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