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Die Erfindung betrifft Kraftumwandler und damit versehene Hybridsysteme, die einen Rotationsmotor umfassen, der eine hin- und hergehende Bewegung erzeugt.
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TECHNISCHES GEBIET
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Ein herkömmlicher Zylindermotor erzeugt eine Leistung durch Umwandlung thermischer Energie aus einer Gasverbrennung in zylindrischen Kammern in eine hin- und hergehende geradlinige kinetische Energie. Die geradlinige Hin- und Herbewegung wird über eine Kurbeleinheit in eine vollständige Drehbewegung umgewandelt. Bei diesem Prozess tritt ein mechanischer Leistungsverlust aufgrund der Reibungen und Vibrationen auf, die durch die Wechsel der Bewegungsrichtungen verursacht werden.
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Als ein Mittel zur Überwindung der vorstehenden Probleme werden Rotationsmotoren verwendet, die eine einseitig gerichtete Bewegung erzeugen können. Der einzige Rotationsmotor, der derzeit in einem Produktionsmodell angenommen wurde, ist der Wankelmotor, bei dem sich ein dreieckiger Rotor entlang einer Epitrochoide in einem Gehäuse bewegt. Bei dem Wankelmotor spielt jede Ecke eines Dreiecks die Rolle einer Gasdichtung beim Prozess des Einlassens, der Kompression, der Verbrennung und des Auslasses. In diesem Fall kann jedoch die erhöhte Reibung und die problematische Schmierung zwischen den Rotorecken und der Zylinderwand einen Abrieb der Rotorecke verursachen und daher kann sich die Gasdichtfunktion verschlechtern.
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Aufgrund des Abtriebs der Rotorecken muss auch der Motor selbst periodisch ersetzt werden. Zu den typischen Wankelmotoren gehören solche, die in der
FR 2498248 A2 und der
DE 3521593 A1 offenbart sind. Um die Probleme bei herkömmlichen Zylindermotoren zu lösen, wurden außer dem Wankelmotor viele andere Ansätze gemacht, insbesondere in Form eines Rotationsmotors mit hin- und hergehender Bewegung. Beispielsweise offenbarte die
US 829231 A aus dem Jahre 1906 den Aufbau eines Rotationsmotors. Danach wurden Erfindungen an verschiedenen Typen von Rotationsmotoren in der
US 1069936 A , der
US 4027475 A , der
US 5228414 A etc. offenbart. Um diese Rotationsmotoren zu vermarkten, verbleiben jedoch viele schwierige Probleme, wie z. B. die Konstruktion des Aufbaus einer Verbrennungskammer und von Einlass-/Auslassvorrichtungen, die für eine praktische Verwendung in Motoren mit hoher Leistung geeignet sind und die die hin- und hergehende Rotationsbewegung in eine vollständige Rotationsbewegung umwandeln.
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Um das exzentrische Moment des Wankelmotors oder das hin- und hergehende Moment anderer Rotationsmotoren in ein vollständig konzentrisches Drehmoment umzuwandeln, muss andererseits die Kraftrichtung mechanisch geändert werden. Eine Kraftumwandlung, die nur mechanische Verfahren verwendet, ist jedoch aufgrund des Wechsels der Kraftrichtungen in Kraftübertragungswegen unvermeidlich von Reibungen und Vibrationen begleitet. Daher kann ein Kraftumwandlungssystem, das Elektromotoren verwendet, die im Hinblick auf eine Steuersicherheit und Effektivität zuverlässiger sind, als Ersatz zur Verbesserung der Effektivität im Vergleich mit existierenden Konzepten vorgeschlagen werden.
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Bei Berücksichtigung der Umweltprobleme und des Wirkungsgrades wurde die Entwicklung eines Hybridmotors mit Verbrennungsmotor und Elektromotor als wesentliche Aufgabe in der Automobilindustrie erkannt. Derzeit befinden sich mehrere Arten von Hybridfahrzeugen in kommerzieller Produktion in Japan, der USA etc., und es hat sich herausgestellt, dass sie den Kraftstoffwirkungsgrad verbessern. Das Gesamtprinzip eines Hybridsystems ist ziemlich einfach. Das Hybridsystem dient zur Erhöhung des Kraftstoffwirkungsgrades durch wirksames Steuern der Leistung von einem Verbrennungsmotor und der Leistung von einem Elektromotor entsprechend den Antriebsbedingungen. Ein Hybridauto namens Prius der Toyota Company gilt als eines der erfolgreichsten Modelle unter den derzeit vertriebenen Hybridautomobilen, und es verwendet ein System, das „power splitter” genannt wird, für eine Verbindung der Leistungen von einem Zylindermotor, einem Elektromotor und einem Generator, die reziprok mechanische Energie und elektrische Energie umwandeln, um hierdurch die Energie am wirksamsten verwenden zu können.
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Obwohl es einige Unterschiede zwischen Produktionsmodellen gibt, basieren andere Systeme auch auf ähnlichen Prinzipien. Hybridsysteme, die einen Zylindermotor und einen Elektromotor verwenden, können sich voneinander durch die Art der Verbindungen der Leistungserzeugungsvorrichtungen unterscheiden, sie müssen jedoch einen Elektromotor und eine Speicherbatterie zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor enthalten. Daher erhöht sich das Gewicht der Kraftübertragung unvermeidlich. Methoden zur Lösung der zuvor erwähnten Probleme durch Verbesserung der Elektromotorkonstruktion und der Batterieleistung etc. werden gerade studiert. Schließlich liegt die wirksamste Methode jedoch darin, das Gewicht des Verbrennungsmotors zu reduzieren, der die schwerste Komponente ist. Außer einigen experimentellen Modellen, verwenden die meisten Hybridautos in Produktion den existierenden Zylindermotor. Deshalb wurden fundamentale Lösungen der zuvor erwähnten Probleme noch nicht gefunden.
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Die
US 4 664 078 A beschreibt einen Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung mit einem Motorblock, der im Inneren eine Kammer und ein Paar von Querwänden aufweist und wenigstens eine Durchgangsöffnung aufweist, die konzentrisch in der Mitte der Kammer angeordnet ist. Innerhalb der Kammer des Motorblocks ist eine Motorwelle vorgesehen, die mit einer Vielzahl von Kolben auf beiden Seiten einteilig ausgebildet ist. An einer Dichtplatte mit einer Vielzahl von Öffnungen ist eine Einlass- und Auslassventilvorrichtung angebracht, die eine Vielzahl von Einlass/Auslassventilen und Nockenwellen aufweist, die die Einlass/Auslassventile öffnen/schließen. Eine Einlass- und Auslassvorrichtung saugt Gas in das Innere der Kammer an und führt es aus der Kammer ab. Einer Abdeckung schützt die Einlass- und Auslassventilvorrichtung und die Einlass- und Auslassvorrichtung.
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Die
DE 826378 A offenbart einen Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung mit einem Motorblock mit einer Toruskammer in seinem Inneren und mit einer Durchgangsöffnung, die konzentrisch in der Mitte der Toruskammer angeordnet ist. Eine Motorwelle geht durch die Durchgangsöffnung so hindurch, dass sie konzentrisch in der Mitte der Toruskammer angeordnet ist. Ein Paar von Querwänden sind in der Toruskammer entlang der Durchgangsöffnung gegenüberliegend angeordnet und unterteilen die Toruskammer in zwei Bereiche. Zwei Kolben sind symmetrisch an der Außenumfangsfläche der Motorwelle vorgesehen, wobei deren Äußeres identisch zu dem Querschnitt der Toruskammer ist und sie jeweils in den unterteilten Bereichen der Toruskammer vorgesehen sind. Die Toruskammer wird durch die innen angeordneten Querwände und die Kolben in vier Bereiche unterteilt. Außerdem sind eine Einlass- und Auslassventilvorrichtung für ein wahlweises Abführen von Abgas aus und/oder ein Ansaugen frischer Luft in die Toruskammer und Zündquellen für eine Zündung komprimierten Kraftstoffgases vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftumwandler sowie ein Hybridsystem zu schaffen, die eine hin- und hergehende Rotationsbewegung, die durch einen Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung erzeugt wird, effektiv in eine einseitig gerichtete Drehbewegung umwandeln.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kraftumwandler mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 5 sowie durch ein Hybridsystem mit den Merkmalen der Patentansprüche 8, 9 bzw. 10 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Kraftumwandler sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4 bzw. 6 und 7. Eine bevorzugte Ausführungsform der Hybridsysteme ist Gegenstand von Patentanspruch 11.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kraftumwandler, wird die Hin- und Herbewegung des Rotationsmotors in eine kontinuierliche Drehbewegung umgewandelt, wobei die Umwandlung durch Elektromotoren unterstützt wird, die ein Planetenradgetriebe bei Bedarf antreiben bzw. von diesem angetrieben als Generator Energie speichern.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen schematischen Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridsystems zeigt, das ein Planetenradsystem verwendet,
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2 ist eine auseinandergezogene Darstellung, die einen Aufbau eines Rotationsmotors mit Hin- und Herbewegung zeigt,
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3a bis 3d sind Querschnittsansichten, die einen Funktionsaufbau eines Rotationsmotors mit Hin- und Herbewegung zeigen,
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4 ist eine Ansicht, die eine Leistungskombinationsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt,
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5 ist eine schematische Ansicht, die einen Aufbau eines Kraftumwandlers mit zwei Leistungskombinationsvorrichtungen und zwei Elektromotoren,
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6 ist eine Querschnittsansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Kraftumwandlers zeigt,
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7 ist eine Querschnittsansicht, die eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Kraftumwandlers zeigt,
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8a und 8b sind Ansichten, die eine Ausführung eines Betriebs eines Kraftumwandlers zeigen,
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9a und 9b sind Ansichten, die einen Startzustand mit nur der Leistung eines Elektromotors zur Leistungserzeugung in einem Zustand zeigen, in dem der Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung angehalten ist,
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10a und 10b sind Ansichten, die einen Startzustand des Rotationsmotors mit Hin- und Herbewegung zeigen,
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11a und 11b sind Ansichten, die einen Beschleunigungszustand durch einen Betrieb des Rotationsmotors mit Hin- und Herbewegung zeigen,
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12a und 12b sind Ansichten, die einen Antriebszustand mit konstanter Geschwindigkeit zeigen,
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13a und 13b sind Ansichten, die einen Verzögerungszustand zeigen,
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14a und 14b sind Ansichten, die einen Leerlaufzustand zeigen, und
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15a und 15b sind Ansichten, die einen Rückwärtsfahrzustand zeigen.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Ein Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung umfasst: Einen Motorblock in dessen Innerem eine Toruskammer ausgebildet ist und der eine Durchgangsöffnung aufweist, die konzentrisch in dem Zentrum der Toruskammer angeordnet ist; eine Motorwelle, die durch die Durchgangsöffnung hindurchgeht und konzentrisch in dem Zentrum der Toruskammer angeordnet ist; ein Paar von Querwänden, die in der Toruskammer entlang der Durchgangsöffnung so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen und die Toruskammer in zwei Bereiche teilen; ein Paar von Kolben, die symmetrisch an einer äußeren Umfangsfläche der Motorwelle vorgesehen sind und mit der Welle ein Teil bilden, wobei ihre äußere Form identisch zu einem Querschnitt der Toruskammer ist und sie in jeweiligen getrennten Abschnitten der Toruskammer vorgesehen sind; und ein Ventil für einen Einlass/Auslass in der Toruskammer. In diesem Fall ist die Toruskammer in vier Bereiche durch die innen angeordneten Querwände und Kolben eingeteilt. Während die Kolben einmal drehen, findet ein Einlass, eine Kompression, eine Expansion und ein Auslass gleichzeitig in jedem entsprechenden Bereich statt.
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Ein Kraftumwandler, der eine hin- und hergehende Rotationsbewegung von einer Motorwelle in einem Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung empfängt und die Kraft erfindungsgemäß in eine einseitig gerichtete Drehbewegung umwandelt, umfasst ein Paar von Leistungskombinationsvorrichtungen und ein Paar von Elektromotoren zur Motor-Leistungserzeugung.
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In diesem Fall umfasst jedes Paar von Leistungskombinationsvorrichtungen: eine Rotationsachse A, die eine hin- und herbewegende Drehkraft von einer jeweiligen Motorwelle aufnimmt; eine Rotationsachse B, die mit dem Elektromotor zur Motor-Leistungserzeugung verbunden ist; und eine Drehachse C, die gleichzeitig die Kraft auf jede Antriebswelle überträgt. Wenn eine Kraft von außen auf die A-Achse übertragen wird und von drei Drehachsen auf die B-Achse, überträgt die Leistungskombinationsvorrichtung die durch die C-Achse kombinierte Leistung nach außen. In diesem Fall können die A-Achse und die B-Achse mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen, obwohl eine Kraft aufgebracht wird, die ihnen jeweils entspricht. Ein mit der B-Achse der Leistungskombinationsvorrichtung verbundener Elektromotor arbeitet als Motor, wenn ein Moment auf die B-Achse übertragen wird. Wenn ein Moment von der B-Achse empfangen wird, arbeitet der Elektromotor als Generator und liefert eine entsprechende Leistung an ein hin- und hergehendes Moment der Motorwelle, das auf die A-Achse übertragen wird.
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Ein Beispiel mechanischer Vorrichtungen mit den Prinzipien der Leistungskombinationsvorrichtung weist ein Planetengetriebe oder ein Differentialgetriebe auf. In dem Planetengetriebe bilden ein Planetenradträger, ein Ringzahnrad und ein Sonnenzahnrad die drei Drehachsen. In dem Differentialgetriebe bilden die zwei Seitenzahnräder und ein Ritzelträger die drei Drehachsen. Das Planetengetriebe und das Differentialgetriebe folgen einem identischen Prinzip, auch wenn die Rollen der drei Drehachsen sich ändern. Daher können die Rollen der drei Drehachsen A, B und C abhängig von einem Konstruktionsbedürfnis bestimmt werden.
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AUSFÜHRUNGSFORM ZUR ERFINDUNG
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Eine Ausbildung und der Betrieb eines Hybridsystems gemäß der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Planetengetriebe als Leistungskombinationsvorrichtung verwendet und ein Planetenradträger entspricht einer Achse A, ein Ringzahnrad einer Achse B und ein Sonnenzahnrad einer Achse C. Außerdem wird ein Schnüffelventil, das bei Viertakt-Verbrennungsmotoren breite Verwendung findet, für einen Einlass und einen Auslass in eine Toruskammer verwendet.
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Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst das erfindungsgemäße Hybridsystem einen Rotationsmotor 2 mit Hin- und Herbewegung, der eine hin- und hergehende Drehkraft erzeugt, einen Kraftumwandler, der die hin- und hergehende Rotationskraft des Rotationsmotors 2 mit Hin- und Herbewegung in eine einseitig gerichtete Drehbewegung umwandelt, einen Kraftstofftank 1, der den Rotationsmotor 2 mit Hin- und Herbewegung mit Kraftstoff versorgt, und eine Motorsteuervorrichtung 3, die den Antrieb des Rotationsmotors 2 mit Hin- und Herbewegung steuert.
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Wie es in 2 gezeigt ist, umfasst der Rotationsmotor 2 mit Hin- und Herbewegung einen Motorblock 17, der innen eine Toruskammer 17-1 aufweist, eine Motorwelle 15, die koaxial zu dem Zentrum der Toruskammer 17-1 angeordnet ist und einen Kolben 14 aufweist, dessen Form identisch zu dem Querschnitt der Toruskammer 17-1 ist, eine Einlass- und Auslassventilvorrichtung 21, die von der Aussenseite des Motorblocks 17 zu der Innenseite der Toruskammer 17-1 vorgesehen ist und das Innere der Toruskammer 17-1 selektiv öffnet/schließt, eine Einlass- und Auslassvorrichtung 20, die entsprechend des Betriebes der Einlass- und Auslassventilvorrichtung 21 Gas ins Innere der Toruskammer 17-1 ansaugt und zur Außenseite der Toruskammer 17-1 auslässt, und einen Kopfabschnitt, der mit der Einlass- und Auslassventilvorrichtung 21 und der Einlass- und Auslassvorrichtung 20 versehen ist, die an der Außenseite des Motorblocks vorgesehen sind.
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In dem Motorblock 17 ist eine erste Durchgangsöffnung 17-2, die konzentrisch zu dem Zentrum der Toruskammer 17-1 liegt, und eine zweite Durchgangsöffnung 17-3 ausgebildet, die senkrecht zu der ersten Durchgangsöffnung 17-2 vorgesehen ist. Ein Paar von Querwänden 17-4 sind einander zugewandt an der zweiten Durchgangsöffnung 17-3 vorgesehen und teilen die Toruskammer 17-1 in zwei Abschnitte. Die Motorwelle 15 mit dem Kolben 14 ist drehbar in die erste Durchgangsöffnung 17-2 eingesetzt und durch das Paar von Querwänden 17-4 gelagert. In diesem Fall bildet der Kolben 14 zwei Abteilungen, die durch das Paar der Querwände 17-4 unterteilt sind.
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Außerdem ist eine Dichtplatte 16-1 auf beiden Seiten der zweiten Durchgangsöffnung 17-3 vorgesehen, um die zweite Durchgangsöffnung 17-3 abzudichten. An der Dichtplatte 16-1 ist eine Vielzahl von Öffnungen ausgebildet, die jeweils einer Abteilung entsprechen, die durch das Paar von Querwänden 17-4 abgeteilt ist. In diesem Fall umfasst die Einlass- und Auslassventilvorrichtung 21 eine Vielzahl von Einlass/Auslassventilen 18 und eine Vielzahl von Nockenwellen zum Öffnen/Schließen der Vielzahl von Einlass/Auslassventilen 18. Jedes der Vielzahl von Einlass/Auslassventilen 18 ist jeweils in einer Öffnung 56 vorgesehen, die an der Dichtplatte 16 ausgebildet ist, um jede Öffnung 22 dem Betrieb der Nockenwelle entsprechend zu öffnen/schließen.
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Die Einlass/Auslassvorrichtung 20 ist in dem hinteren Abschnitt der Einlass- und Auslassventilvorrichtung 21 vorgesehen, die an der Dichtplatte 16-1 angebracht ist, so dass in jedem Zylinder erzeugtes Abgas nach außen befördert werden kann oder eine neue Luft in das Innere jedes Zylinders über die Öffnungen 22 angesaugt werden kann. In diesem Fall sind die Einlass- und Auslassventilvorrichtung 21 und die Einlass- und Auslassvorrichtung 20, die an der Dichtplatte 16-1 angebracht sind, durch eine Abdeckung 16-2 geschützt, in der eine Vielzahl von Öffnungen so ausgebildet sind, dass sie der Einlass- und Auslassvorrichtung 20 entsprechen. Die Ausbildung des oben beschriebenen Kopfabschnittes ist jedoch nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt und es können verschiedene Modifizierungen angewendet werden.
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Der Längsschnitt des Kolbens 14 kann verschiedenförmig ausgeführt sein, wie z. B. halbkreisförmig, quadratisch, oval etc. in diesem Fall kann die Form der Toruskammer 17-1 verschiedenartige Oberflächen haben, die dem Kolben 14 entsprechen.
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Nachstehend wird die Funktionsstruktur des wie oben aufgebauten Rotationsmotors 2 mit Hin- und Herbewegung anhand der 2 und 3a bis 3d beschrieben.
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Wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, ist die in dem Motorblock 17 ausgebildete Toruskammer 17-1 durch die Querwand 17-4 und den an der Motorwelle 15 vorgesehenen Kolben 14 in vier Bereiche A, B, C und D unterteilt.
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3a zeigt einen Moment in dem ein Gasgemisch aus Kraftstoff und Luft einer Zündquelle (nicht gezeigt) ausgesetzt ist und deshalb einen Entspannungshub in dem Bereich A verursacht. Da sich die Motorwelle 15 entsprechend dem gezeigten Pfeil in Uhrzeigerrichtung dreht, findet in diesem Zustand gleichzeitig in dem Bereich B ein Kompressionshub statt, der das angesaugte Gasgemisch komprimiert, in dem Bereich C ein Einlasshub statt, in dem das Einlassventil 18-1 offen ist und Luft von außen angesaugt wird, und in dem Bereich D ein Auslasshub statt, in dem das Auslassventil 18-1 offen ist und Abgas abgeführt wird.
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3b zeigt einen Moment, in dem ein Expansionshub durch Explosion eines Gasgemisches in dem Bereich B stattfindet, in dem in dem Schritt von 3a der Kompressionshub stattfindet. In diesem Fall dreht die Motorwelle 15 gegen die Uhrzeigerrichtung. Demgemäß findet in dem Bereich C der Kompressionshub statt, in dem Bereich D der Einlasshub, und in dem Bereich A der Auslasshub. Wie es in 3c gezeigt ist, findet bei dem oben beschriebenen Verfahren gleichzeitig in dem Bereich A der Einlasshub, in dem Bereich B der Auslasshub und in dem Bereich D der Kompressionshub statt, da sich die Motorwelle 15 durch den Expansionshub in dem Bereich C in Uhrzeigerrichtung dreht. Bezug nehmend auf 3 findet außerdem der Expansionshub in dem Bereich D, der Kompressionshub in dem Bereich A, der Einlasshub in dem Bereich B und der Auslasshub in dem Bereich C statt.
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Wie oben beschrieben wurde, funktioniert jeder Bereich, der durch die Querwand 17-4 und den Kolben 14 der Motorwelle 15 abgeteilt ist, als Zylinder. Da der Expansionshub in der Reihenfolge der Bereiche A, B, C und D stattfindet, dreht sich die Motorwelle 15 abwechselnd in Uhrzeigerrichtung und gegen die Uhrzeigerrichtung. Hierdurch wird ein hin- und hergehendes Moment in dem erfindungsgemäßen Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung erhalten.
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Der oben beschriebene erfindungsgemäße Rotationsmotor 2 mit Hin- und Herbewegung kann zusätzlich zu dem zuvor erwähnten Viertakt-Motor als Zweitakt-Motor aufgebaut sein.
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4 zeigt eine Leistungskombinationsvorrichtung, die für einen Kraftumwandler verwendet wird, der das durch den Rotationsmotor 2 mit Hin- und Herbewegung erzeugte hin- und hergehende Moment in eine einseitig gerichtete Drehung umwandelt.
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Wie es in 4 gezeigt ist, wird eine von zwei Achsen A und B eingegebene Kraft über eine Kraftkombinationsvorrichtung P kombiniert und über eine Achse C ausgegeben. In diesem Fall wirkt ein entsprechendes Moment auf die zwei Achsen A und B. Es wird ein Moment an einer Ausgangsachse bestimmt und die Drehzahl der Ausgangsachse ist die Addition der Drehzahlen der zwei Eingangsachsen. Dies zeigt eine konzeptuelle mechanische Beziehung. Bei einer aktuellen mechanischen Vorrichtung kann die Beziehung zwischen dem Moment und der Drehzahl entsprechend dem Aufbau der mechanischen Vorrichtung aufgrund des Energieerhaltungssatzes unterschiedlich sein. Im Falle eines Planetengetriebes oder Differentialgetriebes kann ein Drehmoment und eine Drehzahl der Rolle und Größe jedes Getriebeelements entsprechend bestimmt werden.
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5 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Kraftumwandlers mit zwei Leistungskombinationsvorrichtungen und zwei Elektromotoren zeigt. Die Eingangsachsen Aa und Ab der Leistungskombinationsvorrichtungen Pa und Pb sind gleichzeitig mit einem Motor E verbunden. Andere Eingangsachsen Ba und Bb sind mit zwei Elektromotoren Ma bzw. Mb verbunden. Außerdem sind zwei Ausgangsachsen Ca und Cb gleichzeitig mit einer Ausgangsachse O des Kraftumwandlers verbunden. In diesem Fall ist die Ausgangsachse O eine Antriebswelle, die ein Rad antreibt.
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Die 6 und 7 sind Querschnittsansichten, die eine Ausbildung eines Kraftumwandlers zeigt, der ein Planetenradgetriebe verwendet.
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Bezug nehmend auf 6 arbeiten die Planetenzahnradträger 6a und 6b des Planetenzahnradgetriebes als Achse A, die Ringzahnräder 4a und 4b als Achse B und die Sonnenzahnräder 7a und 7b als Achse C.
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Der Kraftumwandler von 7 ist eine andere Ausführungsform des Kraftumwandlers von 6. In 7 arbeiten die Ringzahnräder 4a und 4b des Planetenzahnradgetriebes als Achse A, die Sonnenzahnräder 7a und 7b als Achse B und das Planetenzahnradgetriebe als Achse C. In diesem Fall ist die Motorwelle 15 direkt mit den Ringzahnrädern 4a und 4b verbunden, die Sonnenzahnräder 7a und 7b mit den Motorantriebswellen 110a und 110b verbunden, und die Planetenzahnradträger 6a und 6b sind mit der Antriebswelle 11 verbunden. In diesem Fall ist die Antriebswelle 11 eine Antriebswelle für einen Antrieb eines Rades.
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Zusätzlich kann die Funktion jedes Getriebes durch andere Kombinationen bestimmt werden. Eine Ausbildung eines Kraftumwandlers, der kein Planetenzahnradgetriebe sondern ein Differentialgetriebe verwendet, kann verschiedenartig aufgebaut sein. Jedes Getriebe arbeitet mittels eines grundsätzlich identischen mechanischen Betriebs. Eine bestimmte Form kann einem aktuellen Bedürfnis entsprechend gewählt werden.
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Wie oben beschrieben kann der Kraftumwandler verschiedenartig aufgebaut sein, arbeitet jedoch nach einem identischen mechanischen Prinzip. Die Funktion des Kraftumwandlers und die Funktion eines Hybridsystems, das den Kraftumwandler verwendet, werden anhand einer Ausführungsform beschrieben, die das in den 1 und 6 gezeigte Planetenzahnradgetriebe verwendet.
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Der das Planetenradgetriebe verwendende Kraftumwandler umfasst ein Paar von Planetenzahnradgetrieben PG, die mit Sonnenzahnrädern 7a und 7b, Planetenradträgern 6a und 6b, und den Ringzahnrädern 4a und 4b versehen sind, Außenzahnrädern 10a und 10b, die mit den Ringzahnrädern 4a und 4b in Verbindung stehen, einen Motor/Generator(M/G)-Doppelfunktions-Elektromotor für eine Leistungserzeugung 9a und 9b, der als Motor arbeitet, wenn die Außenzahnräder 10a und 10b für einen Antrieb der Ringzahnräder 4a und 4b drehen, und als Generator arbeitet, wenn die Außenzahnräder 10a und 10b von den Ringzahnrädern 4a und 4b angetrieben werden, eine Elektromotor-Steuervorrichtung 13, die die Elektromotoren für die Leistungserzeugung 9a und 9b steuert, und eine Speicherbatterie 12, die die Elektromotoren zur Leistungserzeugung 9a und 9b mit Strom versorgt, oder einen Strom lädt, der durch die Elektromotoren für eine Leistungserzeugung 9a und 9b erzeugt wird.
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Die Planetenradträger 6a und 6b weisen an ihrem einen Ende die Motorwelle 15 auf und empfangen ein hin- und hergehendes Moment entsprechend einer hin- und hergehenden Drehbewegung der Drehachse und umfassen außerdem eine Vielzahl von Planetenzahnrädern 5a und 5b, die drehbar vorgesehen sind. Die Sonnenzahnräder 7a und 7b sind in der Mitte der Planetenradträger 6a und 6b angeordnet und mit der Vielzahl von Planetenzahnrädern 5a und 5b kombiniert. Außerdem sind an der Innenumfangsfläche und der Ausgangsumfangsfläche der Ringzahnräder 4a und 4b Innenumfangszahnradabschnitte 4a-1 und 4b-1 und Außenumfangszahnradabschnitte 4a-2 und 4b-2 vorgesehen (siehe 8a und 8b). Eine Vielzahl von an den Planetenradträgern angebrachten Planetenzahnrädern 5a und 5b ist gleichzeitig mit den Innenzahnradabschnitten 4a-1 und 4b-1 kombiniert. Außerdem sind die Außenzahnräder der Motorantriebswellen 10a und 10b mit den Außenumfangszahnradabschnitten 4a-2 und 4b-2 kombiniert.
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Die Sonnenzahnräder 7a und 7b bilden ein Teil mit der Antriebswelle 11, die durch das Zentrum des Planetenradgetriebes hindurchgeht, so dass die Antriebswelle 11 entsprechend der Drehung der Sonnenzahnräder 7a und 7b dreht. Die koaxial positionierten Sonnenzahnräder 7a und 7b funktionieren zur Übertragung einer Leistung von dem Motor 2 und den Elektromotoren 9a und 9b an die Antriebswelle 11. In diesem Fall sind die Planetenradträger 6a und 6b und die Ringzahnräder 4a und 4b so ausgestaltet, dass sie eine höhere Rotationsträgheit als Masse haben und deshalb als Schwungrad arbeiten.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist für eine gleichmäßige Übertragung des hin- und hergehenden Moments, das von dem Rotationsmotor 2 mit Hin- und Herbewegung erzeugt wurde, an den Kraftumwandler ein Kegelrad 8 an einem Endabschnitt der vorstehenden Motorwelle 15 ausgebildet und Kegelräder 8a und 8b sind mit Endabschnitten der Planetenradträger 6a und 6b verbunden. Die Art der Kraftübertragung zwischen der Motorwelle 15 und den Planetenradträgern 6a und 6b kann jedoch außer dem Kegelrad irgendeine Art von Kraftübertragung sein, wie z. B. andere Getriebezugausgestaltungen, eine Ausgestaltung mit Zwischenfunktionen einer Kette etc.
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Nachstehend wird die Funktion des Kraftumwandlers anhand der 8a und 8b beschrieben.
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Die 8a und 8b zeigen die Funktion des Kraftumwandlers. Jede Ansicht zeigt jeweils die linksseitigen/rechtsseitigen Planetenradgetriebe von einer rechten Seite in 6.
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Die Richtung und Länge jedes Pfeils zeigen jeweils Drehrichtung bzw. Drehgeschwindigkeit an. Die Drehung der mit der Antriebswelle 11 verbundenen Sonnenzahnräder 7a und 7b in Uhrzeigerrichtung zeigt jeweils eine Vorlaufrichtung an.
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In dem Planetenradgetriebe PG bestimmen die Drehzahlen der zwei Elemente der Sonnenzahnräder, der Planetenradträger und der Ringzahnräder die Drehzahl eines verbleibenden Elements. Wenn die Motorwelle 15 durch den Motor 2 gegen die Uhrzeigerrichtung dreht, drehen das linke und rechte Planetenradgetriebe, die einander zugewandt sind und miteinander auf der Mitte der Motorwelle 15 verbunden sind, wie in den 8a bzw. 8b gezeigt.
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Im Falle des linken Planetenradgetriebes PG von 8b dreht sich das Planetenzahnrad 5a bei einer Drehung des Planetenradträgers 6a in Uhrzeigerrichtung entsprechend dem Innenumfangszahnradabschnitt 4a-1 gegen die Uhrzeigerrichtung und bewegt sich deshalb. In diesem Fall muss für eine Übertragung eines Moments des Planetenradträgers 6a auf die Antriebswelle 11 über das Sonnenzahnrad 7a eine entsprechende Kraft auf das Ringzahnrad 4a in entgegengesetzter Richtung zu der Drehmomentrichtung des Planetenradträgers 6a arbeiten. Die entsprechende Kraft des Ringzahnrades 4a wird daher durch Antreiben des mit dem Außenzahnradabschnitt 4a-2 des Ringzahnrades 4 verbundenen Außenzahnrades der Motorantriebswelle 10a erzeugt, um das Ringzahnrad 4a gegen die Uhrzeigerrichtung zu drehen. Das Sonnenzahnrad 7a empfängt somit eine Antriebskraft in Uhrzeigerrichtung, die die Vorlaufrichtung ist.
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Im Falle des linken Planetenradgetriebes PG von 8b überträgt das Planetenzahnrad 5b des Planetenradträgers 6b zwischenzeitlich ein Drehmoment auf das Sonnenzahnrad 7b in Rücklaufrichtung, da sich das Planetenzahnrad 6b durch die Drehung der Motorwelle 15 gegen die Uhrzeigerrichtung dreht. In diesem Falle wird ein Moment für eine Vorlaufrichtung auf das Sonnenzahnrad 7a übertragen, indem das Ringzahnrad 4a in einer Richtung dreht, die identisch zu einer Drehrichtung des Planetenradträgers 6b ist. Deshalb empfangen sowohl das linke als auch das rechte Planetenradgetriebe ein Drehmoment für eine Vorlaufrichtung.
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Da die Motorwelle 15 eine hin- und hergehende Rotationsbewegung durchführt, wie oben beschrieben wurde, nimmt der Antriebszustand des linken und rechten Planetenradgetriebes wiederholt die in den 9a und 9b gezeigten Zustände an. Die entsprechende Kraft der Ringzahnräder 4a und 4b wird mit einer hin- und hergehenden Rotationsperiode der Motorwelle 15 synchronisiert und auf die Ringzahnräder 4a und 4b ausgeübt. Hierdurch kann eine Kraft in einer gewissen Richtung übertragen werden. In diesem Fall ist eine Differenz der entsprechenden Kraft, die durch die Elektromotoren für eine Leistungserzeugung 9a und 9b geschaffen wird, proportional zu dem Moment des Motors. Außerdem wird die Drehrichtung der Antriebswelle 11 durch die Rotationsrichtung des Elektromotors bestimmt.
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In den 5a und 5b hat jedes der Ringzahnräder 4a und 4b eine Drehzahldifferenz, wenn das linke und rechte Planetenradgetriebe gleichzeitig in Funktion sind. Eine solche Differenz bestimmt den Drehzahlunterschied zwischen den zwei Elektromotoren. Die entsprechende Kraft hinsichtlich des hin- und hergehenden Moments des Motors wird durch Aufbringen der Momentdifferenz entsprechend der Drehzahl der zwei Elektromotoren unter Verwendung der elektrischen Motorsteuervorrichtung 13 vorgesehen, wenn die zwei Elektromotoren durch eine hin- und hergehende Rotationsbewegung synchronisiert sind und mit der Drehzahldifferenz drehen.
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Die 9a und 9b bis 15a und 15b zeigen einen Startzustand mit nur einer Leistung der Elektromotoren für eine Leistungserzeugung 9a und 9b in einem Zustand, in dem der Rotationsmotor 2 mit hin- und hergehender Bewegung angehalten ist.
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Wie in den 9a und 9b gezeigt, werden, wenn eine Antriebskraft auf die Ringzahnräder 4a und 4b gegen die Uhrzeigerrichtung aufgebracht wird, um die Sonnenzahnräder 7a und 7b in einer Vorlaufrichtung anzutreiben, die Planetenzahnräder 5a und 5b, die mit dem Innenumfangszahnradabschnitt 4a-1 der Ringzahnräder 4a und 4b in Verbindung stehen, ebenfalls gegen die Uhrzeigerrichtung angetrieben, wobei dieser Antrieb die Sonnenzahnräder in Vorlaufrichtung antreibt. In diesem Fall wird ein Moment in Uhrzeigerrichtung in den Planetenradträgern 6a und 6b erzeugt, das Moment verringert sich jedoch durch die Verbindung mit der Motorwelle 15 und verschwindet. Eine Addition der Leistungen der Elektromotoren 9a und 9b arbeitet deshalb an der Antriebswelle 11 als Antriebskraft über die Sonnenzahnräder 7a und 7b. In diesem Fall zeigen die gestrichelten Pfeile der Sonnenzahnräder 7a und 7b an, dass eine Last auf die Antriebswelle 11 in Vorlaufrichtung aufgebracht wird.
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Die 10a und 10b sind Ansichten, die einen Startzustand des Rotationsmotors mit Hin- und Herbewegung zeigen.
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Wenn durch die Leistung der Elektromotoren 9a und 9b eine gewisse Drehzahl nach dem Starten erreicht wurde, muss der Motor wie oben beschrieben gestartet werden. Die Elektromotorsteuervorrichtung 13 bringt periodisch die Drehmomentdifferenz der Elektromotoren 9a und 9b auf (siehe 1). Eine solche Drehmomentdifferenz bildet mit der Trägheitskraft eines Fahrzeugs ein Moment, das der Differenz zwischen einer dicken gestrichelten Linie und einer dünnen durchgehenden Linie entspricht, die in den Planetenradträgern 6a und 6b gezeigt ist, und induziert eine Drehbewegung der Motorwelle 15 und erzielt eine Leistung zum Start des Motors.
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Die 11a und 11b sind Ansichten, die einen Beschleunigungszustand durch einen Betrieb des Rotationsmotors 2 mit Hin und Herbewegung zeigen.
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Der Beschleunigungszustand kann eine maximale Leistung dadurch erzeugen, dass eine Leistung des Motors 2 und eine Leistung der Elektromotoren 9a und 9b, die einen Drehmomentunterschied haben, addiert werden und auf die Antriebswelle 11 aufgebracht werden. 11 zeigt, dass die Addition des Moments des Elektromotors 9a über das Ringzahnrad 4a und des Moments des Planetenradträgers 6a über das Sonnenzahnrad 7a auf die Antriebswelle übertragen wird. 11 zeigt, dass das Moment des Elektromotors 9b als Antriebskraft auf den Planetenradträger 6b und das Sonnenzahnrad 7b wirkt. Die Differenz zwischen einem Pfeil mit dicker durchgehender Linie und einem Pfeil mit dünner gestrichelter Linie, die an den zwei Trägern 6a und 6b gezeigt sind, zeigt das Moment des Motors an. Eine Addition der Teile mit gestrichelter Linie, die an den zwei Sonnenzahnrädern 7a und 7b gezeigt sind, wird eine Gesamtantriebskraft, die auf die Antriebswelle 11 übertragen wird.
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Die 12a und 12b sind Ansichten, die einen Fahrzustand mit konstanter Geschwindigkeit zeigen.
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Im Falle eines Fahrens mit konstanter Geschwindigkeit wird der Elektromotor 9a, dessen Drehzahl unter den Elektromotoren 9a und 9b geringer ist, so gesteuert, dass er als Motor arbeitet und ein Drehmoment erzeugt. Der Elektromotor 9b, dessen Drehzahl unter den Elektromotoren 9a und 9b größer ist, wird so gesteuert, dass er als Generator arbeitet und als Generationslast wirkt. In diesem Fall wird die von dem Generator erhaltene Leistung zum Antrieb des Elektromotors 9a verwendet. Falls notwendig kann ein Teil der Motorleistung für ein Laden der Speicherbatterie 12 durch Verringerung einer Rotationsleistung des Elektromotors 9a und Erhöhung der Generationslast verwendet werden.
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Die 13a und 13b sind Ansichten, die einen Verzögerungszustand zeigen.
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Im Falle der Verzögerung steuert die Elektromotorsteuervorrichtung 13 beide Elektromotoren 9a und 9b so, dass sie als Generator arbeiten. In diesem Fall wird die Trägheit des Fahrzeugs als Kraft zur Regenerierung durch die Elektromotoren 9a und 9b mittels Verringerung der Leistung des Motors verwendet.
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Im Falle des Leerlaufzustands steuert die Elektromotorsteuervorrichtung 13 in einen Zustand, in dem die Sonnenzahnräder 7a und 7b durch eine Bremse gestoppt werden, beide Elektromotoren 9a und 9b so, dass sie als Generator arbeiten. In diesem Fall wird die Leistung des Motors 2 durch die hin- und hergehende Rotationsbewegung der Ringzahnräder 4a und 4b zur Generation verwendet. In diesem Fall wirkt eine versetzte Kraft auf die Sonnenzahnräder 7a und 7b, um das Moment zu beseitigen. Danach wird ein Vorlauf oder Rücklauf möglich.
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Die 15a und 15b sind Ansichten, die einen Rücklaufzustand zeigen.
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Wenn die Elektromotoren 9a und 9b entgegengesetzt zu einer Vorlaufrichtung in dem Leerlaufzustand angetrieben werden (siehe 14a und 14b) ist sowohl ein Rücklauf möglich als auch ein Vorlauf. Die eine Rücklaufbeschleunigung zeigenden 15a und 15b sind identisch zu den 11a und 11b, die eine Vorlaufbeschleunigung zeigen, außer dass die Richtung einander entgegengesetzt ist.
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Ein Funktionsprinzip des oben beschriebenen Hybridsystems zeigt, wie der Kraftumwandler bei jedem Antriebszustand funktioniert. Wenn das Hybridsystem tatsächlich angewendet wird, ist das Hybridsystem nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt. Es sind verschiedene Arbeitsweisen einer Motorleistung, einem Betriebszustand und einem Konstruktionsbedürfnis etc. entsprechend möglich. Es ist daher sehr wichtig, einen Elektromotor der Motorleistung entsprechend genau zu steuern, um den Kraftstoffwirkungsgrad und den Antrieb eines Fahrzeugs wie oben beschrieben zu optimieren. Um den Wirkungsgrad eines Motors in thermodynamischer Hinsicht zu maximieren, ist eine entsprechende Leistung erforderlich, um einen Kompressionsdruck in einem Gasverbrennungsprozess aufrechtzuerhalten. Hierzu ist ebenfalls eine sehr genaue periodische Steuerung eines Elektromotors erforderlich. Da die Zuverlässigkeit und Sicherheit im Hinblick auf eine Steuerung des Elektromotors verbessert wurden, können die oben erwähnten Ziele im Allgemeinen durch Verwendung eines geeigneten Steueralgorithmus erreicht werden. Außerdem kann ein Elektromotor mit zwei unabhängigen Ausgängen entsprechend einer Konstruktionsanforderung verschiedenartig ausgeführt werden.
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Obwohl einige Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist es für den Fachmann erkenntlich, dass Veränderungen an diesen Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne von dem Prinzip und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Schutzbereich durch die Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt wird.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung kann bei einem verbesserten Hybridfahrzeug angewendet werden, das einen Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung und/oder einen Kraftumwandler aufweist. Außerdem können der Rotationsmotor mit Hin- und Herbewegung und der Kraftumwandler an einem Fahrzeug angewendet werden.
