STEFFENS, Christoph (Zum Hoover Feld 17, Kerpen, 50170, DE)
WITTEK, Karsten (August-Macke-Straße 39, Aachen, 52076, DE)
KALENBORN, Markus (Drosselweg 10, Dornstadt, 89160, DE)
PISCHINGER, Martin (Glyzinenstraße 50, München, 80935, DE)
STEFFENS, Christoph (Zum Hoover Feld 17, Kerpen, 50170, DE)
WITTEK, Karsten (August-Macke-Straße 39, Aachen, 52076, DE)
KALENBORN, Markus (Drosselweg 10, Dornstadt, 89160, DE)
| Patentansprüche 1. Energiewandlungssystem aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und einen von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Generator, und mit einer Rotationsverbin- dung, die eine erste Welle der Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer zweiten Welle des Energiewandlungssystems koppelt, wobei die zweite Welle gegensinnig zur ersten Welle dreht und die erste Welle parallel zur zweiten Welle angeordnet ist, wobei Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehender Kom- ponenten sich zumindest annähernd gegenseitig aufheben. 2. Energiewandlungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Verbrennungskraftmaschine mittels Hub- oder Rotationskolben ein Drehmoment zur Verfügung stellt. 3. Energiewandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorwelle des Generators gegensinnig zur ersten Welle dreht. 4. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die zweite Welle eine Eingangswelle einer Komponente aus einer Gruppe umfassend einen mechanischen Lader, einen Klimakompressor, eine Vakuumpumpe, eine Lenkhilfpumpe und eine Kühlmittelpunpe ist. 5. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend ein Motorgehäuse, mit einem Ventiltrieb und einem Zylinderkopf, einer Kurbelwelle als ersten Welle in einem Kurbelwellengehäuse und einer Ausgleichswelleneinheit mit zumindest einer Ausgleichswelle als zweite Welle, wobei eine Summe der Produkte aus Trägheitsmomenten und jeweiligen zugehörigen Drehzahlverhältnissen einzelner miteinander gekoppelter Komponenten umfassend zumindest die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle am Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine zumindest annähernd ausgeglichen ist. 6. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle in einem Kurbelgehäuse und die zweite Welle in ei- nem zum Kurbelgehäuse separierbaren Gehäuse angeordnet ist. 7. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle so vertikal angeordnet ist, dass eine Achse der ersten Welle parallel zu einem Erdbeschleunigungsvektor verläuft. 8. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als zusätzlicher Energiewandler zu einem Hauptenergiewandler vorgesehen ist. 9. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass zur Minimierung eines Auslass-Druckstoßens die Verbrennungskraftmaschine nach dem Atkinson-Prozess betrieben wird. 10. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Aufladung aufweist und nach dem Miller-Zyklus betrieben wird. 1 1. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsverbindung ein Planetengetriebe aufweist. 12. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsverbindung spiellos ist. 13. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsverbindung einen Riementrieb aufweist. 14. Energiewandlungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle mittels eines ersten und eines zweiten Riemens, die gegensinnig verschlungen sind, eine Verbindung zur Ausgleichswelle aufweist. 15. Energiewandlungssystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Verbraucher, die durch die Kurbelwelle oder die Ausgleichswelle angetrieben werden, mittels eines Riementriebs zur Kraftübertragung angekoppelt sind. 16. Energiewandlungssystem nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Riementrieb einen innen wie außen profilierten Riemen aufweist. 17. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Welle ein nichtganzzahliges Ü- bersetzungsverhältnis eingestellt ist. 18. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Welle ein Übersetzungsverhältnis anpassbar ist. 19. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass es portabel ist. 20. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiewandlungssystem zwei oder mehr Generatoren umfasst, die über die Rotationsverbindung miteinander gekoppelt sind. 21. Energiewandlungssystem nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren unterschiedlich sind. 22. Energiewandlungssystem nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Generatoren individuell ansteuerbar sind. 23. Energiewandlungssystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle Generatoren, bevorzugt nur ein Generator beim Start über die Rotationsverbindung zugekoppelt ist. 24. Energiewandlungssystem nach Anspruch 20, 21 , 22 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Generator zum Starten des Systems ausgelegt ist, 25. Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Axialführung für die miteinander kämmenden Zahnräder der ersten und der zweiten Welle vorgesehen sind. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem, bevorzugt eine Verbrennungskraftmaschine, mit einer zur Kurbelwelle gegensinnig drehenden Welle.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zum Beispiel bei Arbeitskraftmaschinen Unwuchten im Bereich des Kurbeltriebes dadurch ausgeglichen werden, dass Ausgleichsgewichte genutzt werden. Diese sind so angeordnet, dass damit Kräfte 1. und 2 Ordnung ausgeglichen werden können. So geht zu Beispiel aus der DE 40 24 400 A1 ein assenausgleich für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine hervor. Speziell ist eine Brennkraftmaschine mit drei Zylinderreihen betroffen, die jeweils vier Zylinder aufweisen und über eine gemeinsame Kurbelwelle verbunden sind. Aus dieser Druckschrift geht hervor, dass zum Ausgleich von Massenkräften und Momenten insbesondere der zweiten Ordnung zwei an der Brennkraftmaschine gelagerte, Ausgleichsgewichte tragende Aus- gleichswellen vorgesehen sein sollen, die gegensinnig mit doppelter Kurbelwellendrehzahl angetrieben sind. Aus der Druckschrift selbst gehen die Gleichungen für die Momenten- betrachtungen wie auch für die Kräftebetrachtung hervor. Dort geht ebenfalls hervor, dass sich mit der Drehzahl gegensinnig umlaufende Massenkräfte positiv und negativ umlaufende Vektoren bilden, die spiegelbildlich zur Zylinderachse verlaufen und sich damit auf- heben sollen. Daraus wird im Ergebnis gefolgert, dass zwei Ausgleichswellen angeordnet werden sollen, die in der Lage sind, resultierende Drehmomente kompensieren zu können. Die Ausgleichswellen selbst sind im Kurbelgehäuse angeordnet. Entsprechende Lagerstellen für die Ausgleichswellen sind durch Gehäusetunnel mit entsprechenden Öffnungen geschaffen. Aus der DE 29 04 066 geht eine Verbrennungskraftmaschine hervor, bei der die Ausgleichswelle mit gleicher Drehzahl aber gegenläufig angetrieben wird. Des Weiteren wird in dieser Druckschrift eine Vielzahl an unterschiedlichen Verbrennungskraftmaschinen besprochen und darauf eingegangen, wie sich Momente aufheben können. Auch wird hierbei im Stand der Technik auf einen ATZ-Artikel aus dem Jahre 1978, Heft 1 , Seite 32 verwiesen, aus dem grundsätzlich die Möglichkeit des Massenausgleichs durch entgegengesetzte Drehrichtung einer Ausgleichswelle hingewiesen worden sei.
Ausgleichswellen werden daher, wie der oben angeführte exemplarische Stand der Technik zeigt, danach ausgelegt, ein Unwuchtverhalten der Arbeitsmaschine auszugleichen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aus der DE 37 20 559 C2 wiederum geht eine Verbrennungskraftmaschine hervor, mit der ebenfalls durch Gas- oder Massenkräfte erzeugte Wechselmomente ausgeglichen werden sollen. Die Auslegung sieht hierbei vor, dass eine gegenläufig zur Kurbelwelle rotierend angetriebene Ausgleichsmasse derart ausgelegt wird, dass deren Trägheitsmoment im wesentlichen dem Trägheitsmoment der auf der Kurbelwelle angeordneten Schwungmassen multipliziert mit dem reziproken Wert des Drehzahlübersetzungsverhältnisses zwischen der Ausgleichsmasse und der Kurbelwelle entsprechen soll. Aus der DE 41 19 065 A1 geht eine Auslegung hervor, bei der das Trägheitsmoment einer Ausgleichswelle etwa halb so groß sein solle wie ein Trägheitsmoment einer kurbelwellenseitigen
Schwungmasse. Aus der DE 199 28 969 A1 geht eine Auslegung hervor, wie Längsmomente unter Betrachtung von Trägheitskräften einer Ausgleichswelle und einer Verbindung mit einer Kurbelwelle ausgeglichen werden sollen. Durch die Bemessung der Abstände soll ein Gewicht der Ausgleichswelle verringert werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energiewandlungssystem zu schaffen, das wenig vibrationsanfällig und vielfältig einsetzbar ist.
Es wird ein Energiewandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Merkmale, Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nach- folgenden Beschreibung wie auch aus den Ansprüchen hervor, wobei einzelne Merkmale aus einer Ausgestaltung nicht auf diese beschränkt sind. Vielmehr sind ein oder mehrere Merkmale aus einer Ausgestaltung mit eine oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausgestaltung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Auch dient die Formulierung des Anspruches 1 in seiner angemeldeten Form nur als ein erster Entwurf der Formulie- rung des zu beanspruchenden Gegenstands. Ein oder mehrere Merkmale der Formulierung können daher ausgetauscht wie auch weggelassen werden, ebenso aber auch zusätzlich ergänzt werden. Auch können die anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels angeführten Merkmale auch verallgemeinert bzw. bei anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere Anwendungen ebenfalls eingesetzt werden.
Es wird vorgeschlagen, ein Energiewandlungssystem aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und einen von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Generator, und mit einer Rotationsverbindung zu schaffen, die eine erste Welle der Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer zweiten Welle des Energiewandlungssystems koppelt, wobei die zweite Welle gegensinnig zur ersten Welle dreht und die erste Welle parallel zur zweiten Welle angeordnet ist, wobei Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehende Komponenten sich zumindest annähernd gegenseitig aufheben. Bevorzugt ist eine Summe der Produkte von jeweiligen Vorzeichen behafteten Ü- bersetzungen und Trägheitsmomenten annähernd Null.
Bevorzugt wird dieser Ausgleich bezogen auf die erste Welle als Bezugsort, insbesondere auf eine Ebene senkrecht stehend auf einer Achse durch die erste Welle. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rotationsverbindung zumindest im Betrieb absolut spielfrei ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass auch im Stillstand die Rotationsverbindung spielfrei gestaltet ist. So kann zum Beispiel eine Verspannung vorliegen, die ein gegenseitiges Anliegen kraftübertragender Flächen zu jedem Zeitpunkt gewährleisten..
Mittels eines Ausgleichs der Summe der Produkte der Drehzahlverhältnisse mit den jeweiligen Trägheitsmomenten gegen Null wird erzielt, dass das Energiewandlungssystem in seiner Grundstruktur gemäß einer Ausgestaltung leichter baubar ist. Die Belastungen heben sich in vorteilhafter Weise gegenseitig auf. Dadurch sind die in der Grundstruktur zum Beispiel bezüglich der Lagerung zu absorbierenden Kräfte geringer. Auch die Auslegung zur Halterung des Energiewandlungssystems kann gemäß einer Weiterbildung eine geringere Festigkeit aufweisen und ermöglicht ein geringeres Gewicht.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Energiewandlungssystem einen Generator. Auch kann das Energiewandlungssystem selbst ein Generator sein. Bevorzugt ist es, wenn das Energiewandlungssystem eine Verbrennungskraftmaschine umfasst, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Energiewandlungssystem zumindest eine Verbrennungskraftmaschine und einen Generator umfasst. Bevorzugt sind diese in einer gemeinsamen Gehäusestruktur ange- ordnet. Zum Beispiel sind jeweilige Einzelgehäuse einzelner Komponenten wie Verbrennungskraftmaschine und Generator miteinander verbunden, zumindest aber kraftübertragend und damit momentenausgleichend miteinander gekoppelt.
Im Folgenden werden verschiedene Weiterbildungen anhand einer Ausgestaltung des Energiewandlungssystem als Verbrennungskraftmaschine dargelegt. Diese Weiterbildun- gen sind aber nicht auf diese spezielle Ausgestaltung beschränkt sondern beispielhaft zu verstehen. So können die im Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine dargestellten Merkmale auch mit anderen Energiewandlungssystemen verknüpft werden, zum Beispiel einem Generator, einer Pumpe, einem Verdichter, einer Turbine oder einer sons- tigen, mit Trägheitskräften beaufschlagten Energiewandlungssystemen. Auch ist das Konzept auf stationäre wie auch auf mobile Anwendungen einsetzbar, so zum Beispiel bei Blockheizkraftwerken, Stromerzeugern, Fahrzeugen aller Art, Schiffen, Flugzeugen, Zweirädern, wie auch bei mobilen Handgeräten wie zum Beispiel Kettensägen und dergleichen. So kann zum Beispiel eine APU, Abkürzung für "auxiliary power unit", eines Flug- zeugs oder eines gepanzerten Fahrzeugs das vorgeschlagene Energiewandlungssystem aufweisen. Auch kann die zweite Welle eine Eingangswelle einer Komponente aus einer Gruppe umfassend einen mechanischen Lader, einen Klimakompressor, eine Vakuumpumpe, eine Lenkhilfpumpe und eine Kühlmittelpumpe sein. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Ausgleich der Produkte aus Trägheitsmomenten und Drehzahlverhältnissen sich insbesondere auf ein Maschinengestell, zum Beispiel einen Motorblock bezieht, in dem oder an dem die zumindest eine zweite Welle, insbesondere als Ausgleichswelleneinheit angeordnet ist. Bevorzugt wird ein Ausgleich ausgeführt, der nicht nur eine Welle des Energiewandlungssystems und eine Ausgleichswelle ein- schließt. Beispielsweise wird das Maschinengestell insgesamt betrachtet. Wird daher ein Motorblock herbeigezogen, werden zum Beispiel alle Einrichtungen, die am Kurbelgehäuse angeordnet sind, bezüglich ihrer jeweiligen Trägheitskräfte und -momente und zugehörigen Drehzahlen bzw. Drehzahlverhältnisse betrachtet. Das können zum Beispiel die Antriebe von Pumpen oder sonstigen Anbauteilen sein, Ausgleichgewichte und/oder an- deres mit umfassen. Auch kann dieses beispielsweise Komponenten mit einschließen, die am Zylinderkopf angeordnet sind, zum Beispiel ein Ventiltrieb. So werden beim Ausgleich bevorzugt alle rotierenden Massen und deren Trägheitsmomente nebst zugehöriger Drehzahlverhältnisse erfasst, insbesondere so, dass in Bezug auf eine Bilanzgrenze, bevorzugt hierbei der Motor selbst zum Beispiel mit angeflanschtem Generator, die Summe der Produkte aus Trägheitsmomenten und Drehzahlverhältnissen annähernd ausgeglichen und damit gegen Null geht, vorzugsweise Null ist.
Eine Lagerung der Zusatzwelle ist bevorzugt im Maschinengestell angeordnet. Die Lagerung kann im Zylinderkopf oder auch im Motorblock vorhanden sein. Eine bevorzugte Ausgestaltung weist eine Verbrennungskraftmaschine auf, aufweisend ein Motorgehäuse, mit einem Ventiltrieb und einem Zylinderkopf, einer Kurbelwelle als ersten Welle in einem Kurbelwellengehäuse und einer Ausgleichswelleneinheit mit zumindest einer Ausgleichswelle als zweite Welle, wobei eine Summe der Produkte aus Trägheitsmomenten und jeweiligen zugehörigen Drehzahlverhältnissen einzelner miteinander gekoppelter Komponenten umfassend zumindest die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle am Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine zumindest annähernd ausgeglichen ist.
Der Zylinderkopf kann gemäß einer Ausgestaltung ein oder mehrere Nockenwellen aufweisen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Nockenwelle außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet ist. So kann beispielsweise eine unten liegende oder seitlich angeordnete Nockenwelle vorgesehen sein. Ein Ventiltrieb kann dazu angepasst vorliegen. Auch kann ein nichtnockenwellenbetriebener Ventiltrieb zum Einsatz kommen.
Unter Ausgleich ist hierbei zu verstehen, dass bevorzugt unter Bezugnahme auf eine Bilanzgrenze die Produkte der Trägheitsmomente und zugehöriger Drehzahlverhältnisse sich so gegenseitig ausgleichen, dass kein oder zumindest annähernd kein Rollmoment mehr in Bezug zu dieser Bilanzgrenze vorhanden ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Verbrennungskraftmaschine eine Ausgleichswelle aufweist, die eine Arbeitsmaschine antreibt, zum Beispiel einen Generator antreibt. Auch kann eine Pumpe angetrieben werden. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Arbeitsmaschine direkt mit der Ausgleichswelle gekoppelt. Beispielsweise kann der Generator einen Rotor aufweisen, der gleichzeitig Teil der Ausgleichswelle ist.
Die Verbrennungskraftmaschine kann eine Ein-Zylinder, eine Zwei-Zylinder oder auch Drei-Zylinder-Maschine sein. Auch können vier oder mehr Zylinder vorgesehen werden. Auch können neben einer Reihenanordnung der Zylinder eine V- oder auch W-Anordnung genutzt werden.
Bevorzugt ist die Verbrennungskraftmaschine in einem Hybridfahrzeug angeordnet. Beispielsweise kann die Verbrennungskraftmaschine eine Hauptantriebskraft des Hybridantriebs darstellen. Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, dass die Verbrennungskraftmaschine als Range-Extender in einem Fahrzeug angeordnet ist. Im Zuge der hohen Anforderungen an Kraftstoffeinsparung bieten sich Motoren mit kleinen Zylinderanzahlen, niedrigen Drehzahlen sowie Aufladung an. Aufgrund der starken Dreh-Ungleichförmigkeit sind diese Motoren allerdings problematisch bezüglich des NVH- Verhaltens (Noise, Vibration and Harshness - abgekürzt NVH). Insbesondere für einen Range-Extender wird daher ein Verbrennungsmotor mit sehr gutem NVH-Verhalten benötigt, den man unmerklich zuschalten, abschalten und betreiben kann. Durch das Ausgleichen der wirkenden Momente am Range-Extender gelingt es, dieses wie gewünscht erzielen zu können.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Verbrennungskraftmaschine eine Rotationsverbindung hat, die beispielsweise ein Planetengetriebe aufweist. Mittels des Planetengetriebes lässt sich beispielsweise eine Ausgleichsmasse an diesem verwirklichen, welches in die Berechnung der Trägheitsmomente mit eingeht. Gleiches gilt für eine Einstellung des Ü- bersetzungsverhältnisses. So kann ein Teil einer Kompensation des Produkts von Drehzahl und Trägheitskraft der Kurbelwelle durch die Ausgleichswelle wie auch durch das Planetengetriebe erfolgen. Bevorzugt erfolgt eine größere Kompensation des Trägheitsmoments durch die Ausgleichswelle denn durch das Planetengetriebe. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbrennungskraftmaschine zur Minimierung eines Auslass-Druckstoßens nach dem Atkinson-Prozess betrieben wird.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Aufladung aufweist und nach dem Miller-Zyklus betrieben wird. Des Weiteren besteht die Mög- lichkeit, dass je nach Betriebsbereich die Verbrennungskraftmaschine in unterschiedlicher Weise einem Prozess entsprechend betrieben wird, zum Beispiel nach dem Otto-, dem Diesel-, dem Atkinson-, dem Miller- und/oder einem anderen Prozess.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbrennungskraftmaschine die Aus- gleichswelle gleichzeitig als Nockenwelle fungierend aufweist.
Bevorzugt ist es, wenn die Rotationsverbindung eine spiellose Zahnradverbindung aufweist. Die Auslegung der Ausgleichswelle erfolgt bevorzugt zum Einen unter der Betrachtung der Kräfte 1 und 2. Ordnung und deren Ausgleich durch entsprechende Gegengewichte. Zum anderen wird aber das Trägheitsmoment der Ausgleichswelle so gewählt, dass in Bezug auf das Bezugssystem die Summe der wirkenden Trägheitsmomente zumindest gegen Null geht, wenn nicht Null wird.
Bei einem Verbrennungsmotor wird im Verbrennungstakt die Energie zu einem großen Teil an eine Schwungscheibe abgegeben. Die Schwungscheibe wird hierdurch beschleunigt und speichert die Energie in Form von kinetischer Energie. In den restlichen Arbeits- takten wird die Energie aus der Schwungscheibe genommen, wobei durch die Beschleunigung der Massen und durch die Gaskräfte ein ungleichförmiger Drehzahlverlauf auftritt. Die Drehbeschleunigung hat eine gegensinnige Beschleunigung des Motorgehäuses zur Folge, die durch die Motorlager abgestützt werden muss. Dies gilt für alle Verbrennungsmotoren. Bei PKW-Motoren wirkt zusätzlich noch das Drehmoment der Abtriebswelle auf die Motorlager, das aber einen wesentlich ruhigeren Verlauf hat. Beim Range-Extender ist der Abtrieb zum Generator im Gesamtsystem integriert. Somit treten keine äußeren Momente auf. Durch den Vorschlag werden die dynamischen Momente in der Aufhängung des Range-Extenders nahezu eliminiert. Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel eines Range-Extenders noch weiter erläutert, wobei einzelne Ausgestaltungen und Merkmale nicht auf diese Anwendung beschränkt sind, sondern auch bei anderen Anwendungen zum Einsatz gelangen können:
Eine gegensinnig zur Kurbelwelle drehende Zusatzwelle wird mechanisch möglichst steif mit der Kurbelwelle gekoppelt. Dies kann beispielsweise gelöst werden, indem an dem Schwungrad auf der Kurbelwelle ein Zahnkranz angebracht wird, auf dem ein Zahnrad läuft, das mit der Zusatzwelle verbunden ist. Durch die beschriebene Anordnung ist die - Drehrichtung der Kurbelwelle und der Zusatzwelle gegensinnig. Das Lager der Zusatzwelle ist im Motorblock integriert. Es kann aber auch eine andere Rotationsverbindung ge- nutzt werden. Beim Range-Extender aber auch bei anderen Anwendungen wird die Zusatzwelle beispielsweise als Generatorwelle verwendet. Die Übersetzung (i) wird so gewählt, dass bei tiefen Motordrehzahlen (z.B. < 1500 1/min) die optimale Generatordrehzahl (z.B. 4500 1/min; i=-3) erreicht wird. ß Generator _ ' * CÖKurbellwelle Die Auswirkungen der Dreh-Ungleichförmigkeit werden eliminiert, wenn das Trägheitsmoment J der Kurbelwelle um den Faktor |i| größer ist, als das Trägheitsmoment der Generatorwelle.
^Kurbellwelle = " ' * ^Generator
Durch diese Auslegung ist der Gesamt-Drehimpuls im Range-Extender bei jeder Drehzahl gleich 0 und bleibt auch bei jeder Drehzahländerung gleich 0. Somit werden auch bei Drehzahländerungen nach außen hin keine Kräfte bzw. Momente übertragen.
0 = OKurbellwelle * JKurbellwelle + «Generator * JGenerator (Gesamt-Drehimpuls = 0)
Summe aller äußeren Momente um die Kurbelwellenachse = 0:
0 = ω Kurbelwelle * J Kurbelwelle + CO Generator * J Generator
Hierbei ist die Drehbeschleunigung des Pleuels unberücksichtigt. Die dadurch auftreten- den Momente spielen insbesondere bei niedrigen Drehzahlen nur eine untergeordnete Rolle. Wenn zusätzliche Teile mit unterschiedlichen Übersetzungen mit der Kurbelwelle bzw. der gegensinnig drehenden Welle verbunden sind, wie zum Beispiel die Nockenwelle, Lichtmaschine oder Planetenräder eines Planetengetriebes, so müssen die Trägheitsmomente dieser Teile mit der Übersetzung zu der gleichsinnig drehenden Welle multipli- ziert werden und dann zu dem Trägheitsmoment dieser gleichsinnig drehenden Welle addiert werten. Wenn man die Übersetzung i als vorzeichenbehaftete Größe definiert, ist das System richtig ausgelegt, wenn die Summe der Produkte der jeweiligen Übersetzungen und Trägheitsmomente gleich 0 ist.
Durch die entsprechend ausgelegten gegensinnig drehenden Wellen spielt der Zündabstand nun bezüglich NVH keine dominante Rolle mehr. Es ergibt sich die Möglichkeit, kleine Zylinderzahlen, zum Beispiel Ein-, Zwei- oder Drei-Zylinder) mit niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel <1000/min, zu betreiben, wodurch der Einfluss der freien assenkräfte klein wird. Dies hat zusätzlich große Vorteile hinsichtlich Kosten und Wirkungsgrad. Eine Aufladung des Verbrennungsmotors wird begünstigt.
Der Einfluss der Drehbeschleunigung des Pleuels kann durch einen 2-Zylinder- Reihenmotor nahezu kompensiert werden. Das Moment um die Kurbelwellenachse wird dann beim Range-Extender nahezu 0. Weiterhin können die folgenden Ausgestaltungen vorgesehen werden:
Um zum Beispiel ein günstiges Package-Verhalten zu erreichen, wird der Generator neben oder über dem Kurbelgehäuse angeordnet. Die Zusatzwelle kann über ein Planetengetriebe mit der Kurbelwelle verbunden werden. Beispielsweise ist folgende Verbindung möglich: Die Kurbelwelle - Excenterwelle beim Wankelmotor - wird fest mit dem Hohlrad verbunden. Das Hohlrad wird so ausgelegt, dass das Trägheitsmoment aller Teile, die in Drehrichtung der Excenterwelle drehen, die geforderte Größe entsprechend der Erfindung hat. Der Träger der Planetenräder wird fest mit dem Motor-Gehäuse, damit vorzugsweise mit dem Range-Extender-Gehäuse, verbunden und überträgt das Ausgleichsmoment. Das Sonnenrad ist mit der Abtriebswelle verbunden und dreht gegensinninnig zur Kurbelwelle. Hier muss das entsprechende Trägheitsmoment liegen. Beim Range-Extender ist die Abtriebswelle fest mit der Generatorwelle verbunden und das Trägheitsmoment entspricht dem Trägheitsmoment des Genera- tors.
Die Zusatzwelle kann auch auf der freien Kurbelwellenseite angetrieben werden.
Die Zusatzwelle kann über einen Riemen angetrieben werden. Hierbei ist ein innen und außen profilierter, vorzugsweise verzahnter Riemen besonders bevorzugt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rotationsverbindung einen Riementrieb aufweist. So ist beispielsweise vorgesehen, dass mittels eines ersten und eines zweiten Riemens, die gegensinnig verschlungen sind, eine Verbindung zur Ausgleichs- welle vorhanden ist. Der erste und der zweite Riemen sind dadurch in der Lage, die Kraft- Übertragung in beide Drehrichtungen zum Beispiel anzugleichen. In jede Drehrichtung kann somit die Zugkraft sofort übertragen werden. Bei Beschleunigungen der Kurbelwelle kann damit die Ausgleichswelle sofort ebenfalls mit beschleunigt werden, unabhängig von der Drehrichtung und ohne Berücksichtigung eines ansonsten eventuellen Mikroversat- zes, bevor die Kraftübertragung greift. Damit ein Verschlingen ermöglicht wird, kann zum Beispiel ein weiterer durch die Kurbelwelle anzutreibender Verbraucher in der Rotationsverbindung mitumfasst zu sein. Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein oder mehrere Verbraucher, die bevorzugt direkt durch die Kurbelwelle oder die Ausgleichswelle angetrieben werden, mittels eines Riementriebs angekoppelt sind. Bei Verwendung eines Rie- mentriebs kann ein großer Anteil eines Trägheitsmomentes, das insbesondere gleichsinnig zur Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine dreht, ebenfalls über den Riemen angetrieben werden. Hierdurch kann eine mögliche Elastizität des Riementriebs zumindest teilweise kompensiert werden, indem in beiden Drehrichtungen durch die elastische Kraftübertragung ein ähnliches verzögertes Verhalten der Winkelbeschleunigung erreicht wird.
Alternativ wie auch ergänzend kann eine Rotationsverbindung auch einen Kettentrieb vorsehen.
Zur Minimierung des Auslass-Druckstoßes wird der Atkinson-Prozess gewählt, bei au ladenen Motoren der Miller-Cycle.
Bei einer Übersetzung von i kann die Zusatzwelle als Nockenwelle genutzt werden.
Die Erfindung gilt für alle Verbrennungsmotoren, also auch beim Wankelmotor wie auch bei zum Beispiel 3-Zylinder-Motoren.
Der Motor kann aufgeladen sein.
Bei bestehenden Motoren kann die Zusatzwelle nachträglich als Add-On-Paket angebracht werden.
Um zu verhindern, dass bei jedem Arbeitsspiel Anlagewechsel der Zahnräder auftreten, ist es sinnvoll, den Abtrieb über das gegensinnig drehende Zahnrad durchzuführen. Wenn das Abtriebsmoment größer als das minimale Moment der Kurbelwelle ist, tritt kein Anla- gewechsel auf. Dies kann insbesondere beim Range-Extender erreicht werden. Ein Leerlaufbetrieb ist hier nicht erforderlich.
Um einen günstigen Anlagewechsel der Zahnräder zu erlauben, kann ein geteiltes Zahn- rad mit einer Vorspannung verwendet werden.
Ein Einfluss einer Drehbeschleunigung des Pleuels kann durch einen 2-Zylinder- Reihenmotor gemäß der beschriebenen technischen Lehre nahezu kompensiert werden. Das Rollmoment um die Kurbelwelle wird gemäß der Erfindung beim Starten und Stoppen beim Range-Extender nahezu 0, weil die freien Massenkräfte im niedrigen Drehzahlbereich vernachlässigbar klein werden. Das bedeutet, dass ein Zu- wie aber auch ein Abschalten des Range-Extenders durch den Nutzer des Fahrzeugs nicht bemerkt wird. Ein bevorzugtes Einsatzgebiets des vorgeschlagenen Range Extenders ist der unterstützende Antrieb eines Elektromotors bzw. das Laden einer Batterie eines Elektromotors. Dazu kann mittels des Range-Extenders ein am Range-Extender angeschlossener Elektromotor über einen Generator direkt betrieben werden. Auch besteht die Möglichkeit, mittels eines Generators eine Batterie zu laden, mit der der Elektromotor betrieben wird. Wei- terhin besteht die Möglichkeit, alternierend den Range-Extender einzusetzen: wenn eine zu geringe Batteriespannung vorhanden ist, wird die Batterie aufgeladen und wenn der Elektromotor zum Beispiel in einem Fahrbereich wie zum Beispiel einer Beschleunigung zusätzliches Drehmoment, so kann der Generator, der mit dem Rang Extender gekoppelt ist, den dafür benötigten Strom erzeugen.
Des weiteren wird ein Energiewandlungssystem vorgeschlagen, bei dem die erste Welle so vertikal angeordnet ist, dass eine Achse der ersten Welle parallel zu einem Erdbeschleunigungsvektor verläuft. Eine weitere Ausgestaltung kann beispielsweise vorsehen, dass das zugehörige Drehzahlverhältnis der Rotationsverbindung einstellbar, bevorzugt variabel einstellbar ist. Beispielsweise kann ein Übersetzungsverhältnis bei einem Stirnradgetriebe oder bei einem Keilriementrieb geändert werden. Dieses ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn ein oder mehrere Hilfsaggregate, die mit dem Energiewandlungssystem als Komponente verbun- den sind, zu- oder abgeschaltet werden. Dieses ist beispielsweise bei einem Kompressor, der als Komponente zuschaltbar ist, vorgesehen. Wird der Kompressor nicht benötigt, wird dieser abgeschaltet, woraufhin in Anpassung desselben ein Übersetzungsverhältnis der Rotationsverbindung des Energiewandlungssystems geändert werden kann. Hierzu kann beispielsweise ein Kupplungssystem vorgesehen sein, mittels dem eine Rotations- Verbindung ein sich änderndes Drehzahlverhältnis bzw. ein sich änderndes Übersetzungsverhältnis ermöglicht. Wird beispielsweise ein Schaltgetriebe als Komponente eingesetzt, kann an die Getriebestufen angepasst ein sich änderndes Drehzahlverhältnis vorgesehen werden. Eine Änderung kann fest vorgegeben sein, zum Beispiel durch Änderung von einem ersten Wert auf einen dazu beabstandeten festen zweiten Wert. Auch besteht die Möglichkeit, dass eine Änderung entlang eines Bereichs variabel erfolgt, insbesondere innerhalb des Bereichs jeder Wert eingenommen werden kann.
Bevorzugt ist, wenn das Energiewandlungssystem zwischen der ersten und der zweiten Welle ein nichtganzzahliges Übersetzungsverhältnis eingestellt aufweist. Eine Weiterbil- dung sieht vor, dass zwischen der ersten und der zweiten Welle ein Übersetzungsverhältnis anpassbar ist. So kann zum Beispiel bei einem Riementrieb zum Einen eine Spannungsanpassung erfolgen, zum Beispiel mittels einer Spannrolle. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das durch eine Relativbewegung bezüglich Spannrolle, erster und zweiter Welle eine räumlich andere Anordnung erfolgt und damit einhergeht eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses. Beispielsweise kann ein Schwenkmechanismus hierfür vorgesehen sein, der eine Nachführung von zumindest einem der drei Elemente bewirkt, während gleichzeitig das Übersetzungsverhältnis geändert wird. So kann zum Beispiel die Rotationsverbindung als Getriebe, bevorzugt stufenloses Getriebe ausgestaltet sein. Auch kann ein Planetengetriebe zusätzlich oder alternativ zum Einsatz gelangen. Es kann ein Variator zum Einsatz kommen, der beispielsweise zwei axial verschiebbare Kegelscheibenpaare und ein dazwischen laufendes Zugmittel, insbesondere eine Keilriemen aufweist. Mittels des Variators ist es beispielsweise möglich, dass vorgebbare Übersetzungsverhältnisse eingenommen werden und bei kleinen Abweichungen hinsichtlich der angestrebten Auslöschung der Produkte von Trägheitsmomenten und Übersetzungsverhältnis- sen eine weitere Anpassung, insbesondere eine Feinanpassung erfolgt. Dieses kann zum Beispiel gesteuert aber auch geregelt erfolgen, wie auch mittels eines selbstlernendes Systems.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass bei einer Rotationsverbindung von der Kurbel- welle zu einer Rollmomentenausgleichswelle eine Übersetzung von i=2 ins Schnelle eingestellt ist. Dann kann die Rollmomentenausgleichswelle mit einer Unwucht versehen werden, die darauf abgestimmt ist, eine Amplitude einer Massenkraft 2.0rdnung zu redu- zieren. Insbesondere besteht die Möglichkeit der Reduktion um 50%. Diese Weiterbildung kann beispielsweise bei einem Ein-Zylindermotor Verwendung finden, bei einem Reihenmotor mit zwei Zylindern, bei dem die Kröpfungen der Kurbelwelle für die Pleuel um 180° verdreht angeordnet sind (R2 180°), bei einem Reihenmotor mit zwei Zylindern, bei dem die Kröpfungen nicht zueinander verdreht sind (R2 360° bzw R2 0°), also einem Parallel- Twin, wie beispielweise auch bei einem V-Motor mit zwei Zylindern, bei dem die Kurbelwelle einen Versatz der Kröpfung für die Pleuel um 90° besitzt (V2 90°). Auch andere Konstellationen sind möglich, zum Beispiel bei mehr als zwei Zylindern. Soll ein vollständiger Ausgleich der Massenkraft 2.0rdnung geschaffen werden, kommt eine weitere Roll- momentenausgleichswelle zum Einsatz, die mit einer angepassten Unwucht versehen ist. Das Prinzip, zusätzlich zum Ausgleich der Produkte der Trägheitsmomente mit den Übersetzungen auch die Massenkräfte 2. Ordnung zumindest annähernd auszugleichen, ist auch in anderen Konstellationen von Aufbau des Motors, Anzahl der Zylinder, Anzahl der Rollmomentenausgleichswellen, Lage der Kröpfungen lösbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltung wie auch Merkmale gehen aus den nachfolgen Zeichnungen hervor. Die aus den Figuren hervorgehenden einzelnen Merkmale sind nur beispielhaft und nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale aus ein oder mehreren Figuren mit ein oder mehreren Merkmalen der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verbunden werden. Daher sind die Merkmale auch nicht beschränkend sondern beispielhaft angegeben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste schematische beispielhafte Ausgestaltung,
Fig. 2 eine mögliche Nutzung eines Planetengetriebes,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der wirkenden Kräfte,
Fig. 4 eine beispielhafte Ausgestaltung einer Rotationsverbindung mittels eines Riementriebs,
Fig. 5 eine erste Ansicht eines beispielhaften Energiewandlungssystems,
Fig. 6 eine weitere Ansicht basierend auf der aus Fig. 5
Fig. 7 eine Querschnittsansicht bezüglich des Energiewandlungssystems aus Fig. 6, Fig. 8 eine weitere Ansicht des Energiewandlungssystems aus Fig.5,
Fig. 9 eine Ansicht entlang einer Schnittebene aus Fig. 8,
Fig. 10 eine beispielhafte Anordnung eines Energiewandlungssystems in einem Fahrzeug, Fig. 11 eine erste Explosionsdarstellung des Energiewandlungssystems aus Fig.10, und Fig. 12 eine zweite Explosionsdarstellung des Energiewandlungssystems aus Fig.10. Fig. 1 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung eine Ein-Zylinder- Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem seriell angeordneten Generator 2. Auf einer Kurbelwelle 3 ist ein Schwungrad 4 angeordnet, über dass der Generator 2 angetrieben wird. Das Schwungrad 4 weist hier- zu eine Verzahnung auf, die in eine Verzahnung eines zu einer Ausgleichswelle 5 zugehörigen Ausgleichsgewichts 6 eingreift. Die Ausgleichswelle 5 ist wiederum gleichzeitig teilweise Rotor des Generators 2. Der Generator 2 ist parallel zu der Kurbelwelle 3 angeordnet. Der Kolben 7 der Ein-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine 1 bewegt sich damit senkrecht zur Ausgleichswelle 5.
Fig. 2 zeigt ein Planetengetriebe 8, was beispielsweise auch bei einer Ausgestaltung gemäß Fig. 1 eingesetzt werden kann. Ein Sonnenrad 9 ist beispielsweise mit einem Generator 10 gekoppelt. Hierzu ist zum Beispiel das Sonnenrad mit der Generatorwelle direkt gekoppelt. Ein Planetenträger 11 ist an einem Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine befestigt und steht starr. Dargestellt sind eine Lage Planetenräder 12, es können aber auch zwei oder mehr Lagen Planetenräder und damit eine andere Übersetzung wie auch Umdrehungsgeschwindigkeiten vorgesehen sein. Das Hohlrad 13 wiederum ist mit der Kurbelwelle gekoppelt. Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht von wirkenden Kräften und deren Ausgleich, insbesondere der Ausgleich zu einem resultierenden Trägheitsmoment.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer Rotationsverbindung. Hierbei ist die Kurbelwelle, angedeutet durch den größten Durchmesser mit einer gegensinnig drehen- den Ausgleichswelle über einen ersten, als durchgezogene Linie gekennzeichneten Riemen und über einem zweiten Riemen, gekennzeichnet durch eine durchbrochene Linie, verbunden. Wird die Drehrichtung der Kurbelwelle geändert, wirkt die Kraftübertragung dadurch annähernd unabhängig von der Drehrichtung sofort auf die Ausgleichswelle. Um eine Umschlingung insbesondere unter diesem Gesichtspunkt der sofortigen Zugkraftwir- kung ermöglichen zu können, wird beispielsweise ein ebenfalls durch die Kurbelwelle angetriebener Verbraucher, zum Beispiel eine Pumpe oder ähnliches, so angeordnet, dass dieser gleich drehend zur Kurbelwelle und gegensinnig drehend zur Ausgleichwelle angeordnet ist. Dieses ermöglicht eine Umschlingung mittels der Riemen so wie dargestellt. Es kann aber auch eine gleichwirkende Umschlingung mit zwei Riemen auch anderen Kons- tellationen ermöglicht werden. Durch das sofortige gleichzeitige Beschleunigen der mittels der Rotationsverbindung gekoppelten wirkenden Trägheitsmomente können Beschleunigungsstöße und Ungleichgewichte aufgrund ungleichförmiger gleichzeitiger Beschleunigung vermieden werden. Aufgrund des auch beim Beschleunigen bzw. Abbremsen immer gegen Null eingestellten Gesamtträgheitsmoments bezogen auf die Bilanzgrenze ist ein Anfahren wie auch Abbremsen des Range Extenders für den Fahrzeug nutzer nicht bemerkbar. Stöße, die ansonsten bemerkbar wären, sind vermieden.
Fig. 5 zeigt ein Energiewandlungssystem 14 in einer Explosionsdarstellung. Das Energiewandlungssystem 14 weist eine zentral angeordnete Kurbelwelle 15 auf. Die Kurbelwelle ist bei dieser Ausgestaltung wälzgelagert und hat eine Wälzlagerung 16. Bei dem exemplarisch hier vorgestellten Aufbau des Energiewandlungssystems 14 umfasst ein Kurbelgehäuse 17 nicht nur die Kurbelwelle 15 und die Wälzlagerung 16. Vielmehr ist in dem Kurbelgehäuse 17 zumindest ein, in diesem Falle zwei Rotoren 18 angeordnet. Die Achsen beider Rotoren 18 können hierbei in einer Ebene mit der Achse der Kurbelwelle 15 liegen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung liegen die Achsen der Rotoren 18 unterhalb der Achse der Kurbelwelle 15. Des Weiteren ist bei diesem vorgestellten Energiewandlungssystems 14 ein V-Motor vorgesehen. In diesem Falle handelt es sich um einen Zwei- Zylinder-V-Motor. Vorzugsweise weist der V-Motor einen 90°-Winkel auf. Damit gelingt es beispielsweise, eine Eliminierung von Massenkräften erster Ordnung erreichen zu kön- nen. Ein Hubraum beträgt vorzugsweise bei dem vorgeschlagenen Energiewandlungssystem 14 zwischen 0,5 und 1 ,2 Liter. Dieses gilt nicht nur für den hier vorgestellten V2- Motor. Vielmehr wird ein derartiger Hubraum auch bei 1-, 2- oder 3-Zylinder-Motoren auch anderer Bauform angestrebt. Das Kurbelgehäuse 17 ist vorzugsweise einteilig und als Gussteil ausgeformt. Neben der Verwendung von Grauguss kann auch die Verwendung von einer Magnesiumleichtbaulegierung vorgesehen sein. Auch kann Aluminiumguss Verwendung finden. Die beiden Zylinderköpfe 19 können aus dem gleichen Material wie das Kurbelgehäuse 17 oder aber aus einem anderen Material beschaffen sein. Vorzugsweise sind drei oder vier Ventile im Zylinderkopf 19 angeordnet. Es können jedoch auch gemäß einer Ausgestaltung nur ein Einlass- und ein Auslassventil vorgesehen sein.
Eine konstruktive Ausgestaltung wie hier vorgeschlagen sieht beispielsweise vor, dass die Zylinderköpfe 19 nebst möglicher Aufsatzkappen 20 seitlich nicht über das Kurbelgehäuse 17 hinausragen. Vielmehr wird eine Breite des Energiewandlungssystems 14 somit durch die Gehäusebreite des Kurbelgehäuses 17 festgelegt. Das Kurbelgehäuse 17 wiederum weist vorzugsweise zumindest einen ebenen Boden 21 auf. Auch kann das Kurbelwellen- gehäuse zwei ebene Seiten aufweisen, insbesondere, wenn der Motor horizontal wie auch vertikal im Betrieb angeordnet sein kann. Auf die ebene Seite kann beispielsweise das Energiewandlungssystem 14 gestellt werden. Dieses ermöglicht beispielsweise die Nutzung des Energiewandlungssystems 14 als portable Einheit.
Die hier vorgeschlagene Anordnung von zwei Generatoren, wobei jeweils ein Generator auf einer Außenseite neben den Zylindern angeordnet ist, ermöglicht eine besonders kompakte Bauform, bei der insbesondere eine Motorlänge unverändert bleiben kann. Ein toter Raum, der sich aufgrund der konstruktiven V-Gestaltung des Motors ergibt, kann durch die Generatoren genutzt werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, einen Ventiltrieb vorzugsweise mit unten liegender Nockenwelle vorzusehen. Auch besteht die Möglichkeit, eine Luftbox, über die eine Verteilung der zugeführten Luft zu den Zylindern erfolgt, ebenfalls in die V-Geometrie des Motors hineinzulegen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass ein Steuertrieb, der eine Verbindung zwischen Kurbelwelle 15 und der oder den Nockenwellen ermöglicht, auf einer Seite des Energiewandlungssystems 14 angeordnet ist. Dargestellt ist beispielsweise ein Gehäusedeckel 22, der den Steuertrieb abdeckt. Auf der gegenüberliegenden Seite kann dann ein Rädertrieb 25 angeordnet werden, wie er aus der Explosionsdarstellung der Fig. 5 hervorgeht. So wird beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite des Rädertriebs 25 eine Zwischenplatte 23 angeordnet, die auf das Kurbelgehäuse 17 aufgesetzt wird. In der Zwischenplatte 23 sind vorzugsweise die Lageraufnahmen 24 für die Wälzlagerung 16 der Kurbelwelle 15 bzw. für die Lagerung, vorzugsweise ebenfalls eine Wälzlagerung der beiden Rotoren 18 der im Energiewandlungssystem 14 angeordneten Generatoren angeordnet. Auf die Rotorwellen bzw. die Kurbelwelle 15 kann sodann der Rädertrieb 25 aufgesetzt werden.
Der Rädertrieb weist in dieser Ausgestaltung ein auf der Kurbelwelle 15 aufsitzendes erstes Rad 26 sowie ein jeweiliges zweites Rad 27, welches jeweils auf der Rotorwelle aufsitzt. Ein direktes Aufsitzen auf der jeweiligen Welle ist bevorzugt, da dadurch ein Spiel vermieden wird, wie es sich ansonsten bei Zwischenschaltung von weiteren Bauteilen eventuell einstellen könnte. Vorzugsweise ist das erste Rad größer als das zweite Rad. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Übersetzungsverhältnis in einem Bereich zwischen i = 2 - 5, besonders bevorzugt i = 3 oder ungefähr 3 ist. Besonders bevorzugt wird eine Generatordrehzahl bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute angestrebt. Auf den Rädertrieb 25 kann wiederum ein Gehäusedeckel 28 aufgesetzt werden. Neben einer Abde- ckung und damit erzielten Schutzfunktion für den Rädertrieb 25 ermöglicht das Aufsetzen des Gehäusedeckels 28 wie auch des Gehäusedeckels 22 zusätzlich die Möglichkeit, eine Dämmung, insbesondere Geräuschdämpfung vorsehen zu können. Auf diese Weise ist neben einem Rollmomentenausgleich bei dem vorgeschlagenen V- otor mit integrierten Generatoren zusätzlich ein besonders leiser Betrieb möglich. Diese wirkt sich auch beim Starten und Anhalten des Motors aus, da neben einem Vermeiden von Vibrationen auch erzeugte Geräusche durch entsprechende Dämmeinrichtungen wie Dämmmatten oder Ähnliches angepasst an den zu dämmenden Frequenzbereich angeordnet werden können. Fig. 6 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung eine Dimensionierung eines Energiewandlungssystems beispielhaft anhand des aus Fig. 5 hervorgehenden Energiewandlungssystems 14 mit zwei Generatoren. In Fig. 6 sind zwei Systeme von V-Motoren schematisch dargestellt: Zum einen mit zwei Generatoren, angedeutet durch die mit Bezugszeichen 29 dargestellte äußerste Umrahmung, und zum anderen mit einem Generator, hervorgeho- ben durch die äußere Umrahmung mit dem Bezugszeichen 30. Bei der Anordnung eines Generators wird dieser bevorzugt zwischen den beiden Zylindern im dadurch gebildeten V angeordnet. Hierbei kann sich eine höhere Erstreckung des Energiewandlungssystems 14 ergeben. Angedeutet ist diesbezüglich der nur schematisch angedeutete Generator 31 bestimmend für die obere Endbemaßung. Bei Verwendung von zwei Generatoren, die als jeweiliger Schenkel des Kurbelgehäuses im Energiewandlungssystem 14 angeordnet Sind, ergibt sich die obere Endbemaßung hingegen durch die Aufsetzkappen 20 als Verlängerung der Zylinderköpfe 19 mit dort integrierten Nockenwellen 32. Ein unteres Endmaß wird beispielsweise über einen Basisrahmen 33 bestimmt, auf dem das Energiewandlungssystem 14 angeordnet werden kann. Je nach Geometrie des Kurbelgehäuses 17 kann aber auch ein anderes unteres Abmaß wie auch seitliches Abmaß zur Verfügung gestellt werden. So wie dargestellt, kann bei Anordnung eines einzelnen Generators 31 beispielsweise eine annähernd quadratische äußere Umrahmung 30 erzielt werden. Bei Verwendung von zwei Generatoren hingegen wird eine Kompaktheit des Energiewandlungssystems 14 insbesondere dadurch erzielt, dass eine Höhe H Ba sis geringer ist als eine Breite, hervorgerufen durch die Anordnung der beiden Rotoren der jeweiligen Generatoren.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Querschnittsebene B-B aus Fig. 6 für den V-Motor mit zwei Generatoren. Verdeutlicht ist, dass eine Länge L des Energiewand- lungssystems 1 trotz Anordnung von ein oder zwei Generatoren nicht oder nur unwe- sentlich größer ist als ohne Generator. Des Weiteren zeigt diese Ansicht zum einen den Steuertrieb 34, bei dem über die Kurbelwelle die jeweilige Nockenwelle im Zylinderkopf angetrieben wird. Zum anderen ist gegenüber zum Steuertrieb 34 auf der anderen Seite des Energiewandlungssystems 14 der Rädertrieb 25 nebst Gehäusedeckel angeordnet. Die Länge L umfasst hierbei die jeweiligen Gehäusedeckel als Endmaß. Der Rotor 18 baut daher nicht größer als der Zylinderkopf 19, der auf dem Kurbelgehäuse 17 aufgesetzt ist. Im Kurbelgehäuse 17 ist das Statorwicklungspaket 35 des Generators angeordnet. Des Weiteren befindet sich eine Rotorlagerung 39 jeweils an einem Ende von der Rotorwelle. Während auf einem ersten Wellenende 36 eine Aufnahme für das zweite Rad 27 des Rädertriebes 25 angeordnet ist, ist am gegenüberliegenden zweiten Wellenende 37 eine Aufnahme für Schleifringe einer Erregerwicklung des Rotors 18 vorgesehen. Für die Aufnahme des zweiten Rads, insbesondere als Stirnrad, weist das erste Wellenende 36 bevorzugt eine konische Form auf, auf die das zweite Rad 27 aufgeschoben und fixiert werden kann. Es kann jedoch auch eine andere Passform vorgesehen sein, die letztend- lieh die Drehmoment- und Kraftübertragung zwischen Rotorwelle und Stirnrad sicherstellt. Die beiden Rotorlagerungen sind insbesondere so angeordnet, dass eines der beiden Lager in einem der Gehäusedeckel und das andere Lager im Kurbelgehäuse gelagert sind. Bevorzugt ist, wie dargestellt, die Lagerung auf der Steuertriebseite im Kurbelgehäuse 17 angeordnet, während die Lagerung auf der Rädertriebseite in der entsprechen- den Zwischenplatte zwischen dem Kurbelgehäuse 17 und dem Gehäusedeckel 28 vorgesehen ist. Dieses erlaubt beispielsweise eine Kapselung von Rotor und Stator wie auch insbesondere die Möglichkeit, dass der dadurch gebildete Generator trocken oder nass ausgeführt sein kann. Beispielsweise ist eine Generatorkühlung mittels eines Wassermantels 38 vorgesehen. Der Wassermantel verläuft bevorzugt entlang des gesamten Umfan- ges des Stators. Dadurch kann eine Wärmeableitung direkt am Stator erfolgen. Der Rotor 18 hingegen kann beispielsweise durch konvektive Luftkühlung gekühlt werden. Alternativ wie auch optional zusätzlich kann jedoch auch eine Ölkühlung des Rotors durch Ansprit- zung beispielsweise mit Motoröl vorgesehen sein. Die Anordnung der Lagerung im Kurbelgehäuse 17 erlaubt, dass die Schleifringe abgedichtet umlaufen können, insbesondere bei einer Ölkühlung des Rotors.
Wird ein einzelner Generator verwendet, weist dieser bevorzugt einen Durchmesser zwischen 150 mm bis 200 mm auf. Eine Länge beträgt gemäß einer Weiterbildung bevorzugt bis 150 mm. Damit bleibt dessen Länge L bevorzugt innerhalb der maximalen Motorlänge. Werden beispielsweise zwei Generatoren verwendet, ist beispielsweise vorgesehen, dass ein Statorpaket-Durchmesser in einem Bereich zwischen 100 mm bis 160 mm liegt. Eine Rotor-/Statorpaket-Gesamtlänge beträgt vorzugsweise bis 150 mm. Damit kann diese Länge ebenfalls beispielsweise innerhalb der gesamten Motorlänge L angeordnet sein. Fig. 8 zeigt eine Aufsicht des Energiewandlungssystems 14 auf den Rädertrieb. Der Rädertrieb mit dem ersten Rad 26 und den beiden zweiten Rädern 27 ist vorzugsweise spielfrei über eine Zahnradverbindung miteinander gekoppelt. So wie dargestellt, werden vorzugsweise schräg verzahnte Stirnräder eingesetzt. Diese sind hier nur schematisch angedeutet. Eine Schmierung der Stirnräder erfolgt beispielsweise mittels des Motoröls des Energiewandlungssystems 14. Durch die Abdeckung des Rädertriebs 25 mit dem hier nicht dargestellten Gehäusedeckel einerseits und der Zwischenplatte 23 andererseits ist sichergestellt, dass das zur Schmierung verwendete Öl nicht aus dem Energiewandlungssystem 1 auslaufen kann. Spielfreie Stirnräder gehen beispielsweise aus der WO
2005/090830 A1 wie auch aus der AT 004 880 U1 hervor. Bei einem Ketten- oder Zahn- riementrieb wird eine spielfreie Übertragung beispielweise in einer Weise ermöglicht, wie es aus der FR 2805327 A als spielfreie Kraftübertragung hervorgeht. Insbesondere wird das Zusammenspiel der Kraftübertragung von Kurbelwelle zu den Ausgleichswellen, in diesem Fall den Rotorwellen und damit den zweiten Rädern 27 dadurch ermöglicht, dass ein Flankenspiel so gering wie möglich, insbesondere auf Null reduziert wird. Dieses ge- lingt insbesondere durch die Nutzung der oben genannten spielfreien Stirnradzahnrädern bzw. Ketten-/Zahnriemenantriebe, auf deren Inhalt im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich verwiesen wird.
Eine weitere Möglichkeit, ein Flankenspiel von miteinander kämmenden Zahnrädern zu unterbinden, besteht durch beispielsweise eine paarweise Anordnung miteinander verspannter Zahnräder mit gegensinnigem Schrägungswinkel. Eine derartige V-Verzahnung weist den Vorteil auf, keine Axialkräfte auf Generator- und Kurbelwellenlagerung zu erzeugen. Bevorzugt werden für einen Rädertrieb einer Rotationsverbindung Zahnräder aus Werkstoff mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten wie das Kurbelgehäuse verwendet. Dadurch wird beispielsweise vermieden, dass es zu einer Spielzunahme durch Aufwärmen des Motors kommt. Das aus Fig. 8 hervorgehende Energiewandlungssystem 14 ist daher nicht nur mit einer Rotationsverbindung ausführbar, die Stirnräder umfasst. Vielmehr ist auch die Möglichkeit gegeben, zwei Zahnriemenspuren vorzusehen, die spielfrei die Kurbelwelle mit gegensinnig laufenden Rotorwellen verbindet. Insbesondere die An- Ordnung von zwei Generatoren kann am Energiewandlungssystem 14 daher so erfolgen, dass sich ein Kräftepaar bildet, welches zu einer Entlastung der Kurbelwelle führt.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, eine Kupplung vorzusehen, beispielsweise am ers- ten Rad 26 bzw. auf der Nockenwelle mit einem Extrarad eine schaltbare Kupplung vor : zusehen. Diese Kupplung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Startvorgang des Energiewandlungssystems 14 manuell erfolgt, zum Beispiel mittels eines Seiltriebes, eines Kickstarters oder einer vergleichbaren Startvorrichtung im Gegensatz zu einem elektrischen Starter. Insbesondere kann auf diese Weise eine Entkopplung zu einer Aus- gleichsmasse erfolgen, womit wiederum Vibrationen des Energiewandlungssystems 14 zusätzlich verringert werden können.
Fig. 9 zeigt eine Ansicht entlang der Schnittebene C-C aus Fig. 8. Dargestellt ist die Lage der Kurbelwelle, deren beidseitige Wälzlagerung 16, wie auch die Kühlung über einen Wassermantel 38, der nicht nur die Statoren sondern gleichzeitig auch den Kurbelraum als solches mitkühlen kann. Des Weiteren verdeutlicht diese Schnittansicht, dass beispielsweise die Wälzlagerung 16 der Kurbelwelle 15 ebenfalls in der Zwischenplatte 23 angeordnet werden kann, während die dem Rädertrieb 25 gegenüberliegende Seite einen Ausschnitt 39 aufweist, der eine Montage der Kurbelwellenlagerung wie auch der Kurbel- welle sowie der Pleuel im Energiewandlungssystem 14 ermöglicht.
Fig. 10 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung eine Möglichkeit, wie ein Energiewandlungsystem 14 angeordnet sein kann. So ist beispielhaft ein Ausschnitt eines Kraftfahrzeuges dargestellt, und zwar Karosserieholme 40 eine Fahrzeughinterbaus. Das Energiewand- lungssystem 14 kann in die U-förmig verlaufenden Karosserieholme 40 eingelagert werden, insbesondere so, dass sie nicht oder nur unwesentlich über die Karosserieholme des Fahrzeughinterbaus hervorstehen. Das Energiewandlungssystem 14 weist vorzugsweise einen V-Motor mit zwei Generatoren und Rollmomentenausgleich auf, wie er aus den vorhergehenden Figuren hervorgeht. An diesen Verbrennungsmotor 41 angekoppelt ist eine Ansaugbrücke 42, die als Luftverteilerbox eine Aufteilung der zugeführten Zuluft zu den beiden Zylindern über Zuluftleitungen 43 ermöglicht. Die Ansaugbrücke 42 wiederum steht über eine Ansaugstrecke 44 mit einem Luftfilterkasten 45 in Verbindung. Der Luftfilterkasten 45 ermöglicht die Abtrennung von Staubteilchen oder anderen Partikeln oder Festkörpern, die beispielsweise durch die Umgebung ansonsten dem Energiewandlungs- system 14 zugeführt werden würden. In der Ansaugstrecke 44 ist beispielsweise eine Drosselklappe 46 angeordnet. Durch Verstellung derselben kann eine Regulierung der zugeführten Zuluft beispielsweise in Lastabhängigkeit erfolgen. Des Weiteren weist das Energiewandlungssystem 14 eine Abgasanlage 47 mit einem Schalldämpfer aus. Durch die Anordnung innerhalb des U-förmig verlaufenden Karosserierahmens ist somit eine kompakte Anordnung des Energiewandlungssystems 14 ermöglicht. Bevorzugt ist das Energiewandlungssystem 14 auf einem Gestell 48 angeordnet. Das Gestell 48 ermöglicht eine Vormontierung von einzelnen Komponenten des Energiewandlungsystems 14, bevor dieses im Fahrzeug angeordnet wird. Insbesondere ermöglicht das Gestell 48 ebenfalls die Möglichkeit, Dämpfungselemente vorzusehen. Mittels dieser Dämpfungselemente kann eine Abkopplung von Komponenten des Energiewandlungssystems 14 und dem Gestell einerseits, andererseits zwischen dem Gestell 48 und den Karosserieholmen 40 andererseits ermöglicht werden. Eine Übertragung von Schwingungen wird auf diese Weise unterbunden, so dass einerseits von der Karosserie selbst zumindest ein dort auftretender Teil der Schwingungen zumindest nicht auf das Energiewandlungssystem 14 übertragen wird und andererseits eventuelle Schwingungen des Energiewandlungssystems 14 nicht auf das Fahrzeug übertragen werden. Wie dargestellt, ermöglicht die Konstruktion des Energiewandlungssystems 14 auch eine Anordnung des V-Motors in waagerechter Form. Im Gegensatz zu einer senkrecht stehenden Anordnung ermöglicht die waagerechte Anordnung insbesondere einen Unterflureinbau nicht nur bei einem Kraft- fahrzeug sondern auch bei anderen Fahrzeugen oder Geräten.
Fig. 1 1 zeigt die aus Fig. 10 hervorgehende Anordnung in einer weiteren Darstellung. Hierbei ist das Gestell mit dem Energiewandlungssystem 14 von den Karosserieräumen 40 losgelöst. Zu erkennen ist, dass das Gestell 48 Aufnahme- und Befestigungselemen- te 49 aufweist, die an die Karosserieholme 40 angepasst sind. Bevorzugt wird eine Ver- schraubung zwischen Karosserieholmen 40 und Gestell 48 vorgenommen. Des Weiteren zeigt diese Ansicht, wie eine Unterflurmontage ermöglicht ist. Wird das Fahrzeug beispielsweise auf eine Grube gefahren oder aufgebockt, kann bei entsprechender Freiheit im Unterflurbereich das vormontierte Energiewandlungssystem 14 auf dem Gestell 48 unterhalb des Fahrzeugs angeordnet, angehoben und dann an den Karosserieholmen 40 befestigt werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Kühler, ein Kraftstofftank und ein Motorsteuergerät für das Energiewandlungssystem 14 getrennt vom Gestell 48 und dem dortigen Energiewandlungssysteme 14 angeordnet sind. Eine Verbindung mit dem Kühler, dem Kraftstofftank und/oder dem Motorsteuergerät kann über entsprechende An- Schlüsse bzw. Steckverbinder erfolgen. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Kühler, der Kraftstofftank und/oder das Motorsteuergerät auf einem eigenen Gestell angeordnet sind, die ebenfalls beispielsweise im Unterflurbereich eines Fahrzeuges ange- ordnet sein können. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass das Energiewandlungssystem 14 auf einen Kraftstofftank zurückgreift, mit dem eine weitere Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs betrieben wird. Gleiches gilt auch für den Kühler bzw. das Motorsteuergerät. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Kühler, ein Kraftstofftank wie auch ein Mötorsteuergerät ebenfalls auf dem Gestell 48 angeordnet sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass lediglich nur eine kleinere elektrische Steckverbindung notwendig ist und das Energiewandlungssystem 14 als ein eigenständiges Stromaggregat funktioniert.
Fig. 12 zeigt in einer Explosionsdarstellung die einzelnen Komponenten des Energiewandlungssystems 14 aus Fig. 10. Das Gestell 48 weist beispielsweise einen ersten und einen zweiten Längsträger auf, die über zumindest einen Querträger miteinander verbunden sind. Die Längsträger werden jeweils an die Karosserieholme verschraubt. Auf den Längs- und Querträgern können elastische Aufnahmen 50 angeordnet sein. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Gummidämpfer, auf denen der Motor aber auch eine Abgasanlage gelagert werden können. Vorzugsweise sind die Motor- und die Abgasanlagenlagerung in einer vertikalen Achse betrachtet relativ steif. Dieses wird insbesondere dann ermöglicht, wenn ein V-Motor, insbesondere ein 2-Zylinder-V-Motor zum Einsatz kommt, bei dem insbesondere bis auf minimale Kippmomente durch Pleuelversatz nur sehr geringe Anregungen erfolgen. Im Gegensatz zur Steifigkeit in vertikaler Achse ist in Bezug auf eine horizontale Ebene die Lagerung hingegen sehr weich. Dadurch wird insbesondere ermöglicht, dass Schwingungen durch Massenkräfte quer zur Kurbelwelle entkoppelt werden können.
Die Explosionsdarstellung der Fig. 12 zeigt des Weiteren, dass die einzelnen Komponen- ten ebenfalls schon vormontiert sein können. So ist beispielsweise der V-Motor inklusive Zylinderköpfe vormontiert. Auf diesen kann sodann die Luftanlage 51 aufgesetzt werden, und auf dem Gestell bzw. an dem V-Motor befestigt werden. Vorher wird gemäß einer Ausgestaltung beispielsweise die Abgasanlage 52 auf dem Gestell 48 schon angeordnet. Die Abgasanlage 52 umfasst gemäß dieser Ausgestaltung neben einem Abgaskrümmer 53 mit einem ersten und einem zweiten Stutzen einen nachfolgenden Katalysator 54. Das Abgas wird aus dem Katalysator zum Schalldämpfer 55 weitergeleitet. Von dort aus kann es bevorzugt in die Umgebung ausströmen. In der Abgasanlage 52 kann beispielsweise auch eine Abgasturbine vorgesehen sein. Bevorzugt kann allerdings in der Luftanlage 51 auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden. Die Anordnung der Abgasanlage 52 als erstes auf dem Gestell 48 ermöglicht, dass die Stutzen des Abgaskrümmers 53 sodann an die Zylinderköpfe des V-Motors befestigt werden können, bevor dieser wiederum auf dem Gestell 48 fest positioniert und verschraubt wird. Die unten liegende Anordnung des Abgaskrümmers ist Platz sparend und erlaubt insbesondere auch eine Querstromspülung im Zylinderkopf. Auf diese Weise kann ein Wärmeeintrag in umliegende Bauteile vermindert werden. Eine Querstromspülung im Zylinderkopf ist jedoch auch bei andersartiger Anordnung von Luftzuführung und Abgasabführung am Zylinderkopf ebenfalls aus- führbar. Bevorzugt weist die Abgasstrecke zwischen Motor und Schalldämpfer zumindest ein Entkopplungsglied auf. Dieses ist vorzugsweise zwischen dem Krümmer und dem Katalysator oder aber dahinter liegend angeordnet. Auf diese Weise können einerseits Vibrationen andererseits Wärmespannungen ausgeglichen werden. Bei der hier vorgestellten Ausgestaltung eines kompakten Range-Extenders oder Generators für ein Kraft- fahrzeug beträgt das Volumen des Schalldämpfers vorzugsweise zwischen 10 bis 20 Liter.
Die Luftanlage 51 mit der Luftverteilungsbox 56 weist beispielsweise insbesondere in der Luftverteilungsbox 56 abgestimmte Saugrohrlängen auf. Diese dienen insbesondere zur optimalen Raumausnutzung in dem durch die V-Anordnung der Zylinder geschaffenen Raum. Das Drosselklappengehäuse dient gemäß einer Weiterbildung gleichzeitig als Verbindungsglied zum Luftfilterkasten. Der Luftfilterkasten kann beispielsweise auf dem Gestell zusammen mit Motor und Abgasanlage oder separat in einem Karosseriehohlraum untergebracht werden. Ein Austausch eines Luftfilters kann beispielsweise ohne Lösen des Gestells vom Fahrzeug erfolgen, Hierzu ist beispielsweise ein entsprechender Zugriff auf den Luftfilterkasten ermöglicht. Bevorzugt kann auch ein Ölstand überprüft werden, ohne dass es zu einer Trennung des Gestells vom Fahrzeug kommen muss. Hierzu kann beispielsweise eine Ölstandskontrolle mittels Peilstab vorgesehen sein. Bevorzugt wird ein Öl- und Filterwechsel bei aufgebocktem Fahrzeug vorgenommen. Mittels beispielsweise einer Wartungsöffnung in einem Bodenblech kann sodann ein Luftfilterwechsel von oben vorgenommen werden. Auch kann eine ölstandskontrolle durch diese Öffnung mittels Peilstab erfolgen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der Ölstand durch einen entsprechenden Sensor aufgenommen und weiter gegeben werden kann. Die aus Fig. 10 exemplarisch vorgesehene Ausgestaltung einer kompakten Range-
Extender-Einheit aufweisend den V-Motor, die Ansaug- wie auch Abgasanlage innerhalb von Karosserieholmen im Fahrzeughinterwagen, die zusammen auf einem Gestell montiert sind, erlaubt neben der großen Kompaktheit und gleichzeitigen Rollmomentenausgleiches der Generatoren eine für den Nutzer des Fahrzeuges nicht weiter spürbaren Betrieb. Insbesondere eine liegende Anordnung des Motors erzielt ein optimales NVH- Verhalten, bevorzugt bei Nutzung von V2-Motoren. Fig. 13 zeigt eine weitere Ausgestaltung, wie eine erste Welle und eine zweite Welle eines Energiewandlungssystems miteinander gekoppelt werden können. Fig. 13 zeigt in einer linken Darstellung zwei miteinander kämmende Zahnräder, jeweils auf einer Welle aufgesetzt sind. Eine derartige Ausgestaltung bedarf insbesondere einer axialen Absicherung, damit wirkende Kräfte nicht zu einer Verschiebung bzw. Schädigung von Bauteilen zueinander führen. Die rechte Darstellung der Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem vorgeschlagenem Energiewandlungssystem, das in dieser Figur nicht näher dargestellt ist. Dargestellt ist ein Transmissionstrieb 100 umfassend eine erste Welle 102 in Form einer Abtriebswelle und eine zweite Welle 103, die beide miteinander gekoppelt sind. Die erste Welle 102 weist ein erstes Zahnrad 104 auf. Die zweite Welle 103 weist ein zweites Zahnrad 105 auf. Das erste Zahnrad 104 und das zweite Zahnrad 105 kämmen miteinander und bilden hierbei eine gemeinsam in Einklang stehende Verzahnung 106. Darüber hinaus weisen das erste Zahnrad 104 und das zweite Zahnrad 105 eine gemeinsame Axialführung 107 füreinander auf. Die axiale Führung sieben hat hierfür eine erste Führung 107.1 und eine zweite Führung 107.2. Die erste Führung 107.1 und die zweite Führung 107.2 weisen in ihrer Mitte die gemeinsame Verzahnung 106 auf. Bevorzugt ist es, wenn ein Spalt vorgesehen ist. Mittels des Spaltes 08 kann beispielweise eine Öltasche gebildet werden, wie es aus der nachfolgenden Figur noch näher hervorgeht. Zum anderen führt eine geneigte Fläche dazu, dass eine Geometrieanpassung möglich ist, mittels der beispielweise dem Problem einer Flächenpressung bei wirkender Axialkraft Rechnung getragen werden kann. Bevorzugt ist es, wenn die erste und die zweite Führung jeweils einen Überlappungsbereich 109 für die Flächen aufweist, die dem ersten und dem zweiten Zahnrad 104, 105 zur Bildung der Axialführung 107 zugerechnet werden. In diesem Überlappungsbereich 109 befindet sich der jeweilige Berührungspunkt bzw. Berührungs- bereich der jeweiligen ersten bzw. zweiten Führung 107.1, 107.2. Dieser ist jeweils durch die Radien r1 bzw. r2 angedeutet.
Eine Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass eine Punktberührung für diejenigen Orte vorgegeben wird, an denen es zu einer Berührung zwischen den Führungen der Zahnräder kommt. Bevorzugt ist eine weitere Randbedingung, dass ein Geschwindigkeitsvektor beider Führungen bzw. Zahnräder gleich sein soll. Ein Ansatz sieht beispielweise vor, dass eine Auswahl der Zahnräder wie folgt ausgeführt wird:
Ein erstes Zahnrad mit einer Zähnezahl z1 und ein zweites Zahnrad mit der Zähnezahl z2 sollen miteinander kämmen. Die Zahnraddimensionierungen sind beispielweise vorab ermittelt worden auf Basis der zu übertragenden Drehmomente, auftretenden Kräfte in den kämmenden Zahnbereichen, insbesondere auf den Zahnflanken aber auch im Zahnfuß, wie auch anhand des zur Verfügung stehenden Bauraums. Die Axialführung weist nun Berührungsbereich auf, die idealisiert als Berührungspunkte angenommen werden können. Wird beispielweise eine Führungsfläche an dem zweiten Zahnrad abgeschrägt, die andere Führungsfläche des ersten Zahnrades hingegen kantig gehalten, ergibt sich eine annähernde Punktberührung. Die Berührungspunkte der linken und der rechten Führung ergeben sich sodann ausgehend von der jeweiligen Wellenachse als Radius aus der folgenden Überlegung: r1 = a/(1+z2/z1)
und
r2 = a - r1
mit
a: Abstand der Achsen der ersten und der zweiten Welle
z1 : Zähnezahl des ersten Zahnrades 1
z2: Zähnezahl des zweiten Zahnrades 2
r1 : Radius ausgehend von der ersten Welle, auf der das erste Zahnrad sitzt
r2: Radius ausgehend von der zweiten Welle, auf der das zweite Zahnrad sitzt
Zwischen der ersten Führung und der zweiten Führung an den beiden Zahnrädern liegt sodann die eigentliche Verzahnung. Wenn die beiden Radien r1 und r2 entsprechend der Formeln ausgelegt werden, haben die Berührungspunkte der ersten und der zweiten Führung identische Geschwindigkeiten. Eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Geo- metrien der beiden Führungen ist dann nicht gegeben, weswegen eine Gleitreibung entfällt.
Weiterhin kann eine Optimierung das Einarbeiten einer Fase vorsehen. Diese wird insbesondere zwischen einer Außenseite eines Zahnrads und einer Führungsfläche der Axial- führung vorgesehen. Durch ein Einarbeiten einer Führungsfläche an einem Berührungskreis der ersten bzw. zweiten Führung kann eine Größe der Berührungsfläche eingestellt werden. Hierdurch kann insbesondere ein Zielkonflikt zwischen einer zu hohen Flächenpressung und einer Erhöhung von Reibungsverlusten gelöst werden, zum Beispiel durch Optimierung, beispielweise mit Vorgaben von Maximalgrenzwerten, die einzuhalten sind.
Eine Optimierung kann des Weiteren die auftretenden dynamischen Kräfte ebenfalls berücksichtigen. So kann beispielweise bei transientem Verhalten des Energieerzeugers ein Stoßverhalten auftreten, was durch die Axialführung kompensierbar ist. Auch andere insbesondere impulsartige Axialkräfte, wie sie beispielweise auch bei schrägverzahnten Zahnrädern auftreten, können durch die Axialführung ausgeglichen werden, so dass eine Übertragung auf die Wellen vermieden werden kann.
Darüber hinaus kann im Rahmen der Auslegung auch eine Schmierung Berücksichtigung finden. Die Schmierung kann durch die Wahl des Schmierungsmittels, durch den
Schmiermittelzufluss und die sich dadurch einstellende Schmierfilmdicke wie aber auch durch eine Geometriegebung der Flächen Unterstützung finden. So kann beispielsweise durch eine Geometriewahl, die das Entstehen eines Schmiermittelfilmes in demjenigen Bereich bevorzugt unterstützt, in dem Flächen aufeinander gleiten, dazu beitragen, eine Reibung zumindest zu vermindern, wenn nicht sogar weitestgehend zu verringern, zum Beispiel durch Gleitreibung eines Schmierfilmes. So kann beispielsweise eine Senke vorgesehen sein, in der sich Schmiermittel sammelt und damit einen besonders dicken Schmierfilm bilden kann. Die Senke wird beispielsweise im Bereich der aufeinander tref- fenden Flächen angeordnet. Eine weitere Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass unterhalb einer insbesondere Kante oder sonstigen Geometrie der einen Fläche ein Keilförmiger Spalt angeordnet ist, so dass sich eine Öltasche zur Schmierung bzw. Bereitstellung eines tragfähigen Ölfilms bildet. Dieser tragende Ölfilm kann sich in einer Überlappungszone der Flächen der axialen Führung aufbauen. Durch die Drehung der Flächen kann das Öl in Richtung der tragenden Bereiche transportiert und dort durch die Flächen, die aufeinander stoßen, komprimiert werden. Darüber hinaus kann durch die Geometrieform ein Ablaufen des Öls zumindest erschwert, wenn nicht sogar verhindert werden, so dass sich beispielweise durch eine derartige Keilform eine gewünschte tragende Kraft durch Ausbildung eines entsprechenden tragenden Ölfilms einstellen lässt.
Im übrigen wird im Rahmen der obigen Offenbarung insbesondere zur Figur 13 vollständig Bezug genommen auf eine noch nicht veröffentlichte Anmeldung der Anmelderin, die am 24. Juni 2011 beim Deutschen Patent- und Markenamt mit dem Titel "Axialführung für Zahnräder" hinterlegt wurde, der dortige gesamte diesbezügliche Inhalt wird hier mitauf- genommen.
Fig. 14 zeigt eine Ausgestaltung einer Verzahnung, die insbesondere beim Einsatz zum Rollmomentenausgleich vorteilhaft einsetzbar ist, wenn eine Geräuschentwicklung bei anderen Verzahnungen bei der gewünschten Anwendung zu hoch wird. Es wird vorge- schlagen, eine dargestellte Pfeilverzahnung zu nutzen. Diese ist eine Kombination aus rechtssteigender und linkssteigender Schrägverzahnung. Durch deren Anwendung heben sich Axialkräfte ebenfalls auf. Alternativ zu der Pfeilverzahnung besteht ebenfalls die Möglichkeit, eine Bogenverzahnung vorzusehen. Insbesondere als Alternative zu einer Schrägverzahnung, bei der in beide Wellen, die Kurbelwelle wie auch die Ausgleichswelle impulsartige Axialkräfte über die Verzahnung eingeleitet werden können
Die aus den obigen Figuren hervorgehenden einzelnen Ausgestaltungen und Merkmale wie aber auch Angaben sind nicht auf die jeweilige beispielhaft angegebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere dieser Merkmale aus ein oder mehreren dieser Figuren auch mit anderen weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen verknüpft werden. So ist die Anwendung der vorgeschlagenen Technik bei Energiewandlungssystemen mit Hubräumen von einem Liter und weniger besonders bevorzugt. Die Anwendung kann beispielsweise ein Hauptantrieb eines Kraftfahrzeuges sein, so zum Beispiel ein 0,7-l-Motor mit drei Zylindern. Auch kann der Einsatz bei Industriemotoren liegen, beispielsweise für kleine Bagger, Handgeräte oder ähnlichem. Neben kleinen Zylinderzahlen kann auch eine Aufladung vorgesehen sein, insbesondere eine mechanische Aufladung. Die Aufladung kann ein- oder mehrstufig sein. Bei Nutzung des Energiewandlungssystems als Fahrantrieb sind vorzugsweise Drehzahlen zwischen 800 bis 1500 Umdrehungen vorgesehen mit Mittelbrücken von bis zu 20, insbesondere 25 bar. Beispielsweise kann das Energiewandlungssystem bei Kraftfahrzeugen, aber auch bei Zweiradfahrzeu- gen, beispielsweise Motorrädern oder Rollern eingesetzt werden. Auch die Nutzung bei anderen Fahrzeugen, zum Beispiel bei Schiffen ist möglich. Beispielsweise ist die Nutzung als Außenbordmotor oder als fest installierter Motor möglich, um eine Schiffswelle anzutreiben. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, dass das Energiewandlungssystem ausschließlich zur Stromerzeugung eingesetzt wird, zum Beispiel an Bord von Schiffen, Boo- ten oder Flugzeugen. So ist beispielsweise die Verwendung als Hilfsantriebs möglich. Insbesondere kann das Energiewandlungssystem auch als Stationärgerät Verwendung finden. Auch besteht die Möglichkeit, dieses mit konstanter Drehzahl zu betreiben.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Energiewandlungssystem als portables System aus- gestaltet. Beispielsweise kann das portable System ein Gewicht aufweisen, das geringer als 30 kg ist. In dieser Weise ist es durch eine Einzelperson tragbar. Zum Beispiel kann es als Rucksacksystem vorgesehen sein und damit auch an ansonsten nicht zugängliche Orte gebracht werden, um dort eine Stromversorgung zu ermöglichen. Insbesondere der Einsatz als mobiler Energieerzeuger, zum Beispiel als Notstromaggregat ermöglicht der- artiges. Neben der Anwendung eines derartigen Energiewandlungssystems können auch zwei oder mehr derartiger Energiewandlungssysteme zusammen genutzt werden, unabhängig voneinander oder miteinander gekoppelt, getrennt voneinander angeordnet wie auch an einem einzigen Fahrzeug oder einer baulichen Installation gemeinsam.
Wird beispielsweise ein Motorradmotor gemäß des vorgeschlagenen Energiewandlungssystems ausgestaltet, kann beispielsweise eine Lichtmaschine mit einem Massenausgleichsgetriebe wie vorgeschlagen kombiniert werden, um auf diese Weise Massenkräfte erster und/oder zweiter Ordnung auszuschalten.
Bei einer Nutzung als APU zum Beispiel in Kleinfahrzeugen, insbesondere in kleinen Flugzeugen wird ermöglicht, dadurch eine Ablösung für Systeme zur Verfügung zu stellen, die ansonsten über den Hauptantrieb betrieben werden. Auch kann die APU genutzt werden, um ein Hauptaggregat zu starten. Auch besteht die Möglichkeit, das Energie- Wandlungssystem in einem unbemannten Flugzeug, insbesondere einer Drohne, oder einem Hubschrauber verwenden zu können. Gleiches gilt auch für ein ferngesteuertes Roboterfahrzeug. Hierbei kann es jeweils als einziges Aggregat wie auch als Zusatzaggregat eingesetzt werden. Als Stromaggregat eingesetzt, kann das Energiewandlungssystem beispielsweise in Wohnmobilen wie auch bei militärischen Fahrzeugen oder sonsti- gen Fahrzeugen wie Sendewagen, Messwagen, Containern oder anderen mobilen Einheiten Verwendung finden. Auch kann es als Rucksackgenerator eingesetzt werden. Insbesondere kann auch das Energiewandlungssystem überall dort zum Einsatz gelangen, wo eine Bordstromerzeugung über die große Hauptmaschine nicht zu jedem Zeitpunkt gewünscht ist. So kann beispielsweise das Energiewandlungssystem auch in Unterwasser- fahrzeugen, insbesondere U-Booten Verwendung finden. Insbesondere die Nutzung des Energiewandlungssystems mit einem geschlossenen Gehäuse erlaubt, dass das Geräuschverhalten so eingestellt wird, dass keine Störung und insbesondere keine lauten Betriebsgeräusche übermittelt werden. Durch die ausgleichenden gegenläufigen Wellen und die damit verbundene Ausgeglichenheit beim Anfahren wie beim Stoppen des Ener- giewandlungssystems wird ein Schütteln des Aggregats verhindert. Dadurch erzeugte Vibrationen und Störungen treten somit erst gar nicht auf. Das erlaubt, dass auch beispielsweise ein Gestell, in dem das Energiewandlungssystem angeordnet ist, andersartig, insbesondere betreffend die Festigkeit, weniger steif gebaut werden muss. Insbesondere kann gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Energiewandlungssystem ausschließlich auf einem Rahmen angeordnet ist, ohne dass aber eine Umhüllung als solches notwendig werden würde, um dem Rahmen eine ausreichende Steifigkeit zu geben. Eine weitere Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass das Energiewandlungssystem als Stromerzeuger bei einem Fahrzeug im Radkasten angeordnet ist. Auch kann die Möglichkeit bestehen, das Energiewandlungssystem mit einem Elektrofahrzeug zu verbinden. Insbesondere ist das Energiewandlungssystem austauschbar angeordnet. Auch ermöglicht die Nutzung des Energiewandlungssystems als Fahrantrieb andersartige Konstruktionsmöglichkeiten. So kann das Kurbelgehäuse als Bestandteil des Rahmens beispielsweise eines Zweiradfahrzeuges oder Dreiradfahrzeuges genutzt werden. Aufgrund des Ausgleichs der Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehörigen Drehzahlver- hältnissen entstehen auch in den unterschiedlichsten Drehzahlbereichen keine Kippmomente und erlauben dadurch ein ruhiges Fahrverhalten eines derartigen Zweirades.
Die über die Rotationsverbindung miteinander an den Antrieb angekoppelten Komponenten können beispielsweise alle gleich sein, so zum Beispiel bei einer angestrebten Ener- gieerzeugung. Beispielsweise können gleiche Generatoren miteinander gekoppelt oder koppelbar vorliegen. Es besteht auch die Möglichkeit, das gleichartige, miteinander über die Rotationsverbindung gekoppelte oder koppelbare Komponenten voneinander abweichend aufgebaut sind. Beispielsweise können so unterschiedliche Bauarten von Generatoren miteinander gekoppelt werden oder sind zueinander koppelbar. Dadurch kann bei- spielsweise gleichartigen Komponenten jeweils eine unterschiedliche Aufgabe zugeordnet werden bzw. die Komponente an die entsprechende Aufgabe spezifisch ausgelegt sein. So können zum Beispiel bei mehreren Generatoren Synchron- wie auch Asynchronmaschinen aber auch Gleichstrommaschinen zum Einsatz gelangen. Auch können sich diese wieder im Aufbau und in ihrer elektrischen Leistung voneinander unterscheiden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass ein oder mehrere Komponenten im Rahmen der Rotationsverbindung zu- wie aber auch wieder abschaltbar sind, d.h. ein- und auskoppelbar sind. So kann beispielweise während eines Startvorgangs eine andere Anzahl an Komponenten miteinander über die Rotationsverbindung miteinander gekoppelt sein als während eines Betriebs des Energiewandlungssystems. Eine Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass während eines Starts des Energiewandlungssystems nur ein Generator, zumindest aber nicht alle Generatoren des Energiewandlungssystems miteinander über die Rotationsverbindung gekoppelt sind. Im laufenden Betrieb können weitere hinzu kommen. Es können aber auch andere abgekoppelt werden. Bevor- zugt ist es, wenn einzelne Komponenten individuell ansteuerbar sind, zum Beispiel insbesondere diejenigen Komponenten individuell ansteuerbar sind, die ab- und zugekoppelt werden können. Ein Beispiel sieht beispielweise vor, dass zwei oder mehr Generatoren, die über die Rotationsverbindung gekoppelt sind, gemeinsam oder jeweils individuell ansteuerbar sind. Die Ansteuerung kann hierbei ein Ein- wie auch Auskoppeln betreffen, kann aber auch sonstige Funktionalitäten der Komponenten betreffen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass nur eine elektrische Maschine als Generator zum Starten des Systems ausgelegt ist. Die übrigen elektrischen Maschinen, insbesondere Generatoren, sofern vorhanden, bleiben beispielweise jedoch mit dem einen startenden Generator mechanisch gekoppelt. Auf diese Weise bleibt das Gesamtsystem ausgeglichen. Der startende Generator ist hierfür vorzugsweise als 4-Quadranten-Maschine ausgeführt.
Auch kann über ein Zu- und Abschalten einem Freilauf Rechnung getragen werden, den zum Beispiel eine Komponente in eine Drehrichtung aufweisen mag. So können beispielsweise in der Rotationsverbindung ein oder mehrere Freiläufe von Komponenten vorgesehen sein. Diese können beispielsweise nur in eine Richtung wirksam sein, können permanent vorliegen und/oder zu- und abschaltbar sein.