DE102018125876A1

DE102018125876A1 - Hubkolbenmotor

Info

Publication number: DE102018125876A1
Application number: DE102018125876.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Obrist; Oliver Obrist
Original assignee: Obrist Technologies GmbH
Current assignee: Obrist Technologies GmbH
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: DE102018125876B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor, insbesondere für ein Stromaggregat eines Hybridfahrzeugs, welcher ein Kurbelgehäuse (61) umfasst, in dem eine Kurbelwelle (36) drehbar gelagert ist, die über ein Pleuellager (33) mit einem Pleuel (32) eines Kolbens (31) verbunden ist, wobei die Kurbelwelle (36) eine längsaxiale Öleinlassöffnung (51) und wenigstens einen Ölkanal aufweist, der die Öleinlassöffnung (51) mit dem Pleuellager (33) verbindet, wobei das Kurbelgehäuse (61) eine Ölauslassöffnung (50) aufweist, die in einen Ölsammelbereich (15) des Kurbelgehäuses (61) mündet, so dass im Kurbelgehäuse (61) sich sammelndes Öl durch eine Kolbenbewegung aus dem Kurbelgehäuse (61) pumpbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor, ein Fahrzeug, insbesondere ein ein- oder mehrspuriges Hybridmotorfahrzeug mit einem Hubkolbenmotor und/oder einem Stromaggregat, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor, insbesondere für ein Stromaggregat eines Hybridfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor, ein Fahrzeug, insbesondere ein ein- oder mehrspuriges Hybridmotorfahrzeug mit einem Hubkolbenmotor und/oder einem Stromaggregat, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors.
Erfahrungsgemäß werden Hubkolbenmotoren zum Antrieb verschiedener Fahrzeuge, insbesondere Hybridmotorfahrzeuge, verwendet. Das Funktionsprinzip eines Hubkolbenmotors beruht auf der Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie. Die Ausdehnung eines Kraftstoffgemisches in einem Zylinder des Motors verrichtet Arbeit an einem Kolben, welche durch eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen wird. Dadurch wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt. Mit Hilfe der angetriebenen Kurbelwelle, kann dann wiederum durch einen angeschlossenen Generator elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor erzeugt oder ein Fahrzeug direkt mechanisch angetrieben werden.
Bekanntermaßen ist die Nutzleistung an der Kurbelwelle des Motors niedriger als die innere Leistung am Kolben. Grund hierfür ist die sogenannte Reibleistung, welche sich aus den Verlusten der einzelnen Motorkomponenten, wie beispielsweise der Pleuelstange oder des Kolbens zusammensetzt. Die Reibleistung vermindert die an der Kurbelwelle zur Verfügung stehende Motorleistung. Dementsprechend erhöht sich der Kraftstoffverbrauch des Motors.
Um die Reibleistung zu reduzieren, werden die durch Reibung belasteten Motorkomponenten beispielsweise mit Motoröl geschmiert. Das Schmieröl verringert die Reibung im Hubkolbenmotor und sorgt gleichzeitig auch für eine bessere Abdichtung, beispielsweise zwischen Kolben und Zylinder. Schmieröl kann zusätzlich zur Kühlung des Motors dienen. Allerdings soll das Schmieröl nur in gewisse Bereiche des Motors eindringen, um den Arbeitsprozess des Motors nicht negativ zu beeinflussen.
Die EP 0 305 689 A2 offenbart eine Schmiervorrichtung für einen Hubkolbenmotor, wobei eine Schmierölpumpe Öl aus einem Vorratsbehälter ansaugt und es über Verteilungskanäle zu den Schmierstellen des Motors befördert. Das Ölpumpengehäuse mit der Ölpumpe ist hierbei als eine in sich geschlossene vormontierbare Baueinheit gestaltet, welche am Motorgehäuse angebracht ist. Die bekannte Schmiervorrichtung hat den Nachteil, dass das außen am Motorgehäuse angeordnete, separate Ölpumpengehäuse nur schwer in verschiedene Fahrzeuge integrierbar ist. Insbesondere wird für das Ölpumpengehäuse innerhalb eines Fahrzeugs zusätzlicher Bauraum benötigt. Ferner hat eine separate Montage des Ölpumpengehäuses am Motorgehäuse weitere Montagekosten zur Folge.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Hubkolbenmotor anzugeben, dessen Schmierstellen effizient mit Schmieröl versorgt werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor, ein Fahrzeug, insbesondere ein ein- oder mehrspuriges Hybridmotorfahrzeug mit einem Hubkolbenmotor und/oder einem Stromaggregat, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hubkolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe im Hinblick auf das Stromaggregat durch den Gegenstand des Anspruchs 10 gelöst. Alternativ wird die Aufgabe im Hinblick auf das Stromaggregat durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst. Im Hinblick auf das Fahrzeug wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 12 gelöst. Ferner wird die Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors durch den Gegenstand des Anspruchs 13 gelöst.
Konkret wird die Aufgabe durch einen Hubkolbenmotor, insbesondere für ein Stromaggregat eines Hybridfahrzeugs gelöst, welcher ein Kurbelwellengehäuse umfasst, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, die über ein Pleuellager mit einem Pleuel eines Kolbens verbunden ist, wobei die Kurbelwelle eine längsaxiale Öleinlassöffnung und wenigstens einen Ölkanal aufweist, der die Öleinlassöffnung mit dem Pleuellager verbindet, wobei das Kurbelwellengehäuse eine Ölauslassöffnung aufweist, die in einen Ölsammelbereich des Kurbelwellengehäuses mündet, so dass im Kurbelwellengehäuse sich sammelndes Öl durch eine Kolbenbewegung aus dem Kurbelwellengehäuse pumpbar ist.
Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zirkulation des Öls innerhalb des Kurbelwellengehäuses durch die Hubbewegung des Kolbens bewirkt wird. Mit anderen Worten dient der Hubkolben des Hubkolbenmotors gleichzeitig als Pumpkolben für das Einsaugen und Auspumpen von Schmieröl in das und aus dem Kurbelwellengehäuse. Der Kolben erfüllt insofern bei dem erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor eine Doppelfunktion. Dies führt dazu, dass auf eine zusätzliche Ölpumpe verzichtet werden oder diese zumindest deutlich kleiner und energieeffizienter ausgelegt werden kann. In der Folge reduziert dies den für den Hubkolbenmotor erforderlichen Bauraum innerhalb eines Fahrzeugs und trägt außerdem zur Energieeinsparung bei. Insbesondere ist ein zusätzlicher Energieaufwand für eine beispielsweise elektrische Ölpumpe entbehrlich. Die Doppelfunktion des Kolbens reduziert außerdem die Montagekosten und den Materialaufwand für den Hubkolbenmotor. Insgesamt sind so auch die Gesamtkosten für die Herstellung des Hubkolbenmotors reduziert.
Da der Verschleiß durch das Schmieröl gering gehalten ist, ist der Hubkolbenmotor wartungsarm. Die einfache Funktionsweise der Schmierölförderung innerhalb des Hubkolbenmotors erleichtert außerdem die Reparatur bei Vorliegen einer Fehlfunktion.
Ferner wird die Aufgabe konkret durch ein Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor und zwei Generatoren zur Stromerzeugung gelöst, wobei jede der Kurbelwellen mit jeweils einem Generator antriebsverbunden ist. Alternativ wird die Aufgabe konkret durch ein Stromaggregat gelöst, welcher einen Generator umfasst, der zur ersten Kurbelwelle gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle gegenläufig drehbar ist, sowie eine Ausgleichswelle, die zur zweiten Kurbelwelle gleichläufig und zur ersten Kurbelwelle gegenläufig drehbar ist. Des Weiteren beruht die Erfindung auf dem Gedanken, ein Fahrzeug mit einem Hubkolbenmotor und/oder einem Stromaggregat, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors anzugeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ölauslassöffnung mit einer Steigleitung verbunden, die wenigstens ein Rückschlagventil aufweist. Das Rückschlagventil verhindert ein Rückströmen von Öl in den Ölsammelbereich. Dadurch wird der Pumpvorgang vereinfacht. Der Schmierölverlust ist hierdurch gering gehalten. Insbesondere ist der Energieaufwand zur Förderung des Schmieröls reduziert.
Vorteilhafterweise verbindet die Steigleitung die Ölauslassöffnung mit einem Ventilgehäuse. Durch die Verbindung der Steigleitung mit dem Ventilgehäuse, wird das Schmieröl an die Ventile zur Schmierung geleitet, um mechanischem Verschleiß vorzubeugen. Die Steigleitung fördert hierbei Schmieröl aus dem Kurbelwellengehäuse nach oben in das Ventilgehäuse. Durch das Rückschlagventil in der Steigleitung wird ein Rückfluss des Öls aus dem Ventilgehäuse in das Kurbelwellengehäuse verhindert. Damit ist sichergestellt, dass zur Schmierung der Ventile im Wesentlichen dauerhaft ausreichend Schmieröl im Ventilgehäuse vorliegt. Insbesondere wird vermieden, dass Öl bei Stillstand des Motors in den Ölsammelraum zurückfließt und so beim Start des Motors die Ventile zeitweise ungeschmiert sind.
Idealerweise ist das Rückschlagventil an einem ventilseitigen Ende der Steigleitung angeordnet. Die Anbringung des Rückschlagventils am Ende der Steigleitung ist wartungsfreundlich. Insbesondere kann das Rückschlagventil leicht austauschbar oder ersetzbar unter einem Ventildeckel des Hubkolbenmotors angebracht sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ölauslassöffnung in einer Rückwand des Kurbelwellengehäuses und die Öleinlassöffnung in einer frontseitigen Stirnfläche der Kurbelwelle ausgebildet. Vorteilhafterweise ist hierbei die Öleinlassöffnung durch eine Ölzufuhrleitung mit einem Ölsammelbereich verbunden. Zwischen dem Ölsammelbereich und der Öleinlassöffnung, insbesondere in der Ölzufuhrleitung, ist vorzugsweise ein weiteres Rückschlagventil angeordnet.
Der Kolben kann in einem abgeschalteten Zustand des Hubkolbenmotors in einem unteren Totpunkt positioniert sein. Als Totpunkte bezeichnet man die Stellungen des Kolbens eines Hubkolbenmotors, in denen der Kolben keine Bewegung mehr in eine axiale Richtung, sondern nur noch in die Gegenrichtung ausführen kann. Die Lage dieser Totpunkte wird durch die Geometrie von Kurbelwelle, Pleuel und Kolben eindeutig bestimmt. Die Stellung des Kolbens im unteren Totpunkt impliziert, dass die Kolbenoberseite vom Ventilgehäuse entfernt ist. Mit anderen Worten ist im unteren Totpunkt der Kolben der Kurbelwelle am nächsten. Von dieser Position aus bewegt sich der Kolben bei Betrieb des Motors zum oberen Totpunkt. Die Position des Kolbens im unteren Totpunkt im ausgeschalteten Zustand des Motors hat den Vorteil, dass der Motor bei der Bewegung von unterem zu oberem Totpunkt bereits die maximale Ölsaugleistung aufweist. Dadurch ist beim Starten des Motors bereits eine gute Schmierung, beispielsweise des Pleuellagers, gewährleistet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem Kurbelwellengehäuse zwei gegenläufige Kurbelwellen angeordnet, die mechanisch phasengleich gekoppelt sind, wobei jede der beiden Kurbelwellen mit jeweils einem Kolben verbunden ist, und wobei die Kolben in Tandem-Anordnung in zwei Zylindern geführt sind. Hierbei kann die Ölauslassöffnung zwischen den beiden Kurbelwellen, insbesondere in einer zu beiden Kurbelwellen identisch beabstandeten Mittelebene, angeordnet sein. Die Anordnung der Ölauslassöffnung zwischen den Kurbelwellen, insbesondere in einer Mittelebene des Hubkolbenmotors ermöglicht es, dass Schmieröl aus beiden Kurbelwellenräumen gleichmäßig an die Ölauslassöffnung geführt werden kann. Damit ist sichergestellt, dass eine gleichmäßige Ölzirkulation für beide Kurbelwellenräume erfolgt.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Stromaggregat mit einem erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor und zwei Generatoren zur Stromerzeugung, wobei jede der Kurbelwellen mit jeweils einem Generator antriebsverbunden ist. Durch diese Anordnung wird eine raumsparende und einfach herstellbare Bauweise erzielt. Diese kompakte Baueinheit des Stromaggregats mit einem Hubkolbenmotor und zwei Generatoren weist eine hohe Laufruhe und ein angenehmes Startverhalten auf und eignet sich daher gut als Element eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeugs. Vorteilhafterweise wird durch die Doppelfunktion des Kolbens zur Umwandlung von Verbrennungsenergie in mechanische Antriebsenergie einerseits und zur Förderung von Schmieröl innerhalb des Kurbelwellengehäuses andererseits keine weitere elektrische Ölpumpe benötigt. Damit ist die in den Generatoren erzeugte elektrische Energie effizient zum Antrieb des Fahrzeugs nutzbar. Insbesondere entsteht keine Verlustenergie aufgrund eines zusätzlichen Betriebs einer Ölpumpe. Die effiziente Schmierölförderung hält den Schmierölverlust sehr gering.
Ein alternativer nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Stromaggregat, welcher einen Generator umfasst, der zur ersten Kurbelwelle gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle gegenläufig drehbar ist, sowie eine Ausgleichswelle, die zur zweiten Kurbelwelle gleichläufig und zur ersten Kurbelwelle gegenläufig drehbar ist. Der Generator ist dabei über ein erstes Zugmittel direkt mit der ersten Kurbelwelle antriebsverbunden, wobei die Ausgleichswelle über ein zweites Zugmittel direkt mit der zweiten Kurbelwelle antriebsverbunden ist. Die Ausgleichswelle und/oder die zweite Kurbelwelle tragen ein Schwungmassenelement.
Die Erfindung fußt auf der Idee, einen zweiten Generator, wie er beispielsweise im Stand der Technik gemäß DE 10 2014 115 042 A1 vorgesehen ist, durch ein Schwungmassenelement auf der Ausgleichswelle und/oder der zweiten Kurbelwelle zu ersetzen. Durch das Schwungmassenelement wird die Laufruhe erreicht, die auch das bekannte Stromaggregat aufweist. Damit geht also die Leistungsreduktion nicht mit weiteren Beeinträchtigungen an den Vorteilen der bekannten Stromaggregate einher.
Gleichzeitig können identische Bauteile wie bei anderen, vorbekannten Stromaggregaten mit höherer Leistungsstufe eingesetzt werden. Somit entsteht ein Bauteilsystem, mit welchem kostengünstig Stromaggregate unterschiedlicher Leistungsstufen hergestellt werden können. Insbesondere der Zweizylinder-Hubkolbenmotor als Grundmodul des Bauteilsystems kann so identisch für verschiedene Leistungsstufen beigehalten werden. Die Kosten bei der Serienfertigung werden dadurch erheblich reduziert.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Fahrzeug, insbesondere ein ein- oder mehrspuriges Hybridmotorfahrzeug, mit einem zuvor beschriebenen Hubkolbenmotor und/oder einem zuvor beschriebenen Stromaggregat offenbart und beansprucht.
Ein weiterer nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors bei dem durch eine Hubbewegung eines Kolbens innerhalb eines Kurbelwellengehäuses abwechselnd ein Unterdruck und ein Überdruck erzeugt wird, wobei durch den Unterdruck Öl aus einem Ölsammelbereich, bspw. einer Ölwanne, in das Kurbelwellengehäuse gesogen und durch den Überdruck aus dem Kurbelwellengehäuse in ein Ventilgehäuse des Hubkolbenmotors gepumpt wird. Durch den Unterdruck bei der Bewegung des Kolbens nach oben in Richtung des oberen Totpunkts wird das Öl in das Kurbelwellengehäuse gesaugt und dadurch die Pleuellager geschmiert. Damit sind die Pleuellager vor mechanischem Verschleiß geschützt.
Wenn sich der Kolben anschließend vom oberen Totpunkt in Richtung des unteren Totpunkts bewegt, wird dadurch ein Überdruck im Kurbelwellengehäuse erzeugt. Das vorhandene Öl wird aufgrund des Überdrucks aus dem Kurbelwellengehäuse über eine Steigleitung nach oben in das Ventilgehäuse gepumpt. Im Ventilgehäuse sind dadurch die Ventile geschmiert und somit vor mechanischem Verschleiß geschützt. Ein im Ventilgehäuse angeordnetes Rückschlagventil verhindert hierbei ein Zurückfließen des Öls aus dem Ventilgehäuse in das Kurbelwellengehäuse. Damit ist eine fortwährende Schmierung der Ventile im Ventilgehäuse gewährleistet.
Die Bewegung des Kolbens von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt erzeugt demnach den Unterdruck und den Überdruck im Kurbelwellengehäuse des Hubkolbenmotors. Damit wird eine Schmierung der Ventile im Ventilgehäuse und der Pleuellager im Kurbelwellengehäuse selbsttätig durch den Betrieb des Motors gewährleistet.
Nach Erhalt eines Abschaltsignals durch eine Steuerung kann der Hubkolbenmotor vorteilhafterweise derart abgeschaltet werden, dass der Kolben in einem unteren Totpunkt stoppt. Bei erneuter Inbetriebnahme des Motors beginnt der Kreislauf wieder von neuem, und es wird bei der anfänglichen Bewegung des Kolbens von unterem Totpunkt in Richtung oberer Totpunkt erneut die maximale Ölsaugleistung erreicht. Bei einer erneuten Inbetriebnahme des Motors wird also bereits zu Beginn ein Unterdruck für die Schmierung der Ventile und der Pleuellager aufgebaut. Der Unterdruck führt dazu, dass schon beim ersten Hub Schmieröl angesaugt und das Kurbelwellengehäuse so mit Schmieröl gefüllt wird. Dadurch wird vermieden, dass beim Start des Hubkolbenmotors Luft in die Steigleitung gepumpt wird.
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

1 ein Querschnitt durch einen Hubkolbenmotor nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, eines Zylinders und entlang der Rotationsachse einer Kurbelwelle;
2 ein Querschnitt durch einen Hubkolbenmotor nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entlang einer Mittelebene zwischen zwei Zylindern;
3 eine Rückansicht eines Stromaggregats mit einem Hubkolbenmotor nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel und einer Steigleitung zur Verbindung der Ölauslassöffnung mit einem Ventildeckel;
4 ein Stromaggregat nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wobei das Schwungmassenelement von der Ausgleichswelle getragen wird; und
5 ein Stromaggregat nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wobei das Schwungmassenelement von der zweiten Kurbelwelle getragen wird.

1 zeigt einen Querschnitt durch einen Hubkolbenmotor mit beispielhafter Bohrung 53 in der Kurbelwelle 36 zur Schmierung des Pleuellagers 33. Der Hubkolbenmotor weist ein Ventilgehäuse 60 und ein darunter angeordnetes Kurbelwellengehäuse 61 auf. Im unteren Teil des Kurbelwellengehäuses 61 ist eine Kurbelwelle 36 angeordnet. Die Kurbelwelle 36 ist von einem Ölsammelbereich 15 umgeben.
Die Kurbelwelle 36 weist zwei Kurbelwangen 37 auf. Die Kurbelwelle 36 ist mit einem Pleuel 32 verbunden. Hierzu ist an der Kurbelwelle 36 zwischen den zwei Kurbelwangen 37 ein Pleuellager 33 angebracht. Die Kurbelwelle 36 hat die Aufgabe, die Kräfte, die über das Pleuel 32 geleitet werden, aufzunehmen, diese in ein Drehmoment umzuwandeln und das Drehmoment beispielsweise an einen Generator 62 weiterzuleiten. Hierzu ist an der Kurbelwelle 36 ein Zahnrad 35 drehfest angeordnet. Das Zahnrad 35 kann durch eine Schraube 52 mit der Kurbelwelle 36 kraftschlüssig verbunden sein.
Das Pleuel 32 ist gelenkig mit einem Kolben 31 verbunden, der in einem Zylinder 34 geführt ist. Das Pleuel 32 kann hierbei eine oszillierende Bewegung in Auf- und Abwärtsrichtung ausführen. Der Zylinder 34 mit dem Pleuel 32 ist im oberen Teil des Kurbelwellengehäuses 61 untergebracht.
Das Pleuellager 33 kann als Gleitlager ausgeführt sein. Um das Pleuellager 33 mit Schmieröl zu versorgen, weist die Kurbelwelle 36 eine Bohrung 53 auf. Die Bohrung 53 verläuft schräg durch die Kurbelwange 37 einerseits bis in die Mitte der Kurbelwelle 36, wo die Bohrung 53 in das Pleuellager 33 mündet. Andererseits verläuft die Bohrung 53 zu einem Kurbelwellenlager 14. Das Kurbelwellenlager 14 ist vorzugsweise als Kugellager ausgebildet. Die Bohrung 53 ist mit einer Öleinlassöffnung 51 fluidverbunden, die sich längsaxial, insbesondere koaxial, in die Kurbelwelle 36 erstreckt. Die Öleinlassöffnung 51 ist als Sackbohrung ausgebildet. Die Öleinlassöffnung 51 ist insbesondere auf einer der Schraube 52 gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle 36 angeordnet. Konkret ist vorgesehen, dass der Hubkolbenmotor eine Frontseite 16 und eine Rückwand 17 aufweist. Die Öleinlassöffnung 51 ist vorzugsweise in einer frontseitigen, d.h. der Frontseite 16 zugewandten, Stirnfläche 18 und der Kurbelwelle 36 ausgebildet.
Über die Öleinlassöffnung 51 gelangt bei Erzeugung eines Unterdrucks im Kurbelwellengehäuse 61 Schmieröl in die Bohrung 53. Das Schmieröl wird also durch eine Bewegung des Kolbens 31 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt über die Öleinlassöffnung 51 in die Bohrung 53 gesaugt. Dadurch gelangt Schmieröl einerseits an das Pleuellager 33 und andererseits an das Kurbelwellenlager 14. Das Schmieröl tritt über das Pleuellager 33 und das Kurbelwellenlager 14 in den Innenraum des Kurbelwellengehäuses 61 ein und gelangt in einen Ölsammelbereich 15. Der Ölsammelbereich 15 ist vorzugsweise unterhalb der Kurbelwelle 36 im Kurbelwellengehäuse 61 ausgebildet.
Bei der oszillierenden Bewegung des Pleuels 32 übt der Kolben 31 Druck auf das Kraftstoffgemisch aus, welches über ein Einlassventil 11 und ein Auslassventil 12 in den Zylinder 34 eingebracht und herausgedrückt wird. Das Einlassventil 11 und das Auslassventil 12 sind im Ventilgehäuse 60 angeordnet und jeweils mit einem Einlasskanal 20 und einem Auslasskanal 21 verbunden. Die Ventile 11, 12 leiten das Kraftstoffgemisch in und aus dem Zylinder 34. Die Ventile 11, 12 sind über eine Steuerverbindung mit Ventilfedern 10 und Kipphebeln 41 verbunden. Die Kipphebel 41 sorgen für eine Betätigung der Ventile 11, 12, und damit für ein Öffnen und Schließen der Ventile 11, 12. Die Kipphebel 41 können mit einer Nockenwelle 40 mechanisch gekoppelt sein.
Vorzugsweise ist der Hubkolbenmotor als ein Vier-Takt-Motor ausgeführt. Im abgeschalteten Zustand ist der Kolben 31 vorteilhafterweise in einem unteren Totpunkt positioniert. Zu Beginn des ersten Taktes bewegt sich der Kolben 31 vom unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunkts. Dadurch entsteht ein Unterdruck im Kurbelwellengehäuse 61, so dass Schmieröl über die Öleinlassöffnung 51 angesaugt wird.
Am oberen Totpunkt ist das Auslassventil 12 geschlossen und das Einlassventil 11 geöffnet. Der Kolben 31 bewegt sich in Richtung Kurbelwelle 36 zurück zum unteren Totpunkt. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 31 wird ein Zündgemisch durch das Einlassventil 11 in den Zylinder 34 gesaugt. Zusätzlich entsteht bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 31 ein Überdruck im unteren Bereich des Kurbelwellengehäuses 61. Wegen des Überdrucks wird Schmieröl aus dem Kurbelwellengehäuse 61 über die Ölauslassöffnung 50 eine Steigleitung 23 in das Ventilgehäuse 60 gepumpt. Damit werden die Ventile 11, 12 mit Schmieröl versorgt.
2 stellt einen Querschnitt durch einen Hubkolbenmotor mit beispielhafter Steigleitung 23 zur Schmierung der Ventile im Ventilgehäuse 60 dar. In diesem Querschnitt ist mittig die Nockenwelle 40 zu sehen, welche mit Steuerstäben 39 gekoppelt ist. Durch den Betrieb der Nockenwelle 40 werden über die Steuerstäbe 39 die Kipphebel 41 betrieben, welche die Öffnung und Schließung der Ventile 11, 12 bewirken. Die Verbindung der Nockenwelle 40 mit der Kurbelwelle 36 ist vorzugsweise mit einem Kettentrieb 42 realisiert.
In 2 ist der Verlauf der Steigleitung 23 zu sehen, welche von der Ölauslassöffnung 50 nach oben in Richtung Ventilgehäuse 60 verläuft. Die Kurbelwelle 36 trägt eine Schwungscheibe 38. Am oberen Ende der Steigleitung 23 ist ein Rückschlagventil 13 angebracht. Dieses verhindert einen Rückfluss des Schmieröls zurück in das Kurbelwellengehäuse 61.
3 zeigt ein Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor, der zwei gegenläufige Kurbelwellen 36 und zwei Zylinder 34 in einer Tandem-Anordnung aufweist. Die Zylinder 34 sind hierbei parallel zueinander angeordnet. Zwischen den Zylindern 34 verläuft die Steigleitung 23 mit einer unteren Ölauslassöffnung 50 im unteren Teil des Kurbelwellengehäuses 61, und einer oberen Steigleitungsmündung 19 im oberen Teil des Kurbelwellengehäuses 61. Die Kurbelwellen 36 sind jeweils über einen Riementrieb 22 oder einen Kettentrieb 42 an einen der beiden Generatoren 62 angeschlossen. Oberhalb der zwei Generatoren 62 ist jeweils ein Aufnahmeraum 63 für eine Elektronik angebracht. Ein derartiges Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor, sowie zwei Generatoren 62 ist vorteilhaft als Antriebsaggregat eines Fahrzeuges mit einem seriellen Hybrid-Antriebskonzept verwendbar.
In 4 ist ein Stromaggregat nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt, das im Wesentlichen durch einen Hubkolbenmotor, einen Generator 62 und eine Ausgleichswelle 68 gebildet ist. Der Hubkolbenmotor weist zwei in Tandemform, insbesondere parallel zueinander, angeordnete Zylinder 34 auf. In den Zylindern 34 sind Kolben 31 geführt, die durch Pleuel 32 gelenkig jeweils mit einer Kurbelwelle 64, 65 gekoppelt sind. Die Kurbelwellen 64, 65 sind gegenläufig rotierbar und weisen jeweils stirnseitig Zahnräder 66, 67 auf, die ineinandergreifen, um so die Bewegung der Kolben 31 zu synchronisieren. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen den Gelenkverbindungen zwischen den Pleueln 32 und den Kolben 31 kleiner als der Abstand der Kurbelwellenachsen zueinander ist. Die Zylinder 34 sind also bezüglich der Kurbelwellen 64, 65 nach innen versetzt angeordnet. Das führt dazu, dass in einem oberen Totpunkt der Kolben die Pleuel 32 in einem leichten Winkel zu den Kurbelwellenachsen stehen, wodurch die Kolbenschaftreibung reduziert. Daraus ergibt sich ein besonders ruhiger Motorstart.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist ein Schwungmassenelement 69 auf der Ausgleichwelle 68 befestigt. Insbesondere trägt die Ausgleichswelle 68 das Schwungmassenelement 69. Das Schwungmassenelement 69 ist mit der Ausgleichswelle 68 drehfest verbunden. Bei dieser Ausführungsform des Stromaggregats am Generator 62 und der Ausgleichswelle 68 sind die angebrachten Zahnräder bzw. Riemenscheiben, die mit den jeweiligen Zugmitteln 66, 67 im Eingriff stehen, mit den gleichen Durchmessern ausgestattet. Das führt dazu, dass der Generator 62 und die Ausgleichswelle 68 mit derselben Rotationsgeschwindigkeit drehen, so dass sich die rotierende Masse des Generators 62 und die rotierende Schwungmasse des Schwungmassenelements 69 ausgleichen. Auf diese Weise werden insbesondere Massenträgheitsmomente zweiter Ordnung ausgeglichen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist das Schwungmassenelement 69 an der zweiten Kurbelwelle 65 angeordnet. Insbesondere trägt die zweite Kurbelwelle 65 das Schwungmassenelement 69. Die Kopplung des Schwungmassenelements 69 mit der zweiten Kurbelwelle 65 erfolgt jedoch vorzugsweise mittelbar durch ein Übersetzungsgetriebe, so dass das Schwungmassenelement 69 im Betrieb mit gegenüber der zweiten Kurbelwelle 65 doppelter Geschwindigkeit dreht.
Bezugszeichenliste

10: Ventilfeder
11: Einlassventil
12: Auslassventil
13: Rückschlagventil
14: Kurbelwellenlager
15: Ölsammelbereich
16: Frontseite
17: Rückwand
18: Stirnfläche
19: Steigleitungsmündung
20: Einlasskanal
21: Auslasskanal
22: Riementrieb
23: Steigleitung
31: Kolben
32: Pleuel
33: Pleuellager
34: Zylinder
35: Zahnrad
36: Kurbelwelle
37: Kurbelwange
38: Schwungscheibe
39: Steuerstab
40: Nockenwelle
41: Kipphebel
42: Kettentrieb
50: Ölauslassöffnung
51: Öleinlassöffnung
52: Schraube
53: Bohrung
60: Ventilgehäuse
61: Kurbelwellengehäuse
62: Generator
63: Aufnahmeraum
64: erste Kurbelwelle
65: zweite Kurbelwelle
66: erstes Zugmittel
67: zweites Zugmittel
68: Ausgleichswelle
69: Schwungmassenelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0305689 A2 [0005]
DE 102014115042 A1 [0020]

Claims

Hubkolbenmotor, insbesondere für ein Stromaggregat eines Hybridfahrzeugs, mit einem Kurbelwellengehäuse (61), in dem eine Kurbelwelle (36) drehbar gelagert ist, die über ein Pleuellager (33) mit einem Pleuel (32) eines Kolbens (31) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (36) eine längsaxiale Öleinlassöffnung (51) und wenigstens einen Ölkanal aufweist, der die Öleinlassöffnung (51) mit dem Pleuellager (33) verbindet, wobei das Kurbelwellengehäuse (61) eine Ölauslassöffnung (50) aufweist, die in einen Ölsammelbereich (15) des Kurbelwellengehäuses (61) mündet, so dass sich im Kurbelwellengehäuse (61) sammelndes Öl durch eine Kolbenbewegung aus dem Kurbelwellengehäuse (61) pumpbar ist.
Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölauslassöffnung (50) mit einer Steigleitung (23) verbunden ist, die wenigstens ein Rückschlagventil (13) aufweist.
Hubkolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigleitung (23) die Ölauslassöffnung (50) mit einem Ventilgehäuse (60) verbindet.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölauslassöffnung (50) in einer Rückwand (17) des Kurbelwellengehäuses (61) und die Öleinlassöffnung (51) in einer frontseitigen Stirnfläche (18) der Kurbelwelle (36) ausgebildet sind.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öleinlassöffnung (51) durch eine Ölzufuhrleitung mit dem Ölsammelbereich (15), insbesondere einer Ölwanne, verbunden ist.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ölsammelbereich (15) und der Öleinlassöffnung (51), insbesondere in der Ölzufuhrleitung, ein weiteres Rückschlagventil angeordnet ist.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (31) in einem abgeschalteten Zustand des Hubkolbenmotors in einem unteren Totpunkt positioniert ist.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kurbelwellengehäuse (61) zwei gegenläufige Kurbelwellen (36) angeordnet sind, die mechanisch phasengleich gekoppelt sind, wobei jede der beiden Kurbelwellen (36) mit jeweils einem Kolben (31) verbunden ist, und wobei die Kolben (31) in Tandem-Anordnung in zwei Zylindern (34) geführt sind.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölauslassöffnung (50) zwischen den beiden Kurbelwellen (36), insbesondere in einer zu beiden Kurbelwellen (36) identisch beanstandeten Mittelebene, angeordnet ist.
Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zwei Generatoren (62) zur Stromerzeugung, wobei jede der Kurbelwellen (36) mit jeweils einem Generator (62) antriebsverbunden ist.
Stromaggregat mit einem Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1-9 und einem Generator (62), der zur ersten Kurbelwelle (64) gleichläufig und zur zweiten Kurbelwelle (65) gegenläufig drehbar ist, und einer Ausgleichswelle (68), die zur zweiten Kurbelwelle (65) gleichläufig und zur ersten Kurbelwelle (64) gegenläufig drehbar ist, wobei der Generator (62) über ein erstes Zugmittel (66) direkt mit der ersten Kurbelwelle (64) und die Ausgleichswelle (68) über ein zweites Zugmittel (67) direkt mit der zweiten Kurbelwelle (65) antriebsverbunden sind, und wobei die Ausgleichswelle (68) und/oder die zweite Kurbelwelle (65) ein Schwungmassenelement (69) tragen.
Fahrzeug, insbesondere ein- oder mehrspuriges Hybridmotorfahrzeug, mit einem Hubkolbenmotor und/oder einem Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors, insbesondere eines Hubkolbenmotors nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem durch eine Hubbewegung eines Kolbens (31) innerhalb eines Kurbelwellengehäuses (61) abwechselnd ein Unterdruck und ein Überdruck erzeugt wird, wobei durch den Unterdruck Öl aus einem Ölsammelbereich (15) in das Kurbelwellengehäuse (61) gesogen und durch den Überdruck aus dem Kurbelwellengehäuse (61) in ein Ventilgehäuse (60) des Hubkolbenmotors gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck durch eine Bewegung des Kolbens (31) von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt und der Überdruck durch eine Bewegung des Kolbens (31) vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenmotor nach Erhalt eines Abschaltsignals durch eine Steuerung derart abgeschaltet wird, dass der Kolben (31) in einem unteren Totpunkt stoppt.