JP2017538061A - パワーユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、往復ピストンエンジンを備えた、且つ、それと駆動結合可能なジェネレータを備えた、特にハイブリッド車のための、パワーユニットであって、往復ピストンエンジンが、少なくとも２つのシリンダ（１、２）内でタンデム配置に案内される、少なくとも２つのピストンと、コネクティングロッド（５、６）によってピストン（３、４）と結合される、機械的に同位相で連結された、２つの逆回転するクランク軸（７、８）と、を有しており、第１のジェネレータ（１１）が第１のクランク軸（７）によって、且つ、第２のジェネレータ（１２）が第２のクランク軸（８）によって駆動可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、往復ピストンエンジンを備えた、且つ、それと駆動結合可能な少なくとも１つのジェネレータを備えた、特にハイブリッド車のための、パワーユニットであって、往復ピストンエンジンが、少なくとも２つのシリンダ内でタンデム配置に案内される、少なくとも２つのピストンと、コネクティングロッドによってピストンと結合される、機械的に同位相で連結された、２つの逆回転するクランク軸と、を有している、パワーユニットに関する。

国際公開第２０１２／０５６２７５（Ａ１）号パンフレットから、内燃機関と、ハイブリッド駆動のバッテリを充電するためのジェネレータと、を備えた機械コンビネーションが知られている。内燃機関は、対をなして配設されたシリンダ−ピストンユニットとして達成されており、２つのピストンはコネクティングロッドを介してそれぞれ自身のクランク軸と駆動結合されている。シリンダ−ピストンユニットと直列で配設されるジェネレータは、クランク軸によって駆動される。

本発明の課題は、冒頭で挙げた構造のパワーユニットを、エンジンについても、ユニット全体についても、特に静かな−騒音が少なく且つ振動がない−動作が達成可能であって、特に簡単且つ特に場所をとらない構造に加え、ハイブリッド駆動のインターバル駆動に特に適した、摩擦損失が少なく、摩耗が生じにくい構造が達成できるように、改良することである。さらに本発明の課題は、斯かるパワーユニットを備えた車両を提供することである。

この課題は、本発明によれば、パワーユニットに関しては請求項１の対象によって、車両に関しては請求項１８の対象によって解決される。

本発明は、往復ピストンエンジンを備えた、且つ、それと駆動結合可能なジェネレータを備えた、特にハイブリッド車のための、パワーユニットを提供する、という考えに基づいている。往復ピストンエンジンは、少なくとも２つのシリンダ内でタンデム配置に案内される、少なくとも２つのピストンを有している。往復ピストンエンジンは、さらに、コネクティングロッドによってピストンと結合される、機械的に同位相で連結された、２つの逆回転するクランク軸を有している。本発明によれば、第１のジェネレータが第１のクランク軸によって、及び、第２のジェネレータが第２のクランク軸によって駆動可能である。

２つのジェネレータの使用は、自由な慣性力の均衡及び交番トルクのための新しい可能性を開くので、ピストンエンジンの滑らかな稼働が改良される。さらにより小型のジェネレータを使用することができる。

好ましくは、ジェネレータは、それぞれのクランク軸と、歯車伝動装置によって、又は、トラクション手段によって結合されている。トラクション手段、特に両側に歯切りを有するトラクション手段による結合が、騒音の少ない動作を改良する。

好ましい実施形態において、第１のジェネレータ及び第２のクランク軸は、逆方向に回転する。第２のジェネレータ及び第１のクランク軸も、同様に逆方向に回転する。ジェネレータ及びクランク軸は、２：１の回転数比で回転する。ジェネレータは、それぞれ少なくとも１つのアンバランスを有し、そうしてバランス軸としての役目を果たす。この実施形態は、ジェネレータが二重機能を引き受けるという利点を有している。一方では、ジェネレータは動力を発生させる役目を果たす。他方では、ジェネレータは二次の慣性力の均衡を保つ。したがってジェネレータは、ランチェスターバランサの原理に従って働く。２つのカウンターウェイトがそれぞれアンバランスとして設けられている場合に、それらは、エンジンの長手軸線回りの望ましくないモーメントの均衡を保つために、ジェネレータの位置に応じて等しい重さで、又は、異なる重さで形成することができる。

この実施形態の展開において、各ジェネレータは、ジェネレータの長手方向に互いに離隔された、２つのカウンターウェイトを有している。具体的には、２つのカウンターウェイトが、ジェネレータの双方の軸端部に取付けられている。２つのカウンターウェイトは、それぞれ等しい重さである。この配置によって、望ましくないモーメントの均衡が保たれる。

ジェネレータをそれぞれのクランク軸と連結するために、種々の可能性がある。例えば歯車伝動装置が、それぞれのジェネレータの駆動ピニオンと係合し若しくは連結される、歯付きクランクウェブを備えることができる。歯車伝動装置は、代替的に、対応するクランク軸の主軸受を越えて突出する軸ピンと相対回動不能に結合され、且つ、それぞれのジェネレータの駆動ピニオンと連結される、少なくとも１つの歯車を備えることができる。トラクション手段としては、チェーンホイールによって駆動される、チェーン若しくは歯付きチェーン又は歯付きベルトが考えられる。

好ましい実施形態において、第１のトラクション手段が第１のジェネレータを第１のクランク軸と、及び、第２のトラクション手段が第２のジェネレータを第２のクランク軸と結合する。トラクション手段は、この実施形態において比較的短く、このことがそれらガイドを容易にする。

好ましくは、両側においてジェネレータがクランク軸の隣に配置されており、クランク軸の軸線が主軸受を通って仮想的な基準面にわたっている。ジェネレータの軸線は、基準面内に、又は、基準面の外部に、すなわちクランク軸とピストンの上死点との間に配置することができる。ジェネレータ軸を基準面内に又は基準面の外部に配置することは、エンジン内のパワーユニットの組込み位置における利点をもたらす。さらに、ジェネレータ軸を基準面の上方に配置することは、エンジンが比較的幅狭になる利点を有する。

好ましくはクランク軸が、自由な慣性力の均衡を保つために、位相シフトして配置されるカウンターウェイトを有している。

付加的に−よりコンパクトな構造及び摩擦損失の低減を達成するためにも−シリンダは内側へ向いた変位をもって、シリンダが互いに対してクランク軸の間隔に相当するよりも小さい間隔を有するように、配置することができる。したがってシリンダの変位は、背圧側の方向に延びている。それによって、コネクティングロッドが最大の力作用の瞬間にピストン／シリンダ軸線に関して幾分かより急峻な位置を有することになるので、ピストン若しくはシリンダに生じる、ピストン摩擦及びシリンダ摩耗に影響を与える力がそれだけ小さくなる。

往復ピストンエンジンを４ストローク動作において０°のクランク角度の点火間隔で作動することが、特に効果的である。

クランク軸を同期させるために、これらは、互いに係合している歯付きクランクウェブを有していることが、効果的である。代替的に、同期させるために、２つのクランク軸を互いに連結する、両側に歯切りを有するトラクション手段、特に両側に歯切りを有する歯付きベルトを設けることができ、歯付きベルトの第１の側が第１のクランクウェブと、そして第２の側、特に歯付きベルトの裏側が、第２のクランクウェブと係合する。トラクション手段の使用は、騒音発生を抑制する。歯のペアの負荷を減少させるために、両側に歯切りを有する歯付きベルトが第１のクランクウェブに巻付くようにすることができ、歯付きベルトは両側に、第２のクランクウェブの歯切りよりも１から５、特に４つ多い歯を有している。付加的な歯数が、歯付きベルトの持ち上がり及び通気される歯付きベルトの内部の歯車の追い越しを可能にする。そのために歯付きベルトは、歯元の丈より多く歯車の歯先円を越えて径方向に持ち上がらなくてはならない。この持ち上がりを遠心力が支援する。そのためのモチベーションは、例えば３６０°の点火間隔を有する４ストローク動作において点火力が伝達される場合に、両側に歯切りを有する歯付きベルトの同一の歯への最大負荷の繰り返しを回避することである。

代替的な実施形態においては、互いに係合する歯車によって、クランク軸の同位相の連結を行うことができ、歯車は、クランク軸の主軸受の間、又は、クランク軸のそれぞれの主軸受を越えて突出する軸端部に配置されている。歯車は、直線歯切りの若しくは斜め歯切りの平歯車又は締め付けられた歯車（シザーズギア又はハンティングギア）とすることができる。４つのピストンを備えた往復ピストンエンジンの実施形態において、それぞれ２つのピストンが２７０°のクランクピン変位においてコネクティングロッドによって同一のクランク軸と結合されている場合に、スクエア４気筒（ｓｑｕａｒｅ−ｆｏｕｒ）としての配置が、特に好ましいと明らかにすることができる。言い換えると、シリンダのタンデム配置は、上述したスクエア４気筒配置が生じるように二重にされ、クランク軸あたりそれぞれ２つのシリンダが直列に配置されている。２７０°のクランクピン変位を備えたクランク軸は二次の慣性力を発生させず、シリンダ軸平面内で働く二次のモーメントを発生させる。したがって「スクエア４気筒（ｓｑｕａｒｅ−ｆｏｕｒ）」の対角線上に対向して配置されたピストンの死点が同時に達成される場合に、２つのクランク軸のモーメントが相殺される。したがって二次の力又はモーメントのための他の均衡手段は不要である。

シリンダ配置は−タンデムであっても、「スクエア４気筒（ｓｑｕａｒｅ−ｆｏｕｒ）」形式であっても−互いに対して平行であるか、又は、シリンダあたり互いに対して１°から１５°の間、好ましくは４°から８°の間の傾斜角度で傾斜することができる。

本発明の他の変形例において、各シリンダは排出通路と流体接続されており、シリンダの排出通路は共通の中央の排ガス通路内へ連通している。排出通路は、同一の長さを有することができる。中央の排ガス通路は、好ましくはエンジン中央平面内に配置されている。エンジン中央平面は、クランク軸の軸線に対して平行にシリンダの間に延びており、且つ、クランク軸の軸線に対してそれぞれ等しい間隔を有している。排出通路のこの形態によって、好ましくは、シリンダ、特に排出弁と、付加ユニット、例えば排ガスターボチャージャのタービンとの間の区間を比較的短く形成することができる。すなわち利用可能なエンタルピーの比較的多くを、付加ユニットの動作のために利用することができる。さらに、従来の比較的重い排気マニホールドを省くことができる。このことが、往復ピストンエンジンの重量を低減する。さらに、シリンダヘッドに対する排気マニホールドの複雑な結合を回避することができ、したがってシリンダヘッドはコンパクトに構築される。中央の排ガス通路内に、エアギャップ絶縁されたポートライナーを配置することができる。

中央の排ガス通路には、排ガスターボチャージャが直接接続されている。このようにこの排ガスターボチャージャは、高い効率で作動されて、往復ピストンエンジンの出力を高める。

以下、添付した図式的な図面を参照しながら実施例を用いて他の詳細と共に本発明を詳しく説明する。

Ｖ字状に配置されたジェネレータを備えたパワーユニットを示す正面図である。 水平に配置されたジェネレータを備えた本発明に係る実施例のパワーユニットを示す正面図である。 図１及び図２に示す、排ガスターボチャージャを備えたパワーユニットのシリンダヘッドを示す断面図である。 両側に歯切りを有する歯付きベルトを介して騒音が少ないように結合されたクランク軸の図式的な表示である。

図１及び図２に示す実施例に基づいて図式的に示すパワーユニットは、タンデム形式で配置された２つのシリンダ１及び２（図１を参照）を有していて、シリンダ内にピストンが案内され、例えば４ストローク動作においてコネクティングロッド５若しくは６を介してそれぞれクランク軸７及び８を駆動する。クランク軸７、８上に歯車９若しくは１０（図２を参照）が配置されており、歯車は互いに係合し且つそのようにして機械的に同位相で連結されたクランク軸７若しくは８の逆回転の駆動をもたらす。好ましくは歯車９若しくは１０は、クランク軸の主軸受の間に（主軸受は図示されていない）、又は、それぞれの主軸受を越えて突出する、クランク軸の軸ピン（同様に図面には示されていない）上に、配置されている。歯車は、直線歯切りの若しくは斜め歯切りの平歯車として、又は、また締め付けられた歯車として形成することができる。

代替的に、クランク軸７及び８の駆動結合は、クランク軸７及び８を連結するために互いに直接係合する、歯付きクランクウェブを介して行うこともできる。図４に図式的に示す他の代替案は、クランク軸の連結が両側に歯切りを有する歯付きベルト３３を介して行われ、摩耗を減少させ且つ滑らかに稼働させるために、歯付きベルト３３の歯切りを歯車９、１０の歯切りに対して異なる歯数で設けることが特に効果的である。特に、歯付きベルト３３は、両側に、クランク軸７及び８の歯車９、１０よりも１から５、好ましくは４多い歯を有することができる。それによってピストン回転の死点において歯付きベルト３３のそれぞれ異なる歯がクランク軸７及び８の歯車９若しくは１０の歯と係合することになる。したがってガス交換力が常に同一の歯車ペアに働くことが、回避される。また、クランク軸７、８を騒音が少ないように連結するために、歯付きクランクウェブ３４、３５と組み合わせて、両側に歯切りを有する歯付きベルト３３を使用することも、可能である。

図面には示されていないが、当業者にとっては容易に考えをたどって理解できるように、図１の図面表示において互いに平行な軸線に配置されているシリンダは、シリンダの互いに対する軸間隔が２つのクランク軸７及び８の軸の間の間隔よりも小さくなるように、内側へ向いた変位を有することができる。シリンダのこの背圧側へ変位した配置によって、コンパクトな構造が得られるだけでなく、特にまた、コネクティングロッド５若しくは６と、動作中に変位のために異なる若しくはより小さいそれら斜めの位置とを越えて、ピストンへの力の導入が少なくなり、それに伴ってシリンダ内でのピストンの稼働がより容易になり且つ摩耗が減少する。

図１及び図２に示す実施例は、２つのジェネレータの配置において異なっている。図１によれば、ジェネレータ１１、１２は、対応するクランク軸７、８と共にＶ字状に配置されており、ジェネレータ１１、１２の中心軸線の間隔は、クランク軸７、８の軸間隔よりも大きい。図２においては、ジェネレータ１１、１２は、クランク軸７、８と同一の水平平面に配置されている。往復ピストンエンジンの構造についての上述した説明と後述する説明は、２つの実施形態について当てはまる。

ジェネレータ１１、１２は、それぞれバランスウェイト１３、１４を有することを特徴としている。バランスウェイト１３、１４は、図に見られるように、ピストン３、４の上死点位置において、等しい角度で、すなわち互いに対して回動せずに、配置されている。バランスウェイト１３、１４は、２つのジェネレータ１１、１２の駆動軸又は駆動ピニオン１５、１６内に統合されている。これは例えば、それぞれの駆動ピニオン１５、１６若しくは駆動軸と結合されている、偏心して配置されたウェイトによって行うことができる。他のジェネレータ側に相補的に配置されたカウンターウェイトは、図には示されていないが、それらは往復ピストンエンジンの横軸回りのモーメントの均衡を保つ役目を果たす。バランスウェイト１３、１４は、二次慣性力の釣り合いをもたらし、それによって往復ピストンエンジンの安定性が著しく改良される。２つのジェネレータ１１、１２の駆動は、歯付きベルト若しくは一般的にトラクション手段１７、１８によって行われ、これらは、一方では、それぞれのクランク軸７、８内のクランクウェブと、及び、他方では、それぞれのジェネレータ１１、１２の駆動ピニオン１５、１６と係合する。歯付きクランクウェブの代わりに、チェーンホイールもクランク軸と相対回動不能に結合することができ、これらはトラクション手段へのモーメントの伝達をもたらす。

図１に示すカム軸の駆動は、第２のクランク軸８と結合された駆動ホイールによって行われ、駆動ホイールはトラクション手段を介してカム軸と結合されている。さらに、オイルポンプが設けられており、オイルポンプは他の、すなわち第１のクランク軸７によって、特にトラクション手段によって、駆動される。

上述した実施形態は、図２の実施例について同様に当てはまる。

図１及び図２に示す２つの実施例に従って形成された２つのパワーユニットは、往復ピストンエンジンのシリンダヘッドの領域内に排出通路１９、２０を有することができ、排出通路はシリンダ１、２と流体接続されている。排出通路１９、２０は、共通の排ガス通路２１内へ連通することができる。排出通路１９、２０及び排ガス通路２１の配置の例が、図３に示されている。

排出通路１９、２０は、それぞれ同一の長さを有しているので、排ガス通路２１は実質的にシリンダ１、２の間の中央に、若しくは、シリンダ１、２のシリンダヘッドの間の中央に配置されている。シリンダヘッド内に、それぞれ流入弁２３、２４が配置されており、流入弁は流入通路２５、２６からシリンダ１、２内への燃料混合気の流入を制御する。排出通路１９、２０には排出弁２７、２８が対応づけられており、排出弁はシリンダ１、２から排出通路１９、２０内への、及び、さらに排ガス通路２１内への燃焼ガス混合気の排出を制御する。排ガス通路２１は、通路出口２２において終了している。

通路出口２２に、排ガスターボチャージャ２９を接続することができる。排ガスターボチャージャは、好ましくは直接通路出口２２にフランジ止めされている。排ガスターボチャージャ２９のタービン３０は、排ガス通路２１から流出する燃焼ガスの排出流内に位置していて、圧縮器３１を駆動し、圧縮器は往復ピストンエンジンの空気案内通路３２内に配置されている。

１、２ シリンダ
３、４ ピストン
５、６ コネクティングロッド
７、８ クランク軸
９、１０ 歯車
１１、１２ ジェネレータ
１３、１４ バランスウェイト
１５、１６ 駆動ピニオン
１７、１８ トラクション手段
１９、２０ 排出通路
２１ 排ガス通路
２２ 通路出口
２３、２４ 流入弁
２５、２６ 流入通路
２７、２８ 排出弁
２９ 排ガスターボチャージャ
３０ タービン
３１ 圧縮器
３２ 空気案内通路
３３ 歯付きベルト
３４、３５ クランクウェブ

Claims (18)

1. 往復ピストンエンジンを備えた、且つ、それと駆動結合可能なジェネレータを備えた、特にハイブリッド車のための、パワーユニットであって、前記往復ピストンエンジンが、少なくとも２つのシリンダ（１、２）内でタンデム配置に案内される、少なくとも２つのピストン（３、４）と、コネクティングロッド（５、６）によって前記ピストン（３、４）と結合される、機械的に同位相で連結された、２つの逆回転するクランク軸（７、８）と、を有しており、
   第１のジェネレータ（１１）が第１のクランク軸（７）によって、且つ、第２のジェネレータ（１２）が第２のクランク軸（８）によって駆動可能である、ことを特徴とするパワーユニット。
2. 前記ジェネレータ（１１、１２）が、それぞれのクランク軸（７、８）と、歯車伝動装置によって、又は、トラクション手段によって結合されている、ことを特徴とする請求項１に記載のパワーユニット。
3. 前記第１のジェネレータ（１１）と前記第２のクランク軸（８）とが、及び、前記第２のジェネレータ（１２）と前記第１のクランク軸（７）とが、それぞれ逆方向に２：１の回転数比で回転し、前記ジェネレータ（１１、１２）がそれぞれ少なくとも１つのアンバランス（１３、１４）を有し且つバランス軸として働く、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーユニット。
4. 前記歯車伝動装置が、それぞれのジェネレータ（１１、１２）の駆動ピニオン（１５、１６）と連結される、歯付きクランクウェブを備えている、ことを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載のパワーユニット。
5. 前記歯車伝動装置が、対応するクランク軸（７、８）の主軸受を越えて突出する軸ピンと相対回動不能に結合され、且つ、それぞれのジェネレータ（１１、１２）の駆動ピニオンと連結される、少なくとも１つの歯車を備えている、ことを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載のパワーユニット。
6. 前記トラクション手段が、チェーン若しくは歯付きチェーン又は歯付きベルトを備えている、ことを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載のパワーユニット。
7. 第１のトラクション手段（１７）が、前記第１のジェネレータ（１１）を前記第１のクランク軸（７）と、及び、第２のトラクション手段（１８）が前記第２のジェネレータ（１２）を前記第２のクランク軸（８）と結合する、ことを特徴とする請求項６に記載のパワーユニット。
8. 両側において前記ジェネレータ（１１、１２）が前記クランク軸（７、８）の隣に配置されており、前記クランク軸の軸線が主軸受を通って仮想的な基準面にわたっており、前記ジェネレータの軸線が前記基準面内に、又は、前記基準面の上方において前記クランク軸と前記ピストン（３、４）の上死点との間に、配置されている、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のパワーユニット。
9. 前記シリンダ（１、２）が背圧側に変位しており、前記クランク軸（７、８）が位相シフトして配置されるカウンターウェイトを有している、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のパワーユニット。
10. 点火間隔が、特に４ストローク動作において、０°クランク角度である、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のパワーユニット。
11. 前記クランク軸（７、８）が、前記クランク軸（７、８）を連結するために互いに係合している歯付きクランクウェブを有している、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のパワーユニット。
12. 前記クランク軸（７、８）が、前記クランク軸（７、８）を連結するために互いに係合している歯車を有しており、前記歯車が、前記クランク軸（７、８）の主軸受の間に、又は、前記クランク軸（７、８）のそれぞれの主軸受を越えて突出する軸ピンに、配置されている、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のパワーユニット。
13. ４つのピストンは、４つのシリンダ内で四角形配置（スクエア４気筒）に案内され、そのうちのそれぞれ２つのピストンがコネクティングロッドによって同一のクランク軸と結合されており、クランクピン変位が２７０°であり、且つ、対角線上に対向して配置されたピストン（３、４）が同時に死点に達する、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のパワーユニット。
14. 各シリンダ（１、２）が排出通路（１９、２０）と流体接続されており、前記シリンダ（１、２）の排出通路（１９、２０）が共通の中央の排ガス通路（２１）内へ連通している、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のパワーユニット。
15. 前記排ガス通路（２１）に、特に直接的に、排ガスターボチャージャ（２９）が接続されている、ことを特徴とする請求項１４に記載のパワーユニット。
16. 前記クランク軸（７、８）が、前記クランク軸（７、８）を連結するために両側に歯切りを有する歯付きベルト（３３）を介して互いに回転結合される、歯車（９、１０）又は歯付きクランクウェブ（３４、３５）を有しており、前記歯付きベルト（３３）が前記歯車（９、１０）の１つ、又は、前記クランクウェブ（３４、３５）の１つに巻付いている、ことを特徴とする請求項４から１５のいずれか１項に記載のパワーユニット。
17. 前記両側に歯切りを有する歯付きベルト（３３）が、前記第２のクランク軸（８）の歯車（１０）の歯又はクランクウェブ（３５）よりも２から４多くの歯を有している、ことを特徴とする請求項１６に記載のパワーユニット。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載のパワーユニットを備えた車、特にハイブリッド車。

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