JP2019148261A - 電流ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド車両のための電流ユニットで、より小さな出力で利用分野を拡大させるとともに、できる限り低廉に製造し得るようにする。【解決手段】２つのシリンダ（１、２）内で案内された２つのピストン（３、４）とコネクティングロッド（５、６）によって結合された互いに逆方向に回転する２つのクランク軸（７、８）とを有する２シリンダ型往復ピストンエンジンと、第１クランク軸（７）に対して同一方向に、かつ第２クランク軸（８）に対して逆方向に回転可能である発電機（１１）と、第２クランク軸に対して同一方向に、かつ第１クランク軸に対して逆方向に回転可能である補償軸（１２）とを備えており、発電機が、第１引張手段（９）で第１クランク軸に駆動接続されていて、かつ補償軸が第２引張手段（１０）で第２クランク軸に駆動接続されており、かつ補償軸及び／又は第２クランク軸がフライホイール質量エレメント（１３）を支持している。【選択図】図１

Description

本発明は、電流ユニット、並びにこのような電流ユニットを備えた車両、特にハイブリッド車両に関する。

２シリンダ型往復動ピストンエンジンを備えた電流ユニットであって、２シリンダ型往復動ピストンエンジンのピストンがタンデム配列を成す２つのシリンダ内で案内されており、かつ電流ユニットが互いに逆方向に回転するクランク軸を有しており、クランク軸がコネクティングロッドによってピストンと結合されている電流ユニットが、従来技術に基づいて基本的に公知である。特に本出願人に遡る独国特許出願公開第１０２０１４１１５０４２号明細書、独国特許出願公開第１０２０１４１１５０４１号明細書、独国特許出願公開第１０２０１４１１５０４４号明細書、及び欧州特許第２６３３１６６号明細書がこのような種類の電流ユニットを示している。

公知の電流ユニットにおいて、クランク軸のうちの一方に駆動接続された発電機を有することが共通している。公知の電流ユニットのいくつかの変更実施形態はさらに、補償軸を有しており、補償軸もクランク軸のうちの一方に駆動接続されている。

公知の電流ユニットは多種多様に利用することができる。これらはハイブリッド車両に使用されと有利である。特に、公知の電流ユニットは電気的な公称出力が約８５ｋＷとなるように設計されている。

本発明の根底をなす課題は、既存の基本概念をさらに発展させて、特により小さな出力で充分な利用分野にまで拡大させることである。これとともに、電流ユニットはできる限り低廉に製造し得るようにしなければならない。本発明のさらなる課題は、このような電流ユニットを備えた車両を提供することである。

本発明によれば、このような課題は請求項１に記載の新しい種類の電流ユニットによって解決され、また車両の観点からは、請求項１２に記載のものによって解決される。

具体的には、本発明は、２シリンダ型往復動ピストンエンジンを備えた、特にハイブリッド車両のための電流ユニットを提供するという考えに基づいている。２シリンダ型往復動ピストンエンジンは、２つのピストンと、互いに逆方向に回転する２つのクランク軸とを有している。ピストンはタンデム配列を成す２つのシリンダ内で案内されている。クランク軸はコネクティングロッドによってピストンに結合されている。さらに電流ユニットは、第１クランク軸に対して同一方向に、かつ第２クランク軸に対して逆方向に回転可能である発電機と、第２クランク軸に対して同一方向に、かつ第１クランク軸に対して逆方向に回転可能である補償軸とを有している。発電機は、第１引張手段を介して第１クランク軸に直接に駆動接続されている。補償軸は第２引張手段を介して第２クランク軸に直接に駆動接続されている。補償軸及び／又は第２クランク軸はフライホイール質量エレメントを支持している。

本発明は、例えば独国特許出願公開第１０２０１４１１５０４２号明細書に記載されているような第２発電機の代わりに、補償軸及び／又は第２クランク軸に設けられたフライホイール質量エレメントを使用するという考えを踏まえている。フライホイール質量エレメントによって、公知の電流ユニットも有する運転静粛性が達成される。すなわちこれにより、出力の軽減は、公知の電流ユニットの利点の著しい損失を伴うことがない。

これとともに、より高い出力段を有する別の公知の電流ユニットと同一の構成部分を使用することができる。これにより、種々異なる出力段を有する電流ユニットを低廉に製造することができる構成部分システムが得られる。特に２シリンダ型往復動ピストンエンジンは構成部分システムの基本モジュールとして、種々の出力段に対して同一に維持することができる。大量生産時のコストはこれにより著しく低減される。

フライホイール質量エレメントの回転質量（フライホイール質量）の量は、発電機と第１クランク軸との回転質量の収量の和に実質的に相当することが好ましい。全体的に言えば、発電機と第１クランク軸とが運転中同一方向に回転し、補償軸と第２クランク軸とが運転中同一方向に、しかし発電機及び第１クランク軸の回転方向に対して逆方向に回転するようになっていると有利である。今や有利には、補償軸及び／又は第２クランク軸に配置されたフライホイール質量エレメントの回転質量が、発電機と第１クランク軸との回転質量の和に相当することにより、動的な質量補償が達成される。具体的には、二次質量力（Massenkraefte zweiter Ordnung）を補償することができる。このことは特に静かな、特に振動の少ない、電流ユニットの動作のために役立つ。

本発明による電流ユニットによって達成される高い運転静粛性という利点は、特にハイブリッド車両内に電流ユニットを使用するために重要である。電流ユニットは特に、シリーズ方式ハイブリッドシステムとの組み合わせで設けられている。このシリーズ方式ハイブリッドシステムの場合、電流ユニットは電気エネルギーだけを発生させる。電気エネルギーはバッテリー貯蔵装置内に中間貯蔵され、続いてドライブトレインの電動モータに導かれる。電動モータはハイブリッド車両の駆動軸もしくは被駆動輪のための直接の駆動モータとして役立つ。

シリーズ方式ハイブリッドシステムの一部として、電流ユニットの往復動ピストンエンジンは、実際の走行速度とは無関係な回転数範囲内で動作させることができる。特に、往復動ピストンエンジンは、所定の回転数範囲内で一定に保つことができることにより、できる限り効率的に、かつ僅かな燃料エミッション及び有害物質エミッションしか生じさせずに電気エネルギーを調製する。

ハイブリッド車両がバッテリ貯蔵装置を備えているので、電流ユニットをハイブリッド車両の走行運転中に絶え間なく作動させることも必要でない。バッテリ貯蔵装置内へ電気エネルギーを補給するために必要となったときにのみ、往復動ピストンエンジンは制御装置によって作動させられると有利である。

これにより、電流ユニットはハイブリッド車両の走行運転中に複数回にわたってオン・オフ切換されることになる。特に従来の構造を有する往復動ピストンエンジンの始動時には、強い振動が発生する。このような振動は乗客室内に伝達され、不快に感じられる。

ここでは、本発明による電流ユニットの特別な運転静粛性が有効になる。この運転静粛性は特に往復動ピストンエンジンの始動挙動時に示される。二次質量力の補償によって、特にエンジン始動時に振動が著しく低減される。これとともに、往復動ピストンエンジンの高い運転静粛性により、本発明による電流ユニットの騒音エミッションは極めて低く保たれる。その結果、２シリンダ型往復動ピストンエンジンの静かな始動及び運転がもたらされるので、本発明による電流ユニットを備えたハイブリッド車両内の乗客は通常、振動によっても騒音発生によっても、電流ユニットが作動させられたことに気づかない。すなわちこれにより、運転静粛性及び騒音エミッションが純然たるバッテリ電気車両とほぼ同じであるハイブリッド車両を提供することができる。

本発明による電流ユニットの１つの好ましい実施形態では、第１引張手段が第１クランク軸と発電機との間で、かつ第２引張手段が第２クランク軸と補償軸との間で迂回なしに（umlenkungsfrei）案内されている。本出願の枠内では、引張手段を迂回なしに案内することは、引張手段が例えば鎖テンショナ、又はモーメント又は力を取り出さない限り類似の装置によって案内されている場合にも、そのようなものとして理解される。

重要なのは、第１引張手段における力伝達が好ましくは専ら第１クランク軸及び発電機で行われることである。第２引張手段においては、力伝達は第２クランク軸及び補償軸でのみ行われることが好ましい。これらの間に配置された案内装置、例えば鎖テンショナによる案内は引張手段の力を取り込むことがないので、ここでは本出願の意味における迂回なしの状態が存在する。

迂回なしの案内の利点は、このようになっていると、相対運動可能な部品の数が低減され、これにより付加的な騒音エミッションが回避されることである。従ってこのことは音響的な意味においても機械的な意味においても運転静粛性に同様に貢献する。

往復動ピストンエンジンにはただ１つの発電機が連結されていると有利である。発電機は高価なので、発電機をただ１つまで低減すると、相応にコストが削減される。さらに、このようにすると構造空間が節約される。この構造空間は特に小型車両、例えば四輪バイク、オートバイ又は類似の車両における適用範囲では貴重である。

なお念のために述べておくならば、本出願の意味において、ただ１つの発電機を備えた有利な変更実施形は、往復動ピストンエンジンの出力が主として発電機に引き渡され、電気エネルギーに変換されるように寸法設定された発電機にのみ関する。例えばオイルポンプ及びこれに類するもののためのような副発電機はここでは含まれていない。換言すれば、例えばオイルポンプのような付加的なユニットのための副発電機が付加的に設けられている場合にも、１つの電流ユニットは本出願の意味におけるただ１つの発電機を有している。

ハイブリッド車両の走行用バッテリ内へ電気エネルギーを供給するために設けられた発電機が、本出願の意味における発電機と呼ばれる。この発電機は、ハイブリッド車両の走行駆動装置のために充分に電気エネルギーを調製し得るように寸法設定されている。例えば副ユニットを動かす、電流ユニット内のさらなる電気的機械は、これに対して副発電機と呼ばれる。

本発明のさらなる好ましい実施態様では、第１引張手段は第１クランク軸を専ら発電機と接続する。ここで第１クランク軸と発電機との接続とは、力を伝達するような接続を意味する。換言すれば、第１引張手段は第１クランク軸を専ら発電機と力伝達接続する。このようにするとまた、運転静粛性が改善される。それというのも、可動部分とのさらなる力伝達接続が回避されるからである。さらに、このような構成は電流ユニットのコンパクト性に役立つ。

運転静粛性及びコンパクトな構造という利点は、有利には第２引張手段が第２クランク軸を専ら前記補償軸と接続していること、特に力伝達接続していることによってさらに改善される。

第１引張手段と第２引張手段とは特に同じ長さを有することができる。従って、第１引張手段と第２引張手段とのために同じ構成部分を使用することができ、これにより、大量生産時の標準化度を高めることができる。このことは電流ユニットの構成部分コストに、ひいては製造コストに好都合に作用する。

第１引張手段と第２引張手段とはそれぞれ歯付き鎖又は歯付きベルトによって形成することができる。騒音エミッションを小さく保つために、歯付きベルトの使用が特に有利である。歯付き鎖は、高められた耐久性及び低廉な構成部分コストによって特徴付けられる。

２シリンダ型往復動ピストンエンジンの公称出力が最小３０ｋＷ及び／又は最大５０ｋＷであると有利である。３０ｋＷ〜５０ｋＷの範囲内の別の出力段も可能である。特に、有利な１変更実施形では、２シリンダ型往復動ピストンエンジンの公称出力は４５ｋＷである。

できる限り多くの構成部分を節約し、大量生産のコストをできる限り低く保つために、２シリンダ型往復動ピストンエンジンが純粋な吸気エンジンとして形成されていると有利である。このことは本出願の意味では、２シリンダ型往復動ピストンエンジンが排気ターボチャージャ又は電気的な圧縮機を有していないことを特に意味する。

補償軸としては、本発明による電流ユニットの場合、補償質量体を備えた軸が使用されると有利である。具体的に言えば、補償軸は専ら、補償質量体を備えた軸によって形成されていると特に有利であり得る。補償軸はつまり特に単純に構成されていると有利である。このことは大量生産を単純化し、大幅なコスト削減をもたらす。

本発明のさらなる態様は、上記電流ユニットを備えた車両、特にハイブリッド車両に関する。電流ユニットの特別な運転静粛性により、本発明による車両は特に走行快適性があると見なすことができる。

添付の概略図を参照しながら、実施例に基づいて本発明を以下に詳述する。

図１は、有利な実施例に基づく本発明による電流ユニットであって、フライホイール質量エレメントが補償軸によって支持される電流ユニットを示す図である。 図２は、別の有利な実施例に基づく本発明による電流ユニットであって、フライホイール質量エレメントが第２クランク軸によって支持される電流ユニットを示す図である。

図１には、本発明による電流ユニットが示されている。電流ユニットは主として、往復動ピストンエンジンと、発電機１１と、補償軸１２とによって形成されている。往復動エンジンは、タンデム形態を成して、特に互いに平行に配置された２つのシリンダ１及び２を有している。シリンダ１及び２内ではピストン３、４が案内されている。これらのピストンはコネクティングロッド５、６によってヒンジ状にそれぞれクランク軸７、８に連結されている。クランク軸７、８は互いに逆方向に回転可能であり、それぞれ端面に歯車９、１０を有している。これらの歯車は互いに噛み合うことにより、ピストン３、４の運動を同期する。

コネクティングロッド５、６とピストン３、４とのヒンジ結合部の間隔は、クランク軸の軸線の相互間隔よりも小さい。シリンダ１、２はすなわち、クランク軸７、８に対して内方へ向かってずらされて配置されている。これにより、ピストンの上死点においてコネクティングロッド５、６はクランク軸軸線に対して僅かな角度を成すことになる。これにより、ピストン軸摩擦が低減される。このことから、エンジン始動が特に静かになる。

ピストン３、４及びクランク軸７、８は、ピストン３、４が２シリンダ型往復動ピストンエンジンの運転中に互いに平行に走行するように、互いに方向付けされている。このことはピストン３、４がシリンダ１、２内で上死点と下死点とに同時に達することを意味する。この際に両ピストンは同一の行程容積を通走すると有利である。

クランク軸７、８の端面に設けられた歯車９、１０は平歯車、又ははすば歯車、もしくはシリンダギア（Stirnraeder）として形成されていてよい。はすば歯車の使用が特に有利である。それというのも、はすばによって騒音を著しく低減することができるからである。

シリンダ１、２の側方、及びシリンダ１、２を含む一平面内に、発電機１１が設けられている。発電機は第１引張手段９を介して第１クランク軸７と直接に駆動接続されている。第１引張手段は特に歯付き鎖又は歯付きベルトによって形成されていてよい。第１引張手段９は発電機１１と第１クランク軸７との間に実質的に迂回なしに延びている。

さらに、補償軸１２が設けられている。補償軸は発電機１１とほぼ同一高さに配置されている。補償軸１２は、シリンダ１、２の平面内で往復動ピストンエンジンに並んで配置されている。補償軸１２は発電機１１とは反対側に配置されていると有利である。

換言すれば、発電機１１、補償軸１２、及び両クランク軸７、８の回転軸線が互いに平行に方向付けされていると有利である。クランク軸７、８の回転軸線は、下側の水平方向平面上に、そして発電機１１及び補償軸１２の回転軸線は上側の水平方向平面上に位置している。このようになっていると、図１及び図２からよく判るように、電流ユニットの特にコンパクトな構造を達成することができる。

往復動ピストンエンジンはさらに、図示していない下側に位置するカム軸を有している。これらのカム軸は複数の弁１４を駆動する。カム軸は、ベルト又は鎖として形成されていてよい第３引張手段１５を介して第２クランク軸８によって駆動される。

往復動ピストンエンジンはさらに、オイルフィルタ１７とオイルポンプ１８とを備えたオイルパン１６を有している。オイルポンプ１８は第４引張手段１９を介して第１クランク軸７と駆動接続されている。

電流ユニットの有利な特別な運転静粛性を達成するために、フライホイール質量エレメント１３が設けられている。フライホイール質量エレメントは、偏心フライホイール質量体を備えたフライホイールディスクとして形成されていてよい。補償されるべき質量慣性モーメントは発電機１１によって生じる。発電機は回転時に相応の不釣り合い、ひいては振動を呼び起こす。補償は、発電機１１に対して逆方向に回転する構成部分上にフライホイール質量エレメントが組み付けられることによって、フライホイール質量エレメント１３によって行われる。このことは一方では第２クランク軸８に関連し、他方では補償軸１２に関連する。

図１に示された実施例の場合、フライホイール質量エレメント１３は補償軸１２に固定されている。特に、補償軸１２はフライホイール質量エレメント１３を支持している。フライホイール質量エレメント１３は補償軸１２と回転不能に結合されている。電流ユニットのこのような実施形態の場合、発電機１１及び補償軸１２に取り付けられた、それぞれの引張手段９、１０と係合している歯車もしくはベルトプーリは同じ直径を備えている。これにより、発電機１１と補償軸１２とは同一の回転速度で回転するので、発電機１１の回転質量と、フライホイール質量エレメント１３の回転フライホイール質量とが互いに補償される。このようにすると、特に二次質量慣性モーメントが補償される。

図２に示された実施例の場合、フライホイール質量エレメント１３は第２クランク軸８に配置されている。特に、第２クランク軸８はフライホイール質量エレメント１３を支持している。フライホイール質量エレメント１３と第２クランク軸８との連結はしかしながら伝動装置によって間接的に行われると有利であり、これにより、フライホイール質量エレメント１３は運転中に第２クランク軸８に対して２倍の速度で回転する。

図１及び図２から基本的に判るように、引張手段９、１０は、発電機１１もしくは補償軸１２と両クランク軸７、８との間に伝達比２：１を生じさせる。これは、発電機１１がクランク軸７、８の２倍の速さで回転することを意味する。従って、ここで発電機１１によって顕著に引き起こされる質量慣性モーメントを補償するために、フライホイール質量エレメント１３を同様に発電機１１の回転速度で、しかし逆方向に回転させることが目的にかなっている。すなわちフライホイール質量エレメントが第２クランク軸８によって支持される限り、フライホイール質量エレメント１３がクランク軸７、８の２倍の速度で回転し、ひいては発電機と同じ速度で回転するように、２：１の伝達比が有利である。第２クランク軸８にフライホイール質量エレメント１３が配置されることにより、特にロールモーメントを補償することができる。

２シリンダ型往復動ピストンエンジンが、特に排気ターボチャージャ又は圧縮機なしの、つまり燃焼吸い込み空気の濃縮なしの純粋な吸気エンジンとして形成されていることが全ての実施例に当てはまる。このことは付加的に構成部分コストを低減し、これにより大量生産における特別な単純化のために役立つ。

１、２ シリンダ
３、４ ピストン
５、６ コネクティングロッド
７ 第１クランク軸
８ 第２クランク軸
９ 第１引張手段
１０ 第２引張手段
１１ 発電機
１２ 補償軸
１３ フライホイール質量エレメント
１４ 弁
１５ 第３引張手段
１６ オイルパン
１７ オイルフィルタ
１８ オイルポンプ
１９ 第４引張手段

Claims (12)

1. 特にハイブリッド車両のための電流ユニットであって、
   − タンデム配置を成す２つのシリンダ（１、２）内で案内された２つのピストン（３、４）と、前記ピストン（３、４）にコネクティングロッド（５、６）によって結合された互いに逆方向に回転する２つのクランク軸（７、８）とを有する２シリンダ型往復ピストンエンジンと、
   − 前記第１クランク軸（７）に対して同一方向に、かつ前記第２クランク軸（８）に対して逆方向に回転可能である発電機（１１）と、
   − 前記第２クランク軸（８）に対して同一方向に、かつ前記第１クランク軸（７）に対して逆方向に回転可能である補償軸（１２）と
   を備えており、
   前記発電機（１１）が、第１引張手段（９）を介して前記第１クランク軸（７）に直接に駆動接続されていて、かつ前記補償軸（１２）が第２引張手段（１０）を介して前記第２クランク軸（８）に直接に駆動接続されており、かつ前記補償軸（１２）及び／又は前記第２クランク軸（８）がフライホイール質量エレメント（１３）を支持している、
   電流ユニット。
2. 前記フライホイール質量エレメント（１３）の回転質量の量が、前記発電機（１１）と前記第１クランク軸（７）との回転質量の量の和に実質的に相当することを特徴とする、請求項１に記載の電流ユニット。
3. 前記第１引張手段（９）が前記第１クランク軸（７）と前記発電機（１１）との間で、かつ前記第２引張手段（１０）が前記第２クランク軸（８）と前記補償軸（１２）との間で迂回なしに案内されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電流ユニット。
4. １つの発電機（１１）のみが前記往復動ピストンエンジンと連結されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
5. 前記第１引張手段（９）が前記第１クランク軸を専ら前記発電機（１１）と接続していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
6. 前記第２引張手段（１０）が前記第２クランク軸を専ら前記補償軸（１２）と接続していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
7. 前記第１引張手段（９）と前記第２引張手段（１０）とが同じ長さを有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
8. 前記第１引張手段（９）と前記第２引張手段（１０）とがそれぞれ歯付き鎖又は歯付きベルトによって形成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
9. ２シリンダ型往復動ピストンエンジンの公称出力が最小３０ｋＷ及び／又は最大５０ｋＷであることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
10. 前記２シリンダ型往復動ピストンエンジンが純粋な吸気エンジンとして形成されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
11. 前記補償軸（１２）が専ら補償質量体を備えた軸によって形成されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の電流ユニット。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電流ユニットを備えた車両、特にハイブリッド車両。