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EP4114678A1 - Stromaggregat - Google Patents

Stromaggregat

Info

Publication number
EP4114678A1
EP4114678A1 EP21709969.6A EP21709969A EP4114678A1 EP 4114678 A1 EP4114678 A1 EP 4114678A1 EP 21709969 A EP21709969 A EP 21709969A EP 4114678 A1 EP4114678 A1 EP 4114678A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compensating
camshaft
dad
generator set
cam element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21709969.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Obrist
Oliver Obrist
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Obrist Technologies GmbH
Original Assignee
Obrist Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Obrist Technologies GmbH filed Critical Obrist Technologies GmbH
Publication of EP4114678A1 publication Critical patent/EP4114678A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B75/16Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18Multi-cylinder engines
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
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    • F02B75/06Engines with means for equalising torque
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    • B60K6/00Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
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    • B60K6/24Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the combustion engines
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    • F16F15/26Compensation 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
    • F16F15/261Compensation 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 where masses move linearly
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    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/22Compensation of inertia forces
    • F16F15/26Compensation 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
    • F16F15/262Masses attached to pinions, camshafts or driving shafts for auxiliary equipment, e.g. for an oil pump
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    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/30Flywheels
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    • F02B75/18Multi-cylinder engines
    • F02B2075/1804Number of cylinders
    • F02B2075/1808Number of cylinders two
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00Purpose; Design features
    • F16F2230/0052Physically guiding or influencing
    • F16F2230/0064Physically guiding or influencing using a cam
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62Hybrid vehicles

Definitions

  • the invention relates to a power unit according to the preamble of claim 1.
  • a power unit is known, for example, from DE 10 2016 102 048 A1.
  • plug-in flybrid concepts are expedient in which the vehicle has a comparatively small battery that has sufficient electrical capacity for everyday driving and can be recharged via the power grid.
  • hybrid vehicles have a generator that is used to recharge the battery.
  • Such a power unit as is known from DE 10 2016 102 048 A1 mentioned at the beginning, has For example, a two-cylinder reciprocating engine that is coupled to a generator to generate electricity in the vehicle.
  • the generator set is not operated continuously, but switched on depending on the driving situation. Since the two-cylinder reciprocating piston engine of the generator set generates vibrations, this can lead to an uncomfortable driving experience. In particular, the quietness and freedom from vibration in the vehicle, known from purely battery-electric vehicles, can be broken by a power generator.
  • the object of the invention is to provide a power unit that is characterized by particularly smooth running. It is also an object of the invention to specify a vehicle with such a power unit.
  • the invention is based on the idea of specifying a power unit, in particular for a hybrid vehicle, the power unit comprising a two-cylinder reciprocating piston engine that has two pistons that are guided in two cylinders in tandem and two counter-rotating crankshafts.
  • the crankshafts are connected to the piston by connecting rods. Furthermore, the power unit has at least one generator which rotates in the same direction as the first crankshaft and rotates in opposite directions to the second crankshaft.
  • the generator set also has a camshaft with valve cams that are operatively connected to control valves.
  • a flywheel element and a compensating camshaft are provided.
  • the flywheel element is arranged on the second crankshaft or a flywheel balance shaft.
  • the compensating camshaft comprises at least one compensating cam element which is operatively connected to a linearly guided compensating mass.
  • first order and second order mass forces preferably to eliminate them.
  • the flywheel element being designed according to the invention to compensate for these mass moments of inertia.
  • the compensating camshaft serves to compensate for second-order inertia forces. In this way, in interaction with the balancing of the moments of inertia and the second-order inertia forces, particularly smooth running is achieved. In particular, smooth running is achieved which cannot be achieved with otherwise known two-cylinder reciprocating piston engines.
  • the resulting effect is particularly relevant for hybrid vehicles. Since the two-cylinder reciprocating engine is switched on in different driving situations, the otherwise usual strong start-up vibrations do not occur with the generator according to the invention, so that it remains essentially imperceptible to an occupant of such a hybrid vehicle whether the generator is active or not. This creates a driving experience that is otherwise only known from battery-electric vehicles.
  • the balancing mass is formed by a spring-loaded plunger.
  • a spring-preloaded plunger requires little installation space, so that overall the power unit can be designed to be compact.
  • a compact design is particularly preferred for use in hybrid vehicles, since this leaves more space for the passenger compartment and / or storage space inside the vehicle.
  • the balancing mass in particular the spring-loaded tappet, can be guided in a sleeve which extends essentially above the balancing camshaft parallel to the cylinders. In this way, inertia forces of the second and higher order can be balanced particularly well, with a high degree of compactness of the generator being achieved at the same time.
  • a particularly compact design is also achieved if the compensating camshaft is formed by the camshaft.
  • the camshaft which is operatively connected to the control valves, can simultaneously act as a compensating camshaft.
  • the camshaft also includes the compensating cam element and to this extent is also operatively connected to the linearly guided compensating mass.
  • the compensating cam element can have two or four compensating cams.
  • the number of compensating cams depends on how fast the compensating camshaft is turning. If the compensating camshaft is formed by the camshaft, then four compensating cams are useful in order to compensate for the inertia forces of the second and higher order, since the camshaft usually rotates at half the crankshaft speed. However, if the compensating camshaft is designed as a separate component and rotates, for example, at the same speed as the crankshafts, two compensating cams are sufficient to compensate for the inertia forces of the second and higher order.
  • the compensating mass in particular the spring-preloaded plunger, has a rolling element or a sliding element.
  • the rolling element rolls on an outer surface of the compensating cam element during operation.
  • the alternatively provided sliding element slides during operation on an outer surface of the compensating cam element.
  • the compensating camshaft has a first compensating cam element and a second compensating cam element.
  • the first compensating cam element can be operatively connected to a first linearly guided compensating mass and the second compensating cam element to a second linearly guided compensating mass.
  • the compensating cam elements are arranged at the same distance from a center point of the compensating camshaft. If the compensating camshaft is formed by the camshaft, it is particularly preferred if the valve cams are arranged between the first compensating cam element and the second compensating cam element.
  • the compensating camshaft has a drive wheel which is operatively connected to the first and / or the second crankshaft via a timing belt or a timing chain.
  • the crankshafts in particular the first crankshaft and the second crankshaft, preferably each have interlocking spur gears. It is particularly preferred if the drive wheel of the compensating camshaft is arranged on an engine side opposite the spur gears. Such a design leads, on the one hand, to the fact that the power unit as a whole retains a very compact design.
  • crankshafts can be connected to the generator on the side opposite the drive wheel, for example via a traction device or a gear transmission, in particular with an intermediate gear.
  • a particularly compact design of the power unit can also be achieved if, as is provided in a preferred embodiment, the sleeve is formed in one piece and / or integrally with a motor housing.
  • the balancing mass can be guided linearly in a guide that is designed as part of the motor housing.
  • the motor housing can be designed as a cast part, a guide channel for the compensating mass being provided in the cast part.
  • a secondary aspect of the invention relates to a vehicle, in particular a hybrid vehicle with a power unit as described above.
  • the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the accompanying schematic drawings. Show in it:
  • Fig. 1 a cross-sectional view of an inventive
  • FIG. 2 a longitudinal sectional view through the power unit according to FIG. 1; FIG. and
  • FIG. 3 a rear view of the power unit according to FIG. 1.
  • the generator set according to the embodiment shown in the drawings comprises a two-cylinder Flub piston engine with two cylinders 1, 2 and a generator 5 which is coupled to the Flub piston engine.
  • the two-cylinder Flub piston engine is designed with cylinders 1, 2 in tandem, each cylinder 1, 2 being assigned a crankshaft 3, 4.
  • the crankshafts run parallel to one another and are rotatably coupled to one another via spur gears 9.
  • the generator 5 is operatively connected to a first crankshaft 3, so that the generator 5 has the same direction of rotation as the first crankshaft 3.
  • the generator 5 is coupled to a spur gear 9 of the first crankshaft 3 via an intermediate gear 22 (FIG. 3).
  • the second crankshaft 4 also has a spur gear 9 which is rotatably connected to the spur gear 9 of the first crankshaft by a toothing.
  • the second crankshaft 4 rotates in the opposite direction to the first crankshaft 3 and thus also in the opposite direction to the generator 5.
  • the floating piston motor preferably has a flywheel element 21.
  • the flywheel element 21 is arranged on the second crankshaft 4. 3 shows the arrangement of the flywheel element 21 on the second crankshaft 4.
  • the flywheel element 21 is preferably connected in a rotationally fixed manner to the spur gear 9 of the second crankshaft 4. Alternatively, it is possible to provide a separate flywheel balance shaft that carries the flywheel element 21.
  • the flywheel balance shaft can, for example, be arranged as a mirror image of the generator 5 and be operatively connected to the second crankshaft 4.
  • the flywheel element 21 is formed by a second generator 5, which is connected to the second crankshaft 4 in a mirror-inverted manner. This design also has the advantage that the power unit can generate a higher electrical output power.
  • a compensating camshaft 10 is provided in the exemplary embodiment of the power unit shown in the figures, which acts on compensating masses 13 which move linearly and parallel to the piston in the cylinders 1, 2.
  • the compensating camshaft 10 is specifically formed by the camshaft 6, which is used to control the control valves 8 of the reciprocating piston engine.
  • the camshaft 6 has a double function. On the one hand, it controls the control valves 8 and, on the other hand, it also causes the linear movement of the balancing masses 13 and thus serves as a balancing camshaft 10.
  • the camshaft 6 has several valve cams 7 (FIG. 2).
  • the valve cams 7 are arranged between two ball bearings 19 which hold the camshaft 6 in a motor housing 20. Outside the ball bearings 19, the camshaft 6 or compensating camshaft 10 each have compensating cam elements 11.
  • two compensating cam members 11, i.e. first and second compensating cam members 11, are provided.
  • the compensating cam elements 11 are preferably spaced from the center point of the compensating camshaft 10 by the same amount, so that tilting moments on the compensating camshaft 10 are also compensated.
  • a compensating mass 13 is assigned to each compensating cam element 11. Specifically, the first compensating cam element 11 acts on a first compensating mass 13 and the second compensating cam element 11 acts on a second compensating mass 13.
  • the compensating masses 13 are each designed as tappets 14 that are guided in sleeves 17.
  • the sleeves 17 are more integral Part of the motor housing 20. In other words, the motor housing 20 has sleeve-like recesses in which the tappets 14 are linearly guided.
  • the tappets 14 are linearly guided in the respective sleeve 17 and acted upon by a spring force via a spring 15.
  • the spring force of the spring 15, which is designed as a compression spring, ensures that the plunger 14 is pressed onto the compensating cam element 11. Continuous contact between the rolling element 16 and the compensating cam element 11 is thus ensured.
  • a rolling element 16 is arranged between each tappet 14 and each compensating cam element 11.
  • the rolling element can be designed as a roller.
  • the roller can be mounted on ball bearings or slide bearings. The roller or the rolling element 16 rolls over the compensating cam element 11.
  • the compensating cam element 11 has four compensating cams 12 in each case.
  • the compensating cams 12 are arranged essentially in a star shape. Specifically, the maxima of the compensating cams 12 can each be arranged at right angles to one another.
  • the compensating cams 12 are arranged asymmetrically.
  • the number of compensating cams 12 also depends on the design of the compensating camshaft 10.
  • the compensating camshaft 10 simultaneously forms the camshaft 6, which usually rotates half as fast as the crankshafts 3, 4 during operation.
  • four compensating cams 12 are useful to compensate for the second-order moments of inertia.
  • two compensating cams 12 may be sufficient.
  • Such an embodiment is useful, for example, when the two-cylinder reciprocating piston engine is to be equipped with overhead camshafts 6.
  • the compensating camshaft 10 is then provided exclusively to compensate for the second-order moments of inertia and does not have the dual function of an additional camshaft 6 for controlling the control valves 8.
  • the camshaft 6 or compensating camshaft 10 has a drive wheel 18 on an engine side opposite the spur gears 9 of the crankshafts 3, 4.
  • the drive wheel 18 can be designed as a toothed wheel and connected to one of the crankshafts 3, 4 via a timing chain.
  • the drive wheel 18 can also be connected to one of the crankshafts 3, 4 by drive belts.
  • the drive wheel 18 is dimensioned in such a way that the camshaft 6 or compensating camshaft 10 rotates half as fast as the crankshafts 3, 4 during operation.
  • the two-cylinder reciprocating engine of the generator set runs particularly smoothly.
  • the generator is therefore particularly suitable as part of a drive train of a hybrid vehicle that is primarily driven by means of electric motors.
  • the power unit serves as a power generator for the electrical energy required to drive the hybrid vehicle.
  • the smoothness of the two-cylinder reciprocating engine makes it possible, in particular, to switch on the generator depending on the driving situation without transmitting disruptive vibrations into the interior of the vehicle.
  • the noise emissions are massively reduced, so that the result can be a driving experience in the hybrid vehicle that corresponds to the driving impression of a purely electrically powered vehicle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stromaggregat, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, mit - einem Zweizylinder-Hubkolbenmotor, der zwei Kolben, die in zwei Zylindern (1, 2) in Tandem-Anordnung geführt sind, und zwei gegenläufige Kurbelwellen (3, 4) aufweist, die mit den Kolben durch Pleuel verbunden sind, - zumindest einem Generator (5), der zur ersten Kurbelwelle (3) gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle (4) gegenläufig drehbar ist, und - einer Nockenwelle (6) mit Ventilnocken (7), die mit Steuerventilen (8) wirkverbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Schwungmassenelement (21), das auf der zweiten Kurbelwelle (4) oder einer Schwungmassenausgleichswelle angeordnet ist, und eine Ausgleichsnockenwelle (10) vorgesehen sind, wobei die Ausgleichsnockenwelle (10) wenigstens ein Ausgleichsnockenelement (11) umfasst, das mit einer linear geführten Ausgleichsmasse (13) wirkverbunden ist.

Description

Stromaggregat
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Stromaggregat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Stromaggregat ist beispielsweise aus DE 10 2016 102 048 Al bekannt.
Im Zuge des Klimawandels besteht das Ziel, die Mobilität mittels Fahrzeugen möglichst emissionsfrei zu gestalten. Eine vielversprechende Möglichkeit ist der Einsatz von rein batterieelektrischen Fahrzeugen. Solche Fahrzeuge haben jedoch Nachteile. Insbesondere die hohen Fierstellungskosten für die relativ große Batterie, die für eine ausreichende Reichweite erforderlich ist, sind hoch. Darüber hinaus erfordert der Einsatz von batterieelektrischen Fahrzeugen eine gute Ladeinfrastruktur, die nicht in allen Regionen der Welt vorhanden ist.
Vor diesem Flintergrund sind Plug-In-Flybrid-Konzepte zweckmäßig, bei welchen das Fahrzeug eine vergleichsweise kleine Batterie hat, die eine für Alltagsfahrten ausreichende elektrische Kapazität aufweist und über das Stromnetz nachgeladen werden kann. Andererseits weisen Hybridfahrzeuge ein Stromaggregat auf, das zum Nachladen der Batterie eingesetzt wird. Ein solches Stromaggregat, wie es aus der eingangs genannten DE 10 2016 102 048 Al bekannt ist, weist beispielsweise einen Zweizylinder-Hubkolbenmotor auf, der mit einem Generator gekoppelt ist, um im Fahrzeug Strom zu erzeugen.
Bei derartigen Hybridfahrzeugen wird das Stromaggregat nicht durchgehend betrieben, sondern je nach Fahrsituation zugeschaltet. Da der Zweizylinderhubkolbenmotor des Stromaggregats Vibrationen erzeugt, kann dies zu einem unangenehmen Fahrgefühl führen. Insbesondere die von rein batterieelektrischen Fahrzeugen bekannte Ruhe und Schwingungsfreiheit im Fahrzeug kann so durch ein Stromaggregat durchbrochen werden.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Stromaggregat anzugeben, dass sich durch eine besonders hohe Laufruhe auszeichnet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einem solchen Stromaggregat anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Stromaggregat durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf das Fahrzeug durch den Gegenstand des Patentanspruchs 13 gelöst.
So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, ein Stromaggregat, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, anzugeben, wobei das Stromaggregat einen Zweizylinderhubkolbenmotor umfasst, der zwei Kolben, die in zwei Zylindern in Tandemanordnung geführt sind, und zwei gegenläufige Kurbelwellen aufweist.
Die Kurbelwellen sind mit dem Kolben durch Pleuel verbunden. Ferner weist das Stromaggregat zumindest einen Generator auf, der zur ersten Kurbelwelle gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle gegenläufig drehbar ist. Das Stromaggregat hat auch eine Nockenwelle mit Ventilnocken, die mit Steuerventilen wirkverbunden sind. Erfindungsgemäß sind ein Schwungmassenelement und eine Ausgleichsnockenwelle vorgesehen. Das Schwungmassenelement ist auf der zweiten Kurbelwelle oder einer Schwungmassenausgleichswelle angeordnet. Die Ausgleichsnockenwelle umfasst wenigstens ein Ausgleichsnockenelement, das mit einer linear geführten Ausgleichsmasse wirkverbunden ist.
Zur Vermeidung von Schwingungen im Hubkolbenmotor, die sich in einem Hybridfahrzeug auf den Fahrzeuginnenraum übertragen können, ist es vorteilhaft, Massenkräfte erster Ordnung und Massenkräfte zweiter Ordnung zu vermeiden, vorzugsweise zu eliminieren. Bei dem Stromaggregat, das einen Generator aufweist, entstehen ferner Massenträgheitsmomente , wobei das Schwungmassenelement erfindungsgemäß dazu ausgelegt ist, diese Massenträgheitsmomente auszugleichen. Die Ausgleichsnockenwelle dient hingegen dazu, Massenkräfte zweiter Ordnung auszugleichen. Auf diese Weise wird im Zusammenspiel mit dem Ausgleich der Massenträgheitsmomente und der Massenkräfte zweiter Ordnung eine besonders hohe Laufruhe erzielt. Insbesondere wird eine Laufruhe erzielt, die bei sonst bekannten Zweizylinder- Hubkolbenmotoren nicht erreicht werden kann.
Der Effekt, der sich dadurch einstellt, ist insbesondere für Hybridfahrzeuge relevant. Da der Zweizylinder-Hubkolbenmotor in verschiedenen Fahrsituationen zugeschaltet wird, entstehen bei dem erfindungsgemäßen Stromaggregat die sonst üblichen starken Anlaufschwingungen nicht, so dass es für einen Insassen eines solchen Hybridfahrzeugs im Wesentlichen unspürbar bleibt, ob nun das Stromaggregat aktiv ist oder nicht. So stellt sich ein Fahrgefühl ein, dass sonst nur von batterieelektrischen Fahrzeugen bekannt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromaggregats ist die Ausgleichsmasse durch einen federvorgespannten Stößel gebildet. Ein solcher federvorgespannter Stößel benötigt einen geringen Bauraum, so dass insgesamt das Stromaggregat kompakt gestaltet sein kann. Eine kompakte Gestaltung ist für den Einsatz in Hybridfahrzeugen besonders bevorzugt, da so innerhalb des Fahrzeugs mehr Platz für die Fahrgastzelle und/oder einen Stauraum verbleibt.
Die Ausgleichsmasse, insbesondere der federvorgespannte Stößel, kann in einer Hülse geführt sein, die sich im Wesentlichen oberhalb der Ausgleichsnockenwelle parallel zu den Zylindern erstreckt. Auf diese Weise lassen sich Massenträgheitskräfte zweiter und höherer Ordnung besonders gut ausgleichen, wobei gleichzeitig eine hohe Kompaktheit des Stromaggregats erreicht wird.
Eine besonders kompakte Bauweise wird zudem erzielt, wenn die Ausgleichsnockenwelle durch die Nockenwelle gebildet ist. Mit anderen Worten kann die Nockenwelle, die mit den Steuerventilen wirkverbunden ist, gleichzeitig als Ausgleichsnockenwelle wirken. Die Nockenwelle umfasst in diesem Fall auch das Ausgleichsnockenelement und ist insoweit auch mit der linear geführten Ausgleichsmasse wirkverbunden. Diese Doppelfunktion der Nockenwelle als Nockenwelle zur Ansteuerung der Steuerventile und als Ausgleichsnockenwelle führt zu einer besonders kompakten Bauweise und aufgrund der geringeren Anzahl an Bauteilen auch zu einer besonders kostengünstigen Herstellung und Montage des Stromaggregats.
Das Ausgleichsnockenelement kann zwei oder vier Ausgleichsnocken aufweisen. Die Anzahl der Ausgleichsnocken hängt davon ab, wie schnell die Ausgleichsnockenwelle dreht. Wenn die Ausgleichsnockenwelle durch die Nockenwelle gebildet ist, dann sind vier Ausgleichsnocken zweckmäßig, um die Massenkräfte zweiter und höherer Ordnung auszugleichen, da die Nockenwelle üblicherweise mit der halben Kurbelwellendrehzahl rotiert. Ist die Ausgleichsnockenwelle jedoch als separates Bauteil ausgebildet und rotiert beispielsweise mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwellen, so reichen zwei Ausgleichsnocken aus, um die Massenkräfte zweiter und höherer Ordnung auszugleichen.
Um zu erreichen, dass die Ausgleichsmasse gleichmäßig über das Ausgleichsnockenelement bewegt wird, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Ausgleichsmasse, insbesondere der federvorgespannte Stößel, ein Abrollelement oder ein Gleitelement aufweist. Das Abrollelement rollt im Betrieb auf einer Außenoberfläche des Ausgleichnockenelements ab. Das alternativ vorgesehene Gleitelement gleitet im Betrieb auf einer Außenoberfläche des Ausgleichsnockenelements.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromaggregats ist vorgesehen, dass die Ausgleichsnockenwelle ein erstes Ausgleichsnockenelement und ein zweites Ausgleichsnockenelement aufweist. Das erste Ausgleichsnockenelement kann mit einer ersten linear geführten Ausgleichsmasse und das zweite Ausgleichsnockenelement mit einer zweiten linear geführten Ausgleichsmasse wirkverbunden sein. Durch die Nutzung von zwei Ausgleichsnockenelementen und dazu zugeordneten zwei Ausgleichsmassen können auf die Ausgleichsnockenwelle wirkende Kippmomente vermieden werden, was weiter zur Laufruhe des Zweizylinder-Hubkolbenmotors des Stromaggregats beiträgt.
Insofern ist es besonders bevorzugt, wenn die Ausgleichsnockenelemente im gleichen Abstand zu einem Mittelpunkt der Ausgleichsnockenwelle angeordnet sind. Wenn die Ausgleichsnockenwelle durch die Nockenwelle gebildet ist, ist es besonders bevorzugt, wenn die Ventilnocken zwischen dem ersten Ausgleichsnockenelement und dem zweiten Ausgleichsnockenelement angeordnet sind.
Die Ausgleichsnockenwelle weist in einer bevorzugten Variante ein Antriebsrad auf, das über einen Steuerriemen oder eine Steuerkette mit der ersten und/oder der zweiten Kurbelwelle wirkverbunden ist. Die Kurbelwellen, insbesondere die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle, weisen vorzugsweise jeweils ineinandergreifende Stirnräder auf. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Antriebsrad der Ausgleichsnockenwelle auf einer den Stirnrädern gegenüberliegenden Motorseite angeordnet ist. Eine solche Gestaltung führt einerseits dazu, dass das Stromaggregat insgesamt eine sehr kompakte Bauweise beibehält. Andererseits können so auf die Kurbelwellen wirkende Kippmomente ausgeglichen werden, die dadurch entstehen, dass die Kurbelwellen auf der dem Antriebsrad gegenüberliegenden Seite beispielsweise mit dem Generator über ein Zugmittel oder ein Zahnradgetriebe, insbesondere mit einem Zwischenzahnrad, verbunden sein können.
Eine besonders kompakte Gestaltung des Stromaggregats ist außerdem erreichbar, wenn, wie es bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist, die Hülse einstückig und/oder integral mit einem Motorgehäuse ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann die Ausgleichsmasse linear in einer Führung geführt sein, die als Teil des Motorgehäuses ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Motorgehäuse als Gussteil ausgebildet sein, wobei in dem Gussteil ein Führungskanal für die Ausgleichsmasse vorgesehen ist.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug mit einem zuvor beschriebenen Stromaggregat. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1: eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen
Stromaggregats nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2: eine Längsschnittansicht durch das Stromaggregat gemäß Fig. 1; und
Fig. 3: eine Rückansicht des Stromaggregats gemäß Fig. 1.
Das Stromaggregat gemäß dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst einen Zweizylinder-Flubkolbenmotor mit zwei Zylindern 1, 2 und einem Generator 5, der mit dem Flubkolbenmotor gekoppelt ist. Der Zweizylinder-Flubkolbenmotor ist mit Zylindern 1, 2 in Tandemanordnung ausgeführt, wobei jedem Zylinder 1, 2 jeweils eine Kurbelwelle 3, 4 zugeordnet ist. Die Kurbelwellen verlaufen parallel zueinander und sind über Stirnräder 9 miteinander drehgekoppelt.
Der Generator 5 ist mit einer ersten Kurbelwelle 3 wirkverbunden, so dass der Generator 5 dieselbe Drehrichtung wie die erste Kurbelwelle 3 aufweist. Konkret ist der Generator 5 über ein Zwischenzahnrad 22 mit einem Stirnrad 9 der ersten Kurbelwelle 3 gekoppelt (Fig. 3). Die zweite Kurbelwelle 4 weist ebenfalls ein Stirnrad 9 auf, das durch eine Verzahnung mit dem Stirnrad 9 der ersten Kurbelwelle drehverbunden ist. Dabei dreht die zweite Kurbelwelle 4 gegenläufig zur ersten Kurbelwelle 3 und damit auch gegenläufig zum Generator 5.
Um die Massenträgheitsmomente, die insbesondere durch den Generator 5 verursacht sind, auszugleichen, weist der Flubkolbenmotor vorzugsweise ein Schwungmassenelement 21 auf. Das Schwungmassenelement 21 ist bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel auf der zweiten Kurbelwelle 4 angeordnet sein. Fig. 3 zeigt die Anordnung des Schwungmassenelements 21 auf der zweiten Kurbelwelle 4. Das Schwungmassenelement 21 ist dabei vorzugsweise mit dem Stirnrad 9 der zweiten Kurbelwelle 4 drehfest verbunden. Alternativ ist es möglich, eine separate Schwungmassenausgleichswelle vorzusehen, die das Schwungmassenelement 21 trägt. Die
Schwungmassenausgleichswelle kann beispielsweise spiegelbildlich zum Generator 5 angeordnet und mit der zweiten Kurbelwelle 4 wirkverbunden sein. Alternativ ist es auch möglich, dass das Schwungmassenelement 21 durch einen zweiten Generator 5 gebildet ist, der spiegelbildlich mit der zweiten Kurbelwelle 4 verbunden ist. Diese Ausführung hat zusätzlich den Vorteil, dass das Stromaggregat eine höhere elektrische Ausgangsleistung erzeugen kann.
Zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung ist bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel des Stromaggregats eine Ausgleichsnockenwelle 10 vorgesehen, die auf Ausgleichsmassen 13 wirkt, welche sich linear und parallel zu dem Kolben in den Zylindern 1, 2 bewegen. Die Ausgleichsnockenwelle 10 ist konkret durch die Nockenwelle 6 gebildet, die zur Ansteuerung der Steuerventile 8 des Hubkolbenmotors dient. Mit anderen Worten hat die Nockenwelle 6 eine Doppelfunktion. Einerseits bewirkt sie die Steuerung der Steuerventile 8 und andererseits bewirkt sie außerdem die lineare Bewegung der Ausgleichsmassen 13 und dient so als Ausgleichsnockenwelle 10.
Für die Funktion als Nockenwelle 6 zur Ansteuerung der Steuerventile 8 weist die Nockenwelle 6 mehrere Ventilnocken 7 auf (Fig. 2). Die Ventilnocken 7 sind zwischen zwei Kugellagern 19 angeordnet, die die Nockenwelle 6 in einem Motorgehäuse 20 halten. Außerhalb der Kugellager 19 weist die Nockenwelle 6 bzw. Ausgleichsnockenwelle 10 jeweils Ausgleichsnockenelemente 11 auf. Konkret sind zwei Ausgleichsnockenelemente 11, d.h. ein erstes und ein zweites Ausgleichsnockenelement 11, vorgesehen. Die Ausgleichsnockenelemente 11 sind vorzugsweise vom Mittelpunkt der Ausgleichsnockenwelle 10 um den gleichen Betrag beabstandet, so dass auch Kippmomente auf die Ausgleichsnockenwelle 10 ausgeglichen werden.
Jedem Ausgleichsnockenelement 11 ist eine Ausgleichsmasse 13 zugeordnet. Konkret wirkt das erste Ausgleichsnockenelement 11 auf eine erste Ausgleichsmasse 13 und das zweite Ausgleichnockenelement 11 auf eine zweite Ausgleichsmasse 13. Die Ausgleichsmassen 13 sind jeweils als Stößel 14 ausgebildet, die in Hülsen 17 geführt sind. Die Hülsen 17 sind integraler Bestandteil des Motorgehäuses 20. Mit anderen Worten weist das Motorgehäuse 20 hülsenartige Ausnehmungen auf, in welchen die Stößel 14 linear geführt sind.
Die Stößel 14 sind in der jeweiligen Hülse 17 linear geführt und über eine Feder 15 mit einer Federkraft beaufschlagt. Die Federkraft der Feder 15, die als Druckfeder ausgebildet ist, sorgt dafür, dass der Stößel 14 auf das Ausgleichsnockenelement 11 gepresst wird. So ist ein durchgehender Kontakt zwischen dem Abrollelement 16 und dem Ausgleichsnockenelement 11 gewährleistet.
Zwischen jedem Stößel 14 und jedem Ausgleichsnockenelement 11 ist ein Abrollelement 16 angeordnet. Insbesondere kann das Abrollelement als Rolle ausgebildet sein. Die Rolle kann kugelgelagert oder gleitgelagert sein. Die Rolle bzw. das Abrollelement 16 rollt über das Ausgleichsnockenelement 11 ab.
Das Ausgleichsnockenelement 11 weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den beigefügten Zeichnungen jeweils vier Ausgleichsnocken 12 auf. Die Ausgleichsnocken 12 sind im Wesentlichen sternförmig angeordnet. Konkret können die Maxima der Ausgleichsnocken 12 jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sein.
Grundsätzlich ist eine andere Anzahl oder Gestaltung der Ausgleichsnocken 12 möglich. Bei der Anordnung der Ausgleichsnockenwelle 10, wie sie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, ist eine symmetrische Gestaltung des Ausgleichsnockenelements 11 zweckmäßig, da die Ausgleichsnockenwelle 10 mittig zwischen den Zylindern 1, 2 angeordnet ist. Bei einer außermittigen bzw. exzentrischen Anordnung, kann es vorteilhaft sein, wenn die Ausgleichsnocken 12 asymmetrisch angeordnet sind.
Auch die Anzahl der Ausgleichsnocken 12 hängt von der Gestaltung der Ausgleichsnockenwelle 10 ab. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die Ausgleichsnockenwelle 10 gleichzeitig die Nockenwelle 6, welche im Betrieb üblicherweise halb so schnell wie die Kurbelwellen 3, 4 dreht. In diesem Fall sind zum Ausgleich der Massenträgheitsmomente zweiter Ordnung vier Ausgleichsnocken 12 zweckmäßig. In Varianten des Stromaggregats, bei welchen die Ausgleichsnockenwelle 10 separat von der Nockenwelle 6 vorgesehen ist und beispielsweise mit derselben Drehgeschwindigkeit wie die Kurbelwellen 3, 4 dreht, können zwei Ausgleichsnocken 12 ausreichend sein. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise zweckmäßig, wenn der Zweizylinderhubkolbenmotor mit obenliegenden Nockenwellen 6 ausgestattet werden soll. Dann ist die Ausgleichsnockenwelle 10 ausschließlich zum Ausgleich der Massenträgheitsmomente zweiter Ordnung vorgesehen und weist nicht die Doppelfunktion als zusätzliche Nockenwelle 6 zur Ansteuerung der Steuerventile 8 auf.
In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Nockenwelle 6 bzw. Ausgleichsnockenwelle 10 auf einer den Stirnrädern 9 der Kurbelwellen 3, 4 gegenüberliegenden Motorseite ein Antriebsrad 18 aufweist. Das Antriebsrad 18 kann als Zahnrad ausgebildet sein und über eine Steuerkette mit einer der Kurbelwellen 3, 4 verbunden sein. Alternativ kann das Antriebsrad 18 auch durch Antriebsriemen mit einer der Kurbelwellen 3, 4 verbunden sein. Das Antriebsrad 18 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel so dimensioniert, dass die Nockenwelle 6 bzw. Ausgleichsnockenwelle 10 im Betrieb halb so schnell wie die Kurbelwellen 3, 4 dreht.
Durch den Ausgleich der Massenträgheitsmomente und der Massenkräfte zweiter Ordnung ist der Zweizylinder-Hubkolbenmotor des Stromaggregats besonders laufruhig. Daher eignet sich das Stromaggregat insbesondere als Bestandteil eines Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, das primär mittels Elektromotoren angetrieben wird. Das Stromaggregat dient dabei als Stromerzeuger für die elektrische Energie, die zum Antrieb des Hybridfahrzeugs benötigt wird. Die Laufruhe des Zweizylinder-Hubkolbenmotors ermöglicht es insbesondere, das Stromaggregat je nach Fahrsituation zuzuschalten, ohne dabei störende Vibrationen in das Fahrzeuginnere zu übertragen. Darüber hinaus sind die Geräuschemissionen massiv reduziert, so dass sich im Ergebnis ein Fahrgefühl im Hybridfahrzeug einstellen kann, das dem Fahreindruck eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs entspricht. Bezugszeichenliste , 2 Zylinder erste Kurbelwelle zweite Kurbelwelle Generator Nockenwelle Ventilnocken Steuerventil Stirnrad 0 Ausgleichsnockenwelle 1 Ausgleichsnockenelement 2 Ausgleichsnocken 3 Ausgleichsmasse 4 Stößel 5 Feder 6 Abrollelement 7 Hülse 8 Antriebsrad 9 Kugellager 0 Motorgehäuse 1 Schwungmassenelement 2 Zwischenzahnrad

Claims

Ansprüche
1. Stromaggregat, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, mit
- einem Zweizylinder-Hubkolbenmotor, der zwei Kolben, die in zwei Zylindern (1, 2) in Tandem-Anordnung geführt sind, und zwei gegenläufige Kurbelwellen (3, 4) aufweist, die mit den Kolben durch Pleuel verbunden sind,
- zumindest einem Generator (5), der zur ersten Kurbelwelle (3) gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle (4) gegenläufig drehbar ist, und
- einer Nockenwelle (6) mit Ventilnocken (7), die mit Steuerventilen (8) wirkverbunden sind, dad u rch geken nzeich net, dass ein Schwungmassenelement (21), das auf der zweiten Kurbelwelle (4) oder einer Schwungmassenausgleichswelle angeordnet ist, und eine Ausgleichsnockenwelle (10) vorgesehen sind, wobei die Ausgleichsnockenwelle (10) wenigstens ein Ausgleichsnockenelement (11) umfasst, das mit einer linear geführten Ausgleichsmasse (13) wirkverbunden ist.
2. Stromaggregat nach Anspruch 1, dad u rch geken nzeich net, dass die Ausgleichsmasse (13) durch einen federvorgespannten Stößel (14) gebildet ist.
3. Stromaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch geken nzeich net, dass die Ausgleichsmasse (13), insbesondere der federvorgespannte Stößel (14), in einer Hülse (17) geführt ist, die sich im Wesentlichen oberhalb der Ausgleichsnockenwelle (10) parallel zu den Zylindern (1, 2) erstreckt.
4. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Ausgleichsnockenwelle (10) durch die Nockenwelle (6) gebildet ist.
5. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass das Ausgleichsnockenelement (11) zwei oder vier Ausgleichsnocken (12) aufweist.
6. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Ausgleichsmasse (13), insbesondere der federvorgespannte Stößel (14), ein Abrollelement (16) oder ein Gleitelement aufweist, das im Betrieb auf einer Außenoberfläche des Ausgleichsnockenelements (11) abrollt oder gleitet.
7. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Ausgleichsnockenwelle (10) ein erstes Ausgleichsnockenelement (11) und ein zweites Ausgleichsnockenelement (11) aufweist, wobei das erste Ausgleichsnockenelement (11) mit einer ersten linear geführten Ausgleichsmasse (13) und das zweite Ausgleichsnockenelement (11) mit einer zweiten linear geführten Ausgleichsmasse (13) wirkverbunden ist.
8. Stromaggregat nach Anspruch 4 und 7, dad u rch geken nzeich net, dass die Ventilnocken (7) zwischen dem ersten Ausgleichsnockenelement (11) und dem zweiten Ausgleichsnockenelement (11) angeordnet sind.
9. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Ausgleichsnockenwelle (10) ein Antriebsrad (18) aufweist, das über einen Steuerriemen oder eine Steuerkette mit der ersten und/oder der zweiten Kurbelwelle (3, 4) wirkverbunden ist.
10. Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Kurbelwellen (3, 4) jeweils ineinandergreifende Stirnräder (9) aufweisen.
11. Stromaggregat nach Anspruch 10, dad u rch geken nzeich net, dass das Antriebsrad (18) auf einer den Stirnrädern (9) gegenüberliegenden Motorseite angeordnet ist.
12. Stromaggregat nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dad u rch geken nzeich net, dass die Hülse (17) einstückig und/oder integral mit einem Motorgehäuse (20) ausgebildet ist.
13. Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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