DE102005039281A1

DE102005039281A1 - Hybridantrieb für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102005039281A1
Application number: DE102005039281A
Authority: DE
Inventors: Michael Baeuerle; Klaus Ries-Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug, welcher eine Verbrennungsmaschine als Hauptantrieb und eine mit der Verbrennungsmaschine über eine Kupplung verbundene Druckluftmaschine als weiteren Antrieb aufweist. Die Verbrennungsmaschine und die Druckluftmaschine sind über ein Getriebe mit der Abtriebswelle des Fahrzeugs verbunden. Weiterhin ist die Druckluftmaschine über ein Ventil mit einem Druckluftspeicher verbunden. Das Ventil ist mit einem Steuergerät verbunden, das zur Generierung von Steuersignalen für das Ventil vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug.

Ein hoher Prozentsatz herkömmlicher Kraftfahrzeuge wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben. Bei diesen Kraftfahrzeugen kann die Bremsenergie nicht genutzt werden, da abgesehen von der Starterbatterie kein weiterer Energiespeicher vorgesehen ist, in welchem rückgewonnene Energie abgespeichert werden könnte.

Weiterhin ist es bereits bekannt, Kraftfahrzeuge mittels eines Hybridantriebes anzutreiben. Herkömmliche Hybridantriebe weisen einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor auf, die während des Betriebes des jeweiligen Kraftfahrzeugs individuell zu- und abgeschaltet werden können. Bisherige Hybridantriebe sind recht kostspielig. Dies ist im wesentlichen durch die verwendete Speichertechnik und die Leistungselektronik bedingt.

Aus der DE 101 48 213 B4 sind ein Fahrzeug mit Hauptantriebsmotor, Kompressor und Stromquelle sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Fahrzeugs bekannt. Das Fahrzeug ist mit einem Hauptantriebsmotor und einem Elektromotor versehen. Der Hauptantriebsmotor und der Elektromotor sind über einen jeweils zugehörigen Eingangstrieb mit einem leistungsverzweigten Getriebe verbunden. Dieses weist zwei Ausgangstriebe auf. Einer dieser Ausgangstriebe ist mit den Fahrzeugrädern verbunden, der andere mit einem Luftpresse. Der Elektromotor wird aus einer Brennstoffzelle elektrisch gespeist. Der Luftpresser komprimiert Umgebungsluft, die den Zellen der Brennstoffzelle und einem Reformer als sauerstofftragende Prozessluft zugeführt ist. Weiterhin ist ein zusätzlicher Luftpresser vorgesehen, der bei erhöhtem Druckluftbedarf im Fahrbetrieb und auch bei stehendem und/oder leer laufendem Hauptantriebsmotor beim Auftreten von Druckluftbedarf automatisch zugeschaltet wird. Der zusätzliche Luftpresser wird im Startbetrieb des Fahrzeugs oder vor der Inbetriebnahme des Fahrzeugs zum Füllen der Druckluftanlage zugeschaltet. Die Luftpresser dienen unter anderem auch zur Versorgung einer pneumatischen Bremse und einer pneumatischen Niveausteuereinrichtung mit Druckluft. Das Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass der Luftpresser wahlweise vom Hauptantriebsmotor oder vom Elektromotor des Fahrzeugs angetrieben wird.

Aus der DE 36 38 881 A1 ist ein Hybrid-Antriebssystem bekannt, welches mit Speicherkomponenten zum Speichern von alternativen Energien, mit Eingangs- und Ausgangsmitteln zum Zu- und Abführen von Energie und mit Steuermitteln zum Verteilen und Regeln von Ein- und Ausgangsenergie und der Zuteilung auf die Speicherkomponenten versehen ist. Die Speicherkomponenten umfassen einen Akkumulatorsatz zum direkten Speichern elektrischer Energie, Gyro-Komponenten zum Speichern kinetischer Energie und einen Speicher zum Speichern potentieller mechanischer Energie. Der Speicher für potentielle mechanische Energie umfasst einen Druckluftspeicher, einen Druckluftmotor und einen Hochdruckverstärker. Die genannten Speicherkomponenten sind über die Eingangs- und Ausgangsmittel durch die Steuermittel alternativ oder gleichzeitig aufladbar und entladbar. Die Steuermittel umfassen einen Vier-Quadrantentrieb, über welchen die genannten Speicherkomponenten miteinander gekoppelt sind. Der Ausgang des Vier-Quadrantentriebs ist über eine kontinuierlich variable Transmission zum Verbraucher geführt, bei dem es sich um die Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs mit vorge schaltetem Differential mit Planetengetriebe handeln kann.

Vorteile der Erfindung

Ein Hybridantrieb gemäß der Erfindung stellt eine deutlich kostengünstigere Alternative zu den vorbekannten Hybridantrieben dar. Gemäß der Erfindung liegt ein Hybridantrieb vor, der als Hauptantriebseinheit eine Verbrennungsmaschine und als weitere Antriebseinheit eine Druckluftmaschine enthält. Der der Druckluftmaschine zugeordnete Druckluftspeicher ermöglicht im Schiebebetrieb und bei Bremsvorgängen eine Energiespeicherung bzw. einen Druckaufbau im Sinne einer Rekuperation und im Fahrbetrieb einen kurzzeitigen Betrieb des Fahrzeugs durch eine Energieabgabe im Sinne eines Druckabbaus.

Durch die Verwendung einer Druckluftmaschine als weitere Antriebseinheit eines Hybridantriebs werden Kosten eingespart, da Standardtechnologien und preiswerte Standardbauelemente verwendet werden können. Es kommt ein verschleißfreies Speichermedium mit unbegrenzter Zyklenfähigkeit zum Einsatz. Eine Rekuperation bzw. Speicherung der Bremsenergie im Verzögerungsbetrieb kann über einen längeren Zeitraum mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden. Es tritt keine Einschränkung der. Leistungsfähigkeit des Energiespeichers über der Umgebungstemperatur auf. Weiterhin kann ein Start des Motors des Fahrzeugs ohne Verwendung eines Anlassers durchgeführt werden. Ferner ist ein problemloses Recycling der Bestandteile der Druckluftmaschine möglich.

Die im Druckluftspeicher enthaltene Druckluft kann in vorteilhafter Weise auch zur Beschleunigung eines Turboladers eines Fahrzeugs verwendet werden. Ferner kann die Druckluft sowohl im Fahrbetrieb als auch bei stehendem Fahrzeug weiteren Aggregaten des Fahrzeugs zugeleitet werden, um diese anzutreiben.

In vorteilhafter Weise weist der Hybridantrieb insgesamt n Zylinder auf, wobei ein Teil dieser Zylinder der Verbrennungsmaschine und die restlichen Zylinder der Druckluftmaschine zugeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Verdichtung der der Druckluftmaschine zugeordneten Zylinder wesentlich höher sein kann als die Verdichtung der der Verbrennungsmaschine zugeordneten Zylinder. Vorzugsweise hat das Verdichtungsverhältnis der der Druckluftmaschine zugeordneten Zylinder einen Wert, der größer oder gleich 25 ist.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figur.

Zeichnung
Die 1 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung eines Hybridantriebs gemäß der Erfindung
Beschreibung
Die 1 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung eines Hybridantriebs gemäß der Erfindung.
Der dargestellte Hybridantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, weist als Hauptantriebseinheit eine Verbrennungsmaschine 1 auf, der beispielsweise vier Zylinder 11 zugeordnet sind. Weiterhin enthält der dargestellte Hybridantrieb als weitere Antriebseinheit eine Druckluftmaschine 2, die über eine Kupplung 3 mit der Verbrennungsmaschine 1 verbunden ist.
Die Druckluftmaschine 2 ist als Druckluftmotor und als Luftkompressor betreibbar. Der Druckluftmaschine sind zwei Zylinder 12 zugeordnet. Allgemein gilt die folgende Beziehung: n = m + p,wobei n = Gesamtzahl der Zylinder, m = Zahl der der Verbrennungsmaschine zugeordneten Zylinder und p = Zahl der der Druckluftmaschine zugeordneten Zylinder.
Die Zylinder 12 der Druckluftmaschine haben eine höhere Verdichtung als die Zylinder 11 der Verbrennungsmaschine. Handelt es sich bei der Verbrennungsmaschine um einen Ottomotor, dann beträgt das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 11 des Ottomotors beispielsweise 12, während das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 12 der Druckluftmaschine mindestens bei 25 liegt. Vorzugsweise hat das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 12 der Druckluftmaschine jedoch einen noch größeren Wert, der beispielsweise bei 50 oder gar bei 100 liegen kann.
Die Zylinder 11 der Verbrennungsmaschine werden im Betrieb des Kraftfahrzeugs in herkömmlicher Weise verwendet. Die Zylinder 12 der Druckluftmaschine sind ausschließlich dazu vorgesehen, eine kompressortypische hohe Verdichtung zu ermöglichen, so dass zu einer effizienten Nutzung des der Druckluftmaschine 2 zugeordneten Druckluftspeichers 6 sehr hohe Luftdrücke realisiert werden können.
Wie aus der 1 hervorgeht, ist der Druckluftspeicher 6 über ein erstes Ventil 8 mit der Druckluftmaschine 2 verbunden. Die Steuerung dieses ersten Ventils 8 erfolgt durch ein Steuergerät 7, welches dem ersten Ventil 8 Steuersignale s1 zuführt, die das erste Ventil je nach Bedarf öffnen oder schließen.
Die Verbrennungsmaschine 1 und die mit dieser über die Kupplung 3 verbundene Druckluftmaschine 2 sind über ein Getriebe 4 mit der Antriebswelle 5 des Kraftfahrzeugs verbunden, über welche die Antriebsräder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden.
Weiterhin ist der Druckluftspeicher 6 über ein zweites Ventil 9 mit einem weiteren Aggregat 10 des Kraftfahrzeugs verbunden. Auch dieses zweite Ventil 9 wird vom Steuergerät 7 gesteuert, welches Steuersignale s3 für das zweite Ventil 9 zur Verfügung stellt. Weiterhin ist das Steuergerät 7 auch mit der Verbrennungsmaschine 1 verbunden, um dieser Steuersignale s2 zuzuführen.
Bei diesem weiteren Aggregat 10 kann es sich um den Katalysator des Kraftfahrzeugs handeln. Diesem wird bei bekannten Kraftfahrzeugen Luft unter Verwendung einer Sekundärluftpumpe zugeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dem Katalysator zwecks einer Aufheizung über das Ventil 9 Druckluft aus dem Druckluftspeicher 6 zugeführt. Dies geschieht dadurch, dass das Druckluftventil bei geöffnetem Auslassventil angesteuert wird. Bei fettem Motorbetrieb kommt es dadurch vor dem bzw. im Katalysator zu exothermen Nachreaktionen.
Bei dem weiteren Aggregat 10 kann es sich auch um den Turbolader des Kraftfahrzeugs handeln. Hierbei öffnet die Steuereinheit 7 über das Steuersignal s3 das zweite Ventil 9, um den Turbolader mit Druckluft zu unterstützen. Diese wird vorzugsweise direkt in den Verdichter des Turboladers eingeblasen.
Ferner wird der Druckluftspeicher 6 auch zu einem Start des Kraftfahrzeugs verwendet, ohne dass ein Anlasser benötigt wird. Durch ein Öffnen des ersten Ventils 8 im Motormodus der Druckluftmaschine 2 kann der Verbrennungsmotor aus dem Stand beschleunigt werden, so dass es eines Anlassers nicht bedarf.
Alternativ oder zusätzlich zu den obigen Beispielen für das weitere Aggregat 10 können auch das Bremsensystem des Kraftfahrzeugs, eine pneumatische Handbremse, eine Zusatz-Druckluftwasserpumpe, ein Klimakompressor, die Zentralverriegelung des Kraftfahrzeugs, die Luftfederung sowie weitere Aktuatoren und Komponenten, die beim Stand der Technik elektrisch oder hydraulisch betrieben werden, mittels Druckluft angesteuert werden.
Beispielsweise können ein aktives Fahrwerk bzw. die Stoßdämpfer im Sinne einer Höhen- und Dämpfungsverstellung angesteuert werden. Dazu müssen allerdings zusätzliche Luftkompressoren mitgeführt werden.
Handelt es sich bei dem zusätzlichen Aggregat 10 um einen Klimakompressor, dann ist auch eine Standklimatisierung möglich. Eventuell kann auch die bei der Luftexpansion entstehende Kälte zur Klimatisierung benutzt werden.
Als weitere Alternative ist eine Ansteuerung der Ein- und Auslassventilverstellung mittels Druckluft durchführbar.
Ferner ist durch eine Lufteinblasung in das Aktivkohlefilter eine verbesserte Tankentlüftung erzielbar. Ein Unterdruck im Saugrohr ist dann nicht mehr zwingend notwendig.
Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung weisen – wie bereits oben ausgeführt wurde – die Zylinder 12 der Druckluftmaschine 2 ein hohes Verdichtungsverhältnis auf, so dass mittels des Druckluftspeichers 6 hohe Luftdrucke realisiert werden können. Der Ventiltrieb erfolgt dabei in einfacher Weise mechanisch über einen Nockentrieb, beispielsweise den SOHC-Nockentrieb. Dieser betätigt ein mit der Umgebung kommunizierendes Hochdruckventil. Dabei wird der Betriebsmodus durch ein Steuerdiagramm definiert, unter dessen Verwendung sich mittels eines Camphasers zwischen Kompressor- und Motormodus umschalten lässt. Die Nockenwelle der Druckluftmaschine 2 läuft mit i = 1 synchron zur Kurbelwelle des Kraftfahrzeugs. Dabei erfolgt im Kompressorbetrieb ein Öffnen und Schließen eines Niederdruckventils synchron mit der Abwärtsbewegung eines Kolbens. Das Hochdruckventil wird synchron mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens gesteuert. Im Motorbetrieb der Druckluftmaschine 2 erfolgt eine Phasenverschiebung um 180° Kurbelwinkel derart, dass das Hochdruckventil synchron mit der Abwärtsbewegung des Kolbens und das Niederdruckventil synchron mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens gesteuert wird.
Da die Druckluftmaschine gemäß der Erfindung nur bei vergleichsweise geringen Drehzahlen betrieben wird, kann auch ein OHV-Ventiltrieb verwendet werden, bei dem die Abschaltung des Ventiltriebs besonders einfach realisiert werden kann. Dies reduziert die Kosten eines Hybridantriebs.
Im Hinblick auf ihre geometrischen Ausführungen können die oben genannten Ventile ebenso ausgebildet sein, wie es bei Hubkolbenkompressoren allgemein bekannter Stand der Technik ist.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Druckluftmaschine in den Motorölkreislauf einzubinden. Dies hat den Vorteil, dass kein separater Schmierkreis notwendig ist.
Der Gegenstand der Erfindung ist grundsätzlich im Zusammenhang mit allen Antriebsstrangkonzepten bekannter Hybridantriebe einsetzbar, beispielsweise bei einem Antriebsstrangkonzept mit Leistungsverzweigung oder bei einem Antriebsstrangkonzept mit parallelen Antriebssträngen.
Eine Ausführungsform besteht darin, die Druckluftmaschine im Getriebeeingang (Kupplungsglocke) fest mit der Getriebeeingangswelle zu verbinden und den Kraftschluss zum Motor mittels einer Schaltkupplung zu erreichen.
Die Versorgung der Druckluftmaschine 2 erfolgt – wie oben ausgeführt wurde – durch Druckluft, die von einem Druckluftspeicher 6 zur Verfügung gestellt wird. Je nach gewünschter Speicherkapazität kann ein Drucklufttank mit bis zu 300 bar und bis zu 200 l realisiert werden. Bei 200 bar ergibt sich eine ähnliche Energiedichte wie bei NiMH-Batterien, wobei diese Energiedichte bei ca. 5 Wh/kg liegt.
Im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs kann mittels der Druckluftmaschine das Anfahren des Fahrzeugs erfolgen, ein Fahren im Stop-and-Go-Betrieb im Sinne eines Segelns und auch ein Beschleunigen mit Unterstützung der Verbrennungsmaschine im Sinne einer Boostfunktion.

1: Verbrennungsmaschine
2: Druckluftmaschine
3: Kupplung
4: Getriebe
5: Abtriebswelle
6: Druckluftspeicher
7: Steuergerät
8: Ventil
9: Ventil
10: weiteres Aggregat
11: Zylinder der Verbrennungsmaschine
12: Zylinder der Druckluftmaschine
s1: Steuersignal
s2: Steuersignal
s3: Steuersignal

Claims

Hybridantrieb für ein Fahrzeug, welcher eine Verbrennungsmaschine und eine mit der Verbrennungsmaschine über eine Kupplung verbundene Druckluftmaschine aufweist, wobei – die Verbrennungsmaschine (1) und die Druckluftmaschine (2) über ein Getriebe (4) mit der Abtriebswelle (5) des Fahrzeugs verbunden sind, – die Druckluftmaschine (2) über ein Ventil (8) mit einem Druckluftspeicher (6) verbunden ist und – das Ventil (8) mit einem Steuergerät (7) verbunden ist, das zur Generierung von Steuersignalen (s1) für das Ventil (8) vorgesehen ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (7) weiterhin mit der Verbrennungsmaschine (1) verbunden und zur Generierung von Steuersignalen (s2) für die Verbrennungsmaschine vorgesehen ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Druckluftspeicher (6) herrschende Luftdruck im Schiebebetrieb und bei Bremsvorgängen des Fahrzeugs im Sinne einer Energierückgewinnung erhöht wird.
Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftspeicher (6) über ein zweites Ventil (9) mit einem weiteren Aggregat (10) des Fahrzeugs verbunden ist, das zweite Ventil (9) mit dem Steuergerät (7) verbunden ist und das Steuergerät (7) zur Generierung von Steuersignalen (s3) für das zweite Ventil (9) vorgesehen ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Aggregat (10) ein Turbolader des Fahrzeugs ist und das Steuergerät (7) beim Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs das zweite Ventil (9) öffnet, um den Turbolader mit Druckluft zu unterstützen.
Hybridantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft direkt in den Verdichter des Turboladers eingeblasen wird.
Hybridantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Aggregat (10) der Katalysator des Fahrzeugs ist und das Steuergerät (7) das zweite Ventil (9) öffnet, um den Katalysator mittels eingeblasener Luft und Gemischanfettung zu heizen.
Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) bei einem Startvorgang im Motormodus der Luftmaschine das erste Ventil (8) öffnet, um den Verbrennungsmotor zu beschleunigen.
Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug n Zylinder aufweist, der Verbrennungsmaschine m dieser Zylinder und der Druckluftmaschine p dieser Zylinder zugeordnet sind, wobei gilt: n = m + p.
Hybridantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (12) der Druckluftmaschine (2) eine höhere Verdichtung aufweisen als die Zylinder (11) der Verbrennungsmaschine (1).
Hybridantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis der Zylinder (12) der Druckluftmaschine größer als 25 ist.