kolbenbolzen hinsichtlich des Gewichtes so ausgelegt sind, dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) während der Kompressionsphase das maximale Drehmoment des Generators (10) bei einer kritischen Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung.
Aus der DE102010025002A1 ist ein Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung bekannt.
Das erfindungsgemäße Energiewandlungssystem umfasst einen Generator mit einem Generatorwellenzahnrad und einen Verbrennungsmotor, aufweisend ein Kurbelwellenzahnrad, mindestens einen Zylinder, mindestens einen Kolben und mindestens einen Kolbenbolzen, wobei der Kolben und/oder der Kolbenbolzen hinsichtlich des Gewichtes so ausgelegt sind, dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors während der Kompressionsphase das maximale Drehmoment des Generators bei einer kritischen Drehzahl des Verbrennungsmotors nicht überschreitet.
Das Drehmoment eines Verbrennungsmotors setzt sich unter anderem zusammen aus einem Drehmoment durch Gaskraft und einem Drehmoment durch Massenkraft. Das Drehmoment durch Gaskraft ergibt sich hierbei durch den Gasdruck auf den Kolben. Das Drehmoment durch Massenkraft ergibt sich durch beschleunigte Massen unter anderem von Pleuel, Kolben und Kolbenbolzen.
Das Drehmoment durch Massenkraft nimmt dabei einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf um ein Drehmoment von 0, abhängig von einem Kurbelwellenwinkel, an. Das Drehmoment durch Gaskraft steigt für Kurbelwinkel, bei denen sich der Kolben hinter dem oberen Totpunkt befindet, stark bis zum maximalen Drehmoment des Verbrennungsmotors an. Das Gesamtdrehmoment ergibt sich aus einer Addition der Drehmomente durch Gaskraft und Massenkraft. Während der Kompressionsphase wirkt das Drehmoment durch Massenkraft dem Drehmoment durch Gaskraft entgegen.
Das Kurbelwellenzahnrad und das Generatorwellenzahnrad sind miteinander verbunden. Im Bereich des oberen Totpunktes am Ende der Kompressionsphase ändert sich die Drehrichtung des Drehmomentes durch Gaskraft, wodurch ein Zahnradflankenwechsel zwischen dem Generatorwellenzahnrad und dem Kurbelwellenzahnrad stattfindet. Dieser Zahnradflankenwechsel kann sich ungünstig auf das akustische Verhalten des Energiewandlungssystems auswirken, so dass es zu verminderter Laufruhe kommen kann.
Für den Fall, dass während der Kompressionsphase das maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors das maximale Drehmoment des Generators nicht überschreitet, kann eine Generatorsteuerung den Generator derart steuern, dass kein Zahnradflankenwechsel zwischen dem Generatorwellenzahnrad und dem Verbrennungsmotorzahnrad stattfindet. Dies kann zu einer zusätzlichen benötigten höheren Dimensionierung des Generators bezüglich des Drehmoments führen.
Drehzahlabhängig steigt das Drehmoment durch Massenkraft etwa quadratisch mit der Drehzahl, während das Drehmoment durch Gaskraft nahezu unabhängig von der Drehzahl ist. Bei Generatoren nimmt das drehzahlabhängige maximale Drehmoment üblicherweise mit steigender Drehzahl ab.
Durch eine vorteilhafte Auslegung der Gewichte der Kolben und/oder Kolbenbolzen kann das Drehmoment durch Massenkraft erhöht werden. In Fällen in denen das Drehmoment durch Massenkraft dem Drehmoment durch Gaskraft entgegenwirkt, kann somit eine Reduktion des Gesamtdrehmomentes erfolgen. Dies kann zum Beispiel während der Kompressionsphase der Fall sein. Dies ermöglicht beispielsweise die Verwendung eines Generators mit geringerem maximalen Drehmoment, was beispielsweise die Herstellungskosten reduzieren kann. Zusätzlich kann dadurch die Laufruhe des Energiewandlungssystems erhöht werden.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung.
Bei hauptsächlich elektrisch betrieben Fahrzeugen ist die Reichweite der Fahrzeuge üblicherweise hauptsächlich begrenzt durch eine in einer Batterie gespeicherten Energie. Der erzeugte Strom des Energiewandlungssystems kann dabei eingesetzt werden, um entweder das Fahrzeug direkt anzutreiben oder die Batterie noch während des Betriebs des Fahrzeugs aufzuladen, so dass ein erneuter externer Ladevorgang erst später nötig wird. Dadurch kann es zu einer vorteilhaften Reichweitenerhöhung des Fahrzeugs kommen.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Energiewandlungssystems zur Stromerzeugung. Es umfasset einen Generator 10 mit einem Generatorwellenzahnrad 9 und einen Verbrennungsmotor 1, aufweisend ein Kurbelwellenzahnrad 5, mindestens einen Zylinder 2, mindestens einen Kolben und mindestens einen Kolbenbolzen, wobei der Kolben und/oder der Kolbenbolzen hinsichtlich des Gewichtes so ausgelegt sind, dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 während der Kompressionsphase das maximale Drehmoment des Generators 10 bei einer kritischen Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 nicht überschreitet.
Dies ist hinsichtlich der Dimensionierung des Generators 10 in Bezug auf das maximale Drehmoment vorteilhaft. Durch eine Verringerung des maximalen Drehmoments des Verbrennungsmotors 1 übersteigt das maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 während der Kompressionsphase das Drehmoment des Generators 10 bis zu höheren Drehzahlen nicht. Dies kann zu verringerten Herstellungskosten und größerer Laufruhe im Betrieb des Energiewandlungssystems führen. Zusätzlich kann dadurch die Effizienz des Systems gesteigert werden.
Zudem weist das Energiewandlungssystem eine Generatorsteuerung 14 auf, die derart ausgestattet ist, den Generator 10 derart zu steuern, dass für einen Drehzahlbereich bis zu der kritischen Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 kein Zahnradflankenwechsel zwischen dem Generatorwellenzahnrad 9 und dem Kurbelwellenzahnrad 5 stattfindet.
Dies ist vorteilhaft für einen Drehzahlbereich ab einer Drehzahl von 0 Umdrehungen/Minute, da durch eine Vermeidung eines Zahnradflankenwechsels die Nachteile, die sich daraus ergeben ebenfalls vermieden werden können. Zu den vermiedenen Nachteilen können beispielsweise verminderte Laufruhe, verminderte Effizienz oder erhöhter Verschleiß gehören.
In einer Ausführungsform ist die kritische Drehzahl die Verbrennungsmotordrehzahl, bei der das maximale Drehmoment des Generators 10 auf 50% +/- 30% des globalmaximalen Drehmoments des Generators 10 gefallen ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform liegt die kritische Drehzahl in einem Bereich zwischen 100 und 10000 Umdrehungen/Minute, vorteilhafter zwischen 500 und 5000 Umdrehungen/Minute und noch vorteilhafter zwischen 500 und 4000 Umdrehungen/Minute.
Das globalmaximale Drehmoment des Generators 10 ist dabei das maximale Drehmoment des Generators 10, das der Generator 10 über alle Verbrennungsmotordrehzahlen aufweist.
Dies ist vorteilhaft, da besonders für diese Drehzahlbereiche ein Betrieb des Energiewandlungssystems üblich ist. Eine höhere Laufruhe, eine höhere Effizienz und ein geringerer Verschleiß sind deshalb hier besonders wünschenswert.
Vorzugsweise erstreckt sich der Drehzahlbereich bis zur kritischen Drehzahl über den kompletten Bereich der möglichen Verbrennungsmotordrehzahlen. Also von 0 Umdrehungen/Minute bis zur maximalen Drehzahl des Verbrennungsmotors. Somit könnte vorteilhafterweise für den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors ein Zahnradflankenwechsel vermieden werden. Liegt die kritische Drehzahl unterhalb der maximalen Drehzahl des Verbrennungsmotors kann das Energiewandlungssystem somit wahlweise in leisen oder lauteren Betriebspunkten verwendet werden.
Zudem weist der Verbrennungsmotor 1 zwei oder mehr Zylinder 2 auf, wobei die Phasenverschiebung zwischen den Kurbelwellenwinkeln der jeweiligen Zylinder 0° oder Vielfache von 180° beträgt.
Dies ist vorteilhaft, da eine so gewählte Phasenverschiebung zwischen den Kurbelwinkeln zu einer zusätzlichen Reduktion des maximalen Drehmoments während der Kompression des Verbrennungsmotors 1 führt. Bei einer solchen Konfiguration addieren sich die Drehmomente durch Massenkraft aller Zylinder auf und wirken effektiv dem Drehmoment durch Gaskraft entgegen. Dies wiederum kann zu einer Verwendung eines Generators 10 mit entsprechend geringeren maximalen Drehmoment führen. Dadurch kann es zu einer Reduktion der Herstellungskosten kommen.
Ein hier nicht gezeigtes Fahrzeug umfasst ein Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung.
Bei hauptsächlich elektrisch betrieben Fahrzeugen ist die Verwendung eines Energiewandlungssystems zur Stromerzeugung vorteilhaft, da sich dadurch die Reichweite der Fahrzeuge erhöhen lässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010025002 A1 [0002]

Claims

Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung umfassend einen Generator (10) mit einem Generatorwellenzahnrad (9) und einen Verbrennungsmotor (1), aufweisend ein Kurbelwellenzahnrad (5), mindestens einen Zylinder (2), mindestens einen Kolben und mindestens einen Kolbenbolzen, wobei der Kolben und/oder der Kolbenbolzen hinsichtlich des Gewichtes so ausgelegt sind, dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) während der Kompressionsphase das maximale Drehmoment des Generators (10) in einem Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors (1) nicht überschreitet.
Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung nach Anspruch 1, wobei das Energiewandlungssystem eine Generatorsteuerung (14) aufweist, die derart ausgestattet ist, den Generator (10) derart zu steuern, dass für einen Drehzahlbereich bis zu der kritischen Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) kein Zahnradflankenwechsel zwischen dem Generatorwellenzahnrad (9) und dem Kurbelwellenzahnrad (5) stattfindet.
Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kritische Drehzahl die Verbrennungsmotordrehzahl ist, bei der das maximale Drehmoment des Generators auf 50%+/-30% des globalmaximalen Drehmoments des Generators gefallen ist.
Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kritische Drehzahl in einem Bereich zwischen 100 und 10000 Umdrehungen/Minute liegt, bevorzugt zwischen 500 und 5000 Umdrehungen/Minute, noch bevorzugter zwischen 500 und 4000 Umdrehungen/Minute liegt.
Energiewandlungssystem zur Stromerzeugung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (1) zwei oder mehr Zylinder (2) aufweist, wobei die Phasenverschiebung zwischen den Kurbelwellenwinkeln der jeweiligen Zylinder 0° oder Vielfache von 180° beträgt.
Fahrzeug mit einem Energiewandlungssystems zur Stromerzeugung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.