DE19745810A1

DE19745810A1 - Free-piston IC engine for compact city vehicle

Info

Publication number: DE19745810A1
Application number: DE19745810A
Authority: DE
Inventors: Gerold Ing Grad Bieber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 1998-05-14

Abstract

The drive unit uses a free piston engine acting as an energy converter (9), for direct conversion of fuel energy into hydraulic energy via a combustion process. The hydraulic energy is fed to high pressure and low pressure storage systems (10,11) for operation of hydraulic motors (19), for rotation of the driven vehicle wheels (6). The hydraulic motors may be coupled to the driven rear wheels of the vehicle via planetary gearings (21), with control of the vehicle via an accelerator pedal and a brake pedal, coupled to an electronic control device, with integrated recovery of the braking energy.

Description

Die Erfindung betrifft die Anordnung und den Betrieb einer Freikolbenbrennkraftmaschine zum Erzeugen hydraulischer Energie für ein kompaktes ca. 2.5 m langes Stadtautos nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to the arrangement and operation of a free-piston internal combustion engine to generate hydraulic energy for a compact, approx. 2.5 m long city car after the Preamble of claim 1.

Der Verkehrs- und Parkraum in Städten und Ballungsräumen ist sehr begrenzt und ein wichtiges zu lösendes Problem der automobilen Gesellschaft. Deshalb sollten Autos, die in den Städten verkehren, möglichst wenig Verkehrsfläche benötigen. Eine Fahrzeuglänge von 2.5 m wäre eine gutes Ziel, da dies ausreichen würde vorhandenen Parkplätze quer zu nutzen und statt einem drei Pkw zu parken. Ein weiterer Vorteil eines nur 2,5 m langen Fahrzeuges wäre die ein fache Möglichkeit der Verladung in der Bahn, wie sie z. B. im Jahre 1990 im Buch mit dem Titel "Ausfahrt Zukunft" von Frederic Vesters vorgeschlagen wurde (Wilhelm Heyne Verlag).The traffic and parking space in cities and metropolitan areas is very limited and one important problem to be solved by automotive society. Therefore, cars that are in the Traffic cities, need as little traffic space as possible. A vehicle length of 2.5 m would be a good goal, as this would be sufficient to use existing parking spaces and instead to park a three car. Another advantage of a vehicle that is only 2.5 m long would be the one fold possibility of loading in the train, as z. B. in 1990 in the book entitled "Exit future" was proposed by Frederic Vesters (Wilhelm Heyne Verlag).

Ein erstes 2.5 m langes Fahrzeug für 2 Personen wurde auf der IAA 1997 in Frankfurt mit dem "Smart" der Firma Micro Compact Car GmbH vorgestellt und soll ab 1998 in Serie gebaut werden.The first 2.5 m vehicle for 2 people was launched at the IAA 1997 in Frankfurt with the "Smart" presented by the company Micro Compact Car GmbH and is to be built in series from 1998 will.

Bekannte kompakte Stadtautos haben eine Reihe von Nachteilen wie:
Known compact city cars have a number of disadvantages such as:

- Sie sind nur für 2 Personen geeignet.
Obwohl in vielen Fahrzeugen statistisch gesehen nur 1 bis 2 Personen sitzen, ist die Möglich keit bei Bedarf weitere Personen mitnehmen zu können für viele Käufer wichtig. Um weitere Sitzplätze in der geforderten Länge von 2.5 m zu ermöglichen, müßte der Boden im Fahrgast raum eben sein und über die ganze Fahrzeuglänge gehen. Damit bleibt sowohl für den Fahr zeugantrieb als auch für die anderen notigen Aggregate nur der Platz unter dem Fahrgastraum. Eine Anhebung des Fußbodens, wie beim "Smart" teilweise realisiert, bringt wegen der nötigen Bauhöhe des Antriebsmotors keine Lösung. Nur sehr flache Antriebsaggregate können die nötige Verbesserung bringen. Die heute verwendeten Verbrennungsmotoren mit ihren Schalt getrieben sind hierzu nicht geeignet.- They are only suitable for 2 people.
Although statistically only 1 or 2 people sit in many vehicles, it is important for many buyers to be able to take additional people with them if necessary. In order to allow additional seats of the required length of 2.5 m, the floor in the passenger compartment would have to be level and extend over the entire length of the vehicle. This leaves only the space under the passenger compartment for the vehicle drive as well as for the other necessary units. Raising the floor, as partially realized with the "Smart", does not provide a solution due to the necessary height of the drive motor. Only very flat drive units can bring the necessary improvement. The internal combustion engines used today with their gearboxes are not suitable for this.
- Sicherheitsanforderungen
Um die Sicherheitsforderungen erfüllen zu können, ist eine extrem steife Fahrgastzelle nötig. Es darf kein Aggregat (Motor, Getriebe, Lenkung etc.) bei einer Kollision in den Fahrgast raum eindringen. Diese Forderung zwingt dazu, für zukünftige Stadtautos alle Aggregate unter die Fahrgastzelle zu bringen.- security requirements
An extremely rigid passenger cell is required to meet the safety requirements. In the event of a collision, no unit (engine, transmission, steering, etc.) may penetrate the passenger compartment. This requirement forces all units to be placed under the passenger cell for future city cars.
- Kofferraum
Es sollte ein ausreichend bemessener und flexibel nutzbarer Kofferraum vorhanden sein. Auch dies erfordert einen ebenen Boden über den gesamten Fahrgastraum. Bei Pkws der Van-Klasse und bei den A-Klasse-Fahrzeugen der Mercedes Benz AG ist dies für wesentlich größere Fahrzeuge teilweise verwirklicht.- trunk
There should be a sufficiently dimensioned and flexibly usable trunk. This also requires a level floor over the entire passenger compartment. In van class cars and Mercedes Benz AG A class vehicles, this has been partially achieved for much larger vehicles.
- Kosten
Um eine breite Anwendung kurzer Stadtautos zu erreichen, muß der Kaufpreis für breite Teile der Bevölkerung attraktiv sein und Treibstoffverbrauch, Abgasemissionen sowie Geräusch müssen gering sein. - costs
To achieve widespread use of short city cars, the purchase price must be attractive to large sections of the population, and fuel consumption, exhaust emissions and noise must be low.
- Komfort
Der heute üblichen Komfort bzgl. Platz- und Sitzkomfort, Klimaanlage, Servounterstützung bei den Lenk- und Bremskräfte muß möglich sein.- Comfort
Today's usual comfort in terms of space and seating comfort, air conditioning, power assistance for the steering and braking forces must be possible.

Bei bekannten Fahrzeugkonzepten ist die Masse und der Bauraum des Motor-Getriebeblockes eine schwierig unterzubringende Einheit. Es gibt Fahrzeuge mit Vorder- oder Hinterradantrieb. Der Motor-Getriebeblock ist fast immer in der Nähe der Vorderräder untergebracht und ragt wegen seiner Bauhöhe deutlich über den Boden des Fahrgastraum-s. Deshalb verringert die Baulänge des Motor-Getriebeblockes die Länge der Fahrgastzelle und es besteht die Gefahr, daß bei einem Unfall Teile des Motor-Getriebeblockes in die Fahrgastzelle eindringen. Für kleinere Pkw hat sich der Einbau des Motors quer über den Vorderrädern weitgehend durchgesetzt. Der "Smart" hat einen zwischen den Hinterrädern und unter dem Kofferraum angeordneten Motor- Getriebeblock. Er ist deshalb bei 2.5 m Länge nur ein Zweisitzer mit angehobenem kleinen Kofferraum.In the case of known vehicle concepts, the mass and the installation space of the engine transmission block are a difficult to house unit. There are vehicles with front or rear wheel drive. The engine gearbox is almost always located near the front wheels and protrudes because of its height significantly above the floor of the passenger compartment. Therefore, the Overall length of the engine gearbox block the length of the passenger compartment and there is a risk that in the event of an accident, parts of the engine-transmission block penetrate into the passenger compartment. For smaller ones Cars have largely installed the engine across the front wheels. Of the "Smart" has an engine arranged between the rear wheels and under the trunk Gear block. At 2.5 m in length, it is therefore only a two-seater with a small one raised Trunk.

Wegen Luftwiderstand und Design sind höhere Fahrzeuge nur sehr begrenzt möglich, obwohl die vorher angesprochenen Fahrzeuge (Smart, A-Klasse) mit einem sogenannten Sandwichboden schon in diese Richtung gehen.Due to air resistance and design, higher vehicles are only possible to a very limited extent, although the previously mentioned vehicles (Smart, A-Class) with a so-called Sandwich bottom already go in this direction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das Antriebsaggregat und die übrigen im Fahr zeug nötigen Aggregate nach Anspruch 1 auszuwählen und so anzuordnen, daß ein Fahrgastraum mit ebenem Fußboden über die gesamte Fahrzeuglänge von ca. 2.5 m Länge möglich ist. Es soll ein ca. 200 mm hohes Aggregatemodul entstehen in dem alle für den Antrieb, die Bedienung und für den Komfort nötigen Aggregate eines Stadtautos angeordnet sind.The invention has for its object the drive unit and the rest while driving to select necessary units according to claim 1 and to arrange so that a passenger compartment with a flat floor over the entire vehicle length of approx. 2.5 m length. It should an approx. 200 mm high unit module in which all for the drive, the operation and Aggregates of a city car necessary for comfort are arranged.

Die Aufgabe wird mit den Aggregaten und ihrer Anordnung für ein kompaktes ca. 2.5 m langes Stadtauto mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.The task is carried out with the units and their arrangement for a compact approx. 2.5 m long city car with the features of claim 1 solved. Refinements are the subject of subclaims.

Als Antriebsmotor wird eine im Patent DE 372 73 355 beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen hydraulischer Energie durch eine Freikolbenbrennkraftmaschine vorgeschlagen, die in der weiteren Beschreibung "Energiewandler" genannt wird. Dieser Energiewandler wandelt die chemisch gebundene Energie des Brennstoffes (z. B. Dieselöl) mittels eines verbrennungs motorischen Prozesses direkt in Hydraulikdruck um und speichert die Hydraulikenergie in einem hydropneumatischen Speichersystem mit Nieder- und Hochdruckspeicher. Der Energiewandler wird nur nahe seines Bestpunktes betrieben und arbeitet zwischen vorgegebenem mimalem und maximalem Druck im Hochdruckspeicher. Beim minimalen Druck startet die integrierte Startein richtung den Energiewandler. Wird der maximale Druck erreicht, stellt der Energiewandler ab. Um Schwingungen und den Aufwand zu reduzieren werden zwei sich gegeneinander bewegende Stufenkolben parallel angeordnet. Um eine Bauhöhe von ca. 200 mm bei einer Leistung von ca. 100 KW zu erreichen ist es vorteilhaft den Hochdruck- und Niederdruckspeicher parallel seitlich anzuordnen.A device described in patent DE 372 73 355 is used as the drive motor Generate hydraulic energy through a free piston internal combustion engine proposed in the further description is called "energy converter". This energy converter is changing the chemically bound energy of the fuel (e.g. diesel oil) by means of a combustion motor process directly into hydraulic pressure and stores the hydraulic energy in one hydropneumatic storage system with low and high pressure storage. The energy converter is only operated close to its best point and works between the specified minimum and maximum pressure in the high pressure accumulator. The integrated start-up starts at minimum pressure towards the energy converter. If the maximum pressure is reached, the energy converter switches off. To reduce vibrations and effort, two are moving against each other Step piston arranged in parallel. By a construction height of approx. 200 mm with a performance of approx. To reach 100 KW, it is advantageous to have the high-pressure and low-pressure storage in parallel on the side to arrange.

Der Fahrantrieb erfolgt beispielsweise über einen verstellbaren Hydromotor. Hierbei wird über ein Differential das Motormoment auf die Räder verteilt. Es können sowohl die Vorderräder als auch die Hinterräder angetrieben werden. In der weiteren Beschreibung wird nur noch der Hinterradantrieb beschrieben. Um den Hydromotor in Abmessung und Gewicht klein zu halten ist es vorteilhaft ein Untersetzungsgetriebe zwischen Hydromotor und Differential zu verwenden. The travel drive takes place, for example, via an adjustable hydraulic motor. Here will The engine torque is distributed to the wheels via a differential. It can both the front wheels as well as the rear wheels are driven. In the further description only the Rear wheel drive described. To keep the hydraulic motor small in size and weight it is advantageous to use a reduction gear between the hydraulic motor and the differential.

Der Energiewandler erzeugt einen Hydraulikkreis mit einem Druckbereich zwischen ca. 250 und 350 bar, unabhängig vom Verbrauch des Fahrzeuges.The energy converter creates a hydraulic circuit with a pressure range between approx. 250 and 350 bar, regardless of the consumption of the vehicle.

Besonders vorteilhaft ist es für jedes Rad einen verstellbaren Hydromotor mit Unter setzungsgetriebe zu verwenden. Kompakt und modular wird der Fahrzeugantrieb, wenn zwei Hydromotoren mit dem Rücken zueinander direkt am Energiewandler angebaut werden und die Räder mittels Gelenkwellen angetrieben werden. In diesem Falle entfällt das Differential und es sind keine Hydraulikschläuche zu verlegen. Bei dieser Anordnung können die Untersetzungsge triebe sowohl an den Hydromotoren als auch in den Rädern angeordnet sein. Beim ersten Vor schlag könnten die üblichen Räder und Gelenkwellen mit ihrem Fahrwerk weiter genutzt werden, während beim zweiten Vorschlag sehr viel kleinere und leichtere Gelenkwellen einsetzbar wären, dafür aber die Untersetzungsstufe als Planetengetriebe in die Räder eingebaut werden muß.It is particularly advantageous for each wheel to have an adjustable hydraulic motor with a bottom to use reduction gears. The vehicle drive becomes compact and modular if two Hydromotors with their backs to each other can be attached directly to the energy converter and the Wheels are driven by means of cardan shafts. In this case the differential and it are eliminated there are no hydraulic hoses to be laid. With this arrangement, the reduction gear drives can be arranged both on the hydraulic motors and in the wheels. The first time the usual wheels and propeller shafts could continue to be used with their chassis, while in the second proposal, much smaller and lighter cardan shafts could be used, but the reduction stage must be installed as a planetary gear in the wheels.

Die Steuerung der Hydromotoren erfolgt z. B. über deren Schwenkwinkel, mit dem das Abtriebsmoment und die Antriebsrichtung einstellbar sind. Die Drehzahl der Hydromotoren stellt sich dann automatisch aus dem vorhandenen Fahrwiderstand und dem eingestellten Abtriebs moment des Hydromotors ein. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist neben dem Bauraum der integrierte Rückwärtsfahrbereich und die Bremsenergierückgewinnung. Diese Steuerung ermög licht eine sehr viel einfachere Fahrzeugbedienung als mit den bekannten und verwendeten Verbrennungsmotoren.The control of the hydraulic motors takes place, for. B. on the swivel angle with which the Output torque and the drive direction are adjustable. The speed of the hydraulic motors then automatically from the existing driving resistance and the set output torque of the hydraulic motor. Another advantage of this arrangement is in addition to the space integrated reverse drive range and brake energy recovery. This control enables light a much easier vehicle operation than with the known and used Internal combustion engines.

Zur Fahrzeugbedienung ist nur ein Beschleunigungs- und Verzögerungspedal nötig. Kupp lungspedal und Schalteinrichtung können entfallen. Auch der Geschwindigkeitsregler ist integrier bar. Die Stellung des Beschleunigungspedals entspricht im einfachsten Fall dem positiven Schwenkwinkel der Hydromotoren und damit dem Abtriebsmoment in Fahrtrichtung.Only an accelerator and decelerator pedal is required to operate the vehicle. Dome The pedal and switching device can be omitted. The speed controller is also integrated bar. In the simplest case, the position of the accelerator pedal corresponds to the positive Swivel angle of the hydraulic motors and thus the output torque in the direction of travel.

Die Stellung des Verzögerungspedal entspricht im einfachsten Fall dem negativen Schwenkwinkel der Hydromotoren und damit dem Bremsmoment bzw. dem Abtriebsmoment entgegen der Fahrtrichtung. Dadurch wird während der Vorwärtsfahrt der Hydromotor zur Pumpe und fördert Hydraulikmedium vom Niederdruck- in den Hochdruckspeicher. Die kinetische Energie des Fahrzeuges wird im Hochdruckspeicher zurückgewonnen ohne die Bremsbeläge zu verschleißen. Ist der Maximaldruck des Hochdruckspeichers erreicht, kann weiter mit den Hydromotoren gebremst werden, wenn das Hydraulikmedium über ein Druckbe grenzungsventil direkt in den Niederdruckspeicher entspannt wird. Um eine Überhitzung des Hydraulikmediums zu vermeiden, kann eine Kühlung vorgesehen werden, oder es wird auf die übliche Reibungsbremse umgeschaltet. Das Reibbremssystem sollte weiter für Notbremsungen und als Reserve erhalten bleiben, könnte aber deutlich einfacher und kleiner werden.In the simplest case, the position of the deceleration pedal corresponds to the negative Swivel angle of the hydraulic motors and thus the braking torque or the output torque against the driving direction. As a result, the hydraulic motor becomes during the forward drive Pumps and conveys hydraulic medium from the low pressure to the high pressure accumulator. The Kinetic energy of the vehicle is recovered in the high pressure accumulator without the Wear brake pads. If the maximum pressure of the high-pressure accumulator is reached, you can continue can be braked with the hydraulic motors if the hydraulic medium has a Druckbe limit valve is released directly into the low pressure accumulator. To overheat the To avoid hydraulic medium, cooling can be provided, or it is on the usual friction brake switched. The friction brake system should continue for emergency braking and be retained as a reserve, but could be much easier and smaller.

Aus oder in den Hydraulikspeicher können für kurze Zeit (z. B. Beschleunigen oder Brem sen) Leistung entnommen oder eingespeist werden die deutlich über der maximalen Leistung des Energiewandlers liegt.From or into the hydraulic accumulator for a short time (e.g. accelerating or braking sen) power is drawn or fed in which is significantly above the maximum power of the Energy converter.

Der elektrische Generator für die Stromversorgung wird bisher vom Verbrennungsmotor angetrieben und arbeitet bei sehr schwierige Bedingungen (ausreichende Stromerzeugung bei Motorleerlauf und keine Stromerzeugung bei geringen Verlusten trotz maxaler Motordrehzahl). Dies führt zu einer Reihe von Kompromissen (Wirkungsgrad nur ca. 50%; Baugröße; Anordnung von der Kurbelwelle des Motors abhängig mit aufwendigem und störanfälligem Antrieb über Keilriemen; ständiges Mitdrehen auch ohne Stromerzeugung; etc.). Wird der elektrische Generator mittels eines Hydromotors aus dem Hydraulikspeicher angetrieben, kann er optimal auf eine Betriebsdrehzahl ausgelegt werden. Er arbeitet nur zwischen dem unteren und oberen Ladungszustand der Batterie. Bei geladener Batterie wird keine Energie verbraucht.The electric generator for the power supply has so far been used by the internal combustion engine driven and works in very difficult conditions (sufficient electricity generation Engine idling and no power generation with low losses despite maximum engine speed). This leads to a number of compromises (efficiency only about 50%; size; arrangement depending on the crankshaft of the engine with a complex and fault-prone drive V-belts; constant turning even without power generation; Etc.). Will the electrical Generator driven by a hydraulic motor from the hydraulic accumulator, he can optimally an operating speed can be designed. It only works between the lower and upper State of charge of the battery. No energy is consumed when the battery is charged.

Vor allem wegen des elektrischen Anlassers ist für den heute üblichen Verbrennungsmotor ist eine leistungsstarke und damit auch schwere Batterie notwendig. Da der Energiewandler keinen Anlasser braucht, kann eine nur auf die Stromversorgung der Lampen, des Radios, der Steuergeräte und sonstiger elektrischer Verbraucher des Fahrzeuges ausgelegte Batterie wesent lich kleiner sein, vor allem weil sie unabhängig vom Betrieb des Energiewandlers wieder geladen werden kann.Mainly because of the electric starter is common for today's internal combustion engine a powerful and therefore heavy battery is necessary. Because the energy converter needs no starter, one can only switch on the power supply for the lamps, the radio, the Control units and other electrical consumers of the vehicle designed battery essential be smaller, mainly because they are recharged regardless of the operation of the energy converter can be.

Für bekannte heute in einem Pkw fast zum Standard gehörende Klimaanlagen gilt fast das Gleiche wie für den elektrischen Generator. Auch sie sollten bei Motorleerlauf schon eine große Kühlleistung bringen, ohne bei hohen Motordrehzählen und wenn sie nicht gebraucht werden zuviel Verluste zu erzeugen. Wird die Klimaanlage aus dem Hydraulikspeicher betrieben, kann sie, ohne daß der Energiewandler arbeitet, Kühlleistung anbieten. Das Kühlaggregat läßt sich zudem sehr viel einfacher, kleiner und kostengünstiger darstellen. Es ist denkbar statt des Kom pressors mit Kurbeltrieb einen Verdichterzylinder zu verwenden.This is almost the case for known air conditioning systems that are almost standard in a car today Same as for the electric generator. They should also be a big one when the engine is idling Bring cooling performance without at high engine speeds and when they are not needed generating too much loss. If the air conditioning system is operated from the hydraulic accumulator, they offer cooling capacity without the energy converter working. The cooling unit can be also represent much easier, smaller and cheaper. It is conceivable instead of the comm pressors with crank drive to use a compressor cylinder.

Ein elektronisches Steuergerät steuert den Energiewandler und das gesamte Energie management und kann die Bedingungen der Ein- und Ausschaltpunkte des Energiewandlers nach einem intelligenten Fahr- und Betriebsmanagement ändern. Beispielhaft seinen genannt:
An electronic control unit controls the energy converter and the entire energy management and can change the conditions of the switch-on and switch-off points of the energy converter according to intelligent driving and operation management. Examples of his:

- Begrenzung der Leistungsabgabe aus dem Hochdruckspeicher auf die Leistungserzeugung des Energiewandlers, wenn über das Beschleunigungspedal bei fast leerem Hochdruckspeicher mehr Leistung gefordert wird als der Energiewandler erzeugen kann. Damit wird ein völliges Leeren des Hochdruckspeichers verhindert.- Limitation of the power output from the high pressure accumulator to the power generation of the Energy converter when using the accelerator pedal when the high-pressure accumulator is almost empty more power is required than the energy converter can produce. It will be a complete one Emptying of the high pressure accumulator prevented.
- Frühzeitigeres Abschaften des Energiewandlers bei hoher Geschwindigkeit und geringem Leistungsbedarf des Fahrzeuges, damit in einer folgenden Abbremsphase mehr Speicher volumen für die Bremsenergierückgewinnung verfügbar ist.- Early shutdown of the energy converter at high speed and low Power requirement of the vehicle, so more memory in a subsequent braking phase volume for brake energy recovery is available.
- Frühzeitiges Einschaften des Energiewandlers bei hohem Leistungsbedarf des Fahrzeuges und niederem Druck im Hochdruckspeicher.- Early engagement of the energy converter when the vehicle needs a lot of power and low pressure in the high pressure accumulator.
- Aufladen der Batterie, während der Funktion Bremsen über die Hydromotoren.- Charging the battery while the brakes are operating via the hydraulic motors.
- Einfacher Geschwindigkeitsregler durch das Beschleunigung- und Verzögerungspedal. Gibt die Stellung des Beschleunigungspedals die gewünschte Beschleunigung und die Stellung des Ver zögerungspedals die gewünschte Verzögerung des Fahrzeuges vor, ergibt dies die einfachste und logischste Art ein Fahrzeug bequem und sicher zu steuern. Es wird nur eines der beiden Pedale betätigt, wenn der Fahrer die Geschwindigkeit des Fahrzeuges erhöhen oder verzögern will. Bei Nichtbetätigung wird die gerade gefahrene Geschwindigkeit gehalten, solange die verfügbare Aggregateleistung ausreicht.- Simple speed controller through the acceleration and deceleration pedal. Give the Position of the accelerator pedal, the desired acceleration and the position of the Ver the desired deceleration of the vehicle, this results in the simplest and most logical way to control a vehicle comfortably and safely. It will only be one of the two Pedals operated when the driver increased or decelerated the vehicle want. If not actuated, the speed just driven is maintained as long as the available aggregate output is sufficient.

Rückwärtsfahren kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Die zwei wichtigsten sind:
Reversing can be done in different ways. The two most important are:

a) Es wird ein Fahrbereichsschafter mit Vorwärts-, Rückwärts- und Parkstellung vorgeschlagen, der über das elektronische Steuergerät die nötigen Signale für die Schwenkwinkel der Hydro motoren ausgibt. Als Beispiele seien genannt: Umdrehen des Schwenkbereiches der Hydro motoren und Begrenzung der Geschwindigkeit bei Rückwärtsfahrbetrieb und schließen des Hochdruckspeichers in der Position "Parken".a) A driving range shareholder with forward, reverse and parking position is proposed, the necessary signals for the swing angle of the Hydro via the electronic control unit engines. Examples include: reversing the swivel range of the Hydro motors and limit the speed when reversing and close the High pressure accumulator in the "Parking" position.
b) Ohne Schalter: Beim Betätigen des Verzögerungspedals bei Fahrzeugstillstand beschleunigt das Fahrzeug rückwärts und beim Betätigen des Beschleunigungspedal verzögert es. Einem gleich zeitigen kurzen Betätigen beider Fahrpedale kann die Funktion Stillstand und Parken zugeordnet werden. Diese Variante ist die logische Fortsetzung des Fahrbetriebes mit Geschwindigkeitsregler.b) Without switch: When the deceleration pedal is pressed when the vehicle is stationary, this accelerates It decelerates the vehicle in reverse and when the accelerator pedal is pressed. Like one If both accelerators are pressed briefly, the standstill and parking functions can be assigned will. This variant is the logical continuation of driving with a speed controller.

Das in der Erfindung vorgeschlagene kompakte Stadtfahrzeug mit Freikolbenbrenn kraftmaschine bietet gegenüber bekannten Lösungen wesentliche Vorteile wie:
The compact city vehicle with free-piston internal combustion engine proposed in the invention offers significant advantages over known solutions, such as:

- Geringer Treibstoffverbrauch, Emissionen und Geräusch durch den Energiewandler der direkt Energie des Brennstoffes in Hydraulikenergie umwandelt und speichert. Der Energiewandler arbeitet nur nahe seines Bestpunktes und hat eine integrierte Start- und Stopeinrichtung. Aus dem hydropneumatischen Druckspeicher werden alle Verbraucher (Fahrzeugantrieb, Lenk- und Bremsservo, elektrischer Generator, Klimaanlage etc. versorgt. Alle bekannten Treibstoffspar potentiale, die den Verbrennungsmotor für den intermittierenden Betrieb geeigneter machen, wie Bremsenergierückgewinnung, Schub- und Leerlaufabschaltung, Freilaufeffekte, Hybridan triebe etc., sind in der Erfindung enthalten. Auch emissionsfreies Fahren ist begrenzt möglich.- Low fuel consumption, emissions and noise through the energy converter directly Converts energy of the fuel into hydraulic energy and stores it. The energy converter only works close to its best point and has an integrated start and stop device. Out The hydropneumatic pressure accumulator is used by all consumers (vehicle drive, steering and Brake servo, electric generator, air conditioning etc. supplied. All known fuel saving potentials that make the internal combustion engine more suitable for intermittent operation, such as braking energy recovery, overrun and idle shutdown, freewheel effects, hybrid drives etc. are included in the invention. Emission-free driving is also possible to a limited extent.
- Trotz einer Fahrzeuglänge von ca. 2.5 m 4 bis 5 bequeme Sitzplätze mit dem üblichen Komfort durch die Unterbringung aller für das Fahren und den Komfort eines Stadtautos nötigen Kom ponenten in einem 200 mm hohen Antriebsblock unter dem Fahrgastraum.- Despite a vehicle length of approx. 2.5 m, 4 to 5 comfortable seats with the usual comfort by accommodating all coms necessary for driving and the comfort of a city car components in a 200 mm high drive block under the passenger compartment.
- Sehr gute aktive Sicherheit durch weit über dem üblichen liegende Fahrdynamik. Dadurch daß alle Aggregate unterhalb der Fahrgastzelle in dem steifen Fahrschemel untergebracht sind und die Passagiere erhöht sitzen, sind die Voraussetzungen für die passive Sicherheit trotz der sehr geringen Verformungsmöglichkeiten der Fahrgastzelle sehr gut.- Very good active safety thanks to driving dynamics far above the usual. As a result of that all units are housed in the stiff subframe below the passenger compartment and the passengers sit elevated, are the requirements for passive safety despite the very low deformation possibilities of the passenger cell very well.
- Modularer Aufbau mit klarer Trennung zwischen Fahrschemel; Fahrgastzelle ermöglicht eine einfache Anpassung für alle die in diesem Marktsegment denkbaren Anwendungen.- Modular structure with clear separation between subframe; Passenger cell enables one easy adaptation for all conceivable applications in this market segment.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es wird beispielhaft die Anordnung der Antriebsaggregate an einem kompakten ca. 2.5 m langen Stadtauto dargestellt. Weitere ähnliche Anordnungen sind zum Teil in der Beschreibung erwähnt und in den Ansprüchen enthalten. Es zeigen:The invention is described in more detail with reference to a drawing. It will be exemplary Arrangement of the drive units shown on a compact approx.2.5 m long city car. Other similar arrangements are mentioned in part in the description and in the claims contain. Show it:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein kompaktes ca. 2.5 m langes Stadtauto aus dem vor allem der modularen Aufbau aus Fahrgastzelle mit 2 Sitzreihen, Fahrschemel mit dem Antriebsag gregat und Kofferraum ersichtlich ist. Fig. 1 shows a cross section through a compact approx. 2.5 m long city car from which the modular structure of a passenger compartment with 2 rows of seats, subframe with the drive unit and trunk can be seen.

Fig. 2 einen Blick von oben auf das Stadtfahrzeug ohne die Fahrgastzelle und zeigt die flächen hafte Anordnung der wesentlichen Aggregate. Fig. 2 is a view from above of the city vehicle without the passenger compartment and shows the surface arrangement of the essential units.

Fig. 3 einen vereinfachten Hydraulikplan des Fahrzeugantriebes mit Energiewandler, Hoch druck- und Niederdruckspeicher, zwei verstellbaren Hydromotoren mit angebauten Planetengetrieben, Gelenkwellen und Hinterräder, sowie die Anschlüsse für weitere hydraulisch angetriebene Aggregate deren Hydraulikpläne nicht dargestellt sind. Fig. 3 shows a simplified hydraulic diagram of the vehicle drive with energy converter, high pressure and low pressure accumulator, two adjustable hydraulic motors with attached planetary gears, cardan shafts and rear wheels, and the connections for other hydraulically driven units whose hydraulic plans are not shown.

Ein kompaktes ca. 2.5 m langes Stadtauto 1 besteht aus dem Modul Fahrgastzelle 2 mit 4 bis 5 Sitzplätzen und der nicht dargestellten Lenkanlage, dem Armaturenbrett usw., einem Modul Fahrschemel 3, der die Vorderräder mit ihrer Aufhängung und dem Lenkgestänge 4, das Antriebsaggregat 5 und die Hinterräder mit ihrer Aufhängung 6 enthält sowie einem abnehmbaren Kofferraum 7.A compact, approx.2.5 m long city car 1 consists of the module passenger compartment 2 with 4 to 5 seats and the steering system, not shown, the dashboard etc., a module subframe 3 , which holds the front wheels with their suspension and the steering linkage 4 , the drive unit 5 and contains the rear wheels with their suspension 6 and a removable trunk 7 .

Das Antriebsaggregat 5 bestimmt im wesentlichen die Höhe der Bodenfläche des Fahrzeuges. Diese Bodenfläche ist durchgängig eben, so daß auf ihr die Fahrgastzelle 2 als leicht auswechsel bares sehr steifes Modul angebracht werden kann. Gleiches gilt für die Anordnung der Sitze. So kann das Fahrzeug, wie dargestellt, für 4 bis 5 Personen bestuhlt werden. In diesem Fall ist prak tisch kein Kofferraum mehr vorhanden. Mit einem abnehmbaren Kofferraum 7 wäre dieses Manko auf Kosten der Fahrzeuglänge behebbar. Werden weniger Sitze eingebaut steht ent sprechend mehr Kofferraum zur Verfügung. Ist nur der Fahrersitz eingebaut können auch lange Teile (z. B. Ski) einfach transportiert werden.The drive unit 5 essentially determines the height of the floor area of the vehicle. This floor area is consistently flat, so that the passenger compartment 2 can be attached to it as an easily exchangeable, very rigid module. The same applies to the arrangement of the seats. As shown, the vehicle can be seated for 4 to 5 people. In this case there is practically no trunk left. With a removable trunk 7 this shortcoming could be remedied at the expense of the length of the vehicle. If fewer seats are installed, more luggage space is available. If only the driver's seat is installed, long parts (e.g. skis) can also be easily transported.

Aus der Fig. 2 ist die flächige Anordnung der Aggregate zu ersehen. Zwischen den Vor derrädern 4 mit sehr großem Lenkwinkel für einen kleinen Wendekreis ist das Reserverad 8 untergebracht. Der Energiewandler 9 als Freikolbenbrennkraftmaschine mit dem seitlich ange ordneten Niederdruckspeicher 10 und Hochdruckspeicher 11 nimmt den zentralen Platz im Modul Fahrschemel 3 ein. Mit dem angeflanschten Hydraulikblock 12 garantiert der flache kompakte und mit seinem Schwerpunkt an günstigster Stelle im Fahrzeug aufgehängte Antriebs block 20 günstigstes Fahrverhalten.The planar arrangement of the units can be seen from FIG . The spare wheel 8 is accommodated between the front wheels 4 with a very large steering angle for a small turning circle. The energy converter 9 as a free-piston internal combustion engine with the laterally arranged low-pressure accumulator 10 and high-pressure accumulator 11 takes up the central place in the subframe 3 module. With the flange-mounted hydraulic block 12 , the flat compact drive block 20, which is suspended at its most favorable location in the vehicle, guarantees the most favorable driving behavior.

Wird der Antriebsblock 20 mit den Rädern 4 und 6, der Batterie 13, dem elek tronischen Steuergerät 14, der Klimaanlage 15, dem elektrischen Generator 16, dem Kühler für das Hydraulikmedium 17 und dem Treibstofftank 18 in einem steifen Rahmen aufgehängt, entsteht ein sehr steifer Fahrschemel 3 der ein sicheres Unfallverhalten verspricht.If the drive block 20 with the wheels 4 and 6 , the battery 13 , the electronic control unit 14 , the air conditioning 15 , the electric generator 16 , the cooler for the hydraulic medium 17 and the fuel tank 18 suspended in a rigid frame, a very stiff arises Subframe 3 that promises safe accident behavior.

Eine steife Fahrgastzelle 2 mit den bekannten Rückhaltesystemen, wie Sicherheitsgurte und Airbags, verbessert das Sicherheitsverhalten weiter. Durch die angehobenen Sitzposition erhält der Fahrzeuglenker einen guten Überblick. Zusätzlich wird der Ein- und Ausstieg erleichtert.A rigid passenger compartment 2 with the known restraint systems, such as seat belts and airbags, further improves safety behavior. The vehicle driver gets a good overview through the raised seating position. In addition, getting in and out is made easier.

Der Antriebsblock 20 besteht im wesentlichen aus den in Fig. 3 prinzipiell dargestellten Energiewandler 9, dem Hochdruckspeicher 11, dem Niederdruckspeicher 10, den Hydro motoren 19, für die beispielsweise verstellbare Axialkolben-Schrägscheibenmotore mit einem Verstellbereich nach "+" und "-" vorgeschlagen werden. Die Hydromotoren 19 sind mit dem Rücken zueinander (back to back) und direkt an den Energiewandler 9 montiert. Dadurch werden Hydraulikleitungen minimiert. Die Verstelleinrichtung der Hydromotoren wird von der nicht dargestellten elektronischen Steuerung angesteuert.The drive block 20 consists essentially of the energy converter 9 shown in principle in Fig. 3, the high-pressure accumulator 11 , the low-pressure accumulator 10 , the hydraulic motors 19 , for which, for example, adjustable axial piston swashplate motors with an adjustment range according to "+" and "-" are proposed . The hydraulic motors 19 are mounted with their backs to each other (back to back) and directly to the energy converter 9 . This minimizes hydraulic lines. The adjusting device of the hydraulic motors is controlled by the electronic control, not shown.

Um die Baugröße der Hydromotoren zu mimieren, wird je ein Planetengetriebe 21 an die Hydromotoren 19 angebaut. Die Untersetzung paßt die maximale Drehzahl der Hydro motoren an die maximale Drehzahl der Räder 6 bei Maximalgeschwindigkeit an und beträgt ca. 5 : 1. Der Abtrieb des Planetengetriebes 21 ist mit den Hinterräder 6 durch Gelenkwellen 22 verbunden.To minimize the size of the hydraulic motors, a planetary gear 21 is attached to the hydraulic motors 19 . The reduction adapts the maximum speed of the hydraulic motors to the maximum speed of the wheels 6 at maximum speed and is approximately 5: 1. The output of the planetary gear 21 is connected to the rear wheels 6 by drive shafts 22 .

Für den Antrieb der weiteren hydraulisch angetriebenen Aggregate besteht ein Anschluß- Hochdruckkreis 23 und ein Anschluß-Niederdruckkreis 24. Der Hochdruckspeicher 11 wird um Druckverluste im Stillstand zu vermeiden mit einem schaltbaren Rückschlagventil 25 ausgerüstet.There is a connection high-pressure circuit 23 and a connection low-pressure circuit 24 for driving the further hydraulically driven units. The high-pressure accumulator 11 is equipped with a switchable check valve 25 in order to avoid pressure losses at a standstill.

BezugszeichenlisteReference list

11

Stadtfahrzeug
City vehicle

22nd

Fahrgastzelle
Passenger compartment

33rd

Fahrschemel
Subframe

44th

Vorderräder mit Aufhängung und Lenkgestänge
Front wheels with suspension and steering linkage

55

Antriebsaggregat
Drive unit

66

Hinterräder mit Aufhängung
Rear wheels with suspension

77

Kofferraum
Trunk

88th

Reserverad
Spare wheel

99

Energiewandler
Energy converter

1010th

Niederdruckspeicher
Low pressure accumulator

1111

Hochdruckspeicher
High pressure accumulator

1212th

Hydraulikblock
Hydraulic block

1313

Batterie
battery

1414

elektronisches Steuergerät
electronic control unit

1515

Klimaanlage
air conditioning

1616

elektrischer Generator
electric generator

1717th

Kühler für Hydraulikmedium
Cooler for hydraulic medium

1818th

Treibstofftank
Fuel tank

1919th

Hydromotor
Hydraulic motor

2020th

Antriebsblock
Drive block

2121

Planetengetriebe
Planetary gear

2222

Gelenkwelle
PTO shaft

2323

Anschluß-Hochdruckkreis
Connection high pressure circuit

2424th

Anschluß-Niederdruckkreis
Connection low pressure circuit

2525th

Rückschlagventil
check valve

Claims

1. Anordnung und Auswahl der für den Antrieb und Betrieb eines kompakten, kurzen und komfortablen Stadtautos (1) nötigen Aggregate innerhalb einer ca. 200 mm hohen Fläche unterhalb des flachen und ebenen Fußbodens, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsaggregat ein in der DE 37 27 335 C2 beschriebener Freikolbenbrennkraftmaschine verwendet wird, die direkt über einen Verbrennungsprozeß Brennstoffenergie in Hydraulikenergie umwandelt und die Hydraulikenergie in ein angebautes Hochdruckdruck- und Niederdruckspeichersystem gefördert wird, aus dem die Verbraucher, wie Hydromotoren für den Radantrieb, Motor für elektrischen Generator, Antriebe der Klimaanlage usw. mit Hydraulikenergie versorgt werden und der Freikolbenbrennkraftmaschine nur zwischen einem unteren und oberen Druckbereich des Hochdruckspeichers arbeitet.1. Arrangement and selection of the units required for driving and operating a compact, short and comfortable city car ( 1 ) within an approx. 200 mm high area below the flat and level floor, characterized in that a drive unit in DE 37 27 335 C2 described free piston internal combustion engine is used, which converts fuel energy into hydraulic energy directly via a combustion process and the hydraulic energy is conveyed into an attached high-pressure and low-pressure storage system from which the consumers, such as hydraulic motors for the wheel drive, motor for electric generator, drives of the air conditioning system, etc. are supplied with hydraulic energy and the free-piston internal combustion engine only works between a lower and an upper pressure range of the high-pressure accumulator.

2. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsblock (20) mit Energiewandler (9), Niederdruckspeicher (10), Hochdruckspeicher (11) und Hydraulikblock (12) mit Hydromotoren (19), Planetengetrieben (21) eine kompaktes flaches Antriebsaggregat (5) bildet, das in Fahrzeugmitte angebracht ist.2. Arrangement and operation of a city car according to claim 1, characterized in that the drive block ( 20 ) with energy converter ( 9 ), low pressure accumulator ( 10 ), high pressure accumulator ( 11 ) and hydraulic block ( 12 ) with hydraulic motors ( 19 ), planetary gears ( 21 ) forms a compact flat drive unit ( 5 ) which is attached in the middle of the vehicle.

3. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler (9) selbsttätig bei einer unteren Druckmarke des Hochdruckspeichers (11) startet und bei einer oberen Druckmarke abstellt.3. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 and 2, characterized in that the energy converter ( 9 ) starts automatically at a lower pressure mark of the high-pressure accumulator ( 11 ) and switches off at an upper pressure mark.

4. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Fahrzeuges mittels zweier verstellbarer Hydromotoren der Axialkolben-Schrägscheibenbauart erfolgt, die "back to back" angeordnet sind und über je ein untersetzendes Planetengetriebe (21) und Gelenkwellen (22) die Hinterräder (6) antreiben.4. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 to 3, characterized in that the drive of the vehicle is carried out by means of two adjustable hydraulic motors of the axial piston swashplate type, which are arranged "back to back" and each have a reducing planetary gear ( 21 ) and propeller shafts ( 22 ) drive the rear wheels ( 6 ).

5. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung (14) neben der Steuerung des Energiewandlers (9) auch die Schwenkwinkel der Hydromotoren und die sonstigen Hydraulikventile steuert.5. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 to 4, characterized in that an electronic control ( 14 ) in addition to the control of the energy converter ( 9 ) also controls the swivel angle of the hydraulic motors and the other hydraulic valves.

6. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug mittels eines Beschleunigungs- und Verzögerungspedals gesteuert wird und daß die Stellung der Pedale dem Schwenkwinkel an den Hydromotoren entspricht und bei unbetätigten Pedalen die Hydromotoren kein Antriebsmoment abgeben.6. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 and 5, characterized characterized in that the vehicle by means of an acceleration and deceleration pedal is controlled and that the position of the pedals the swivel angle on the hydraulic motors and the hydraulic motors do not deliver any drive torque when the pedals are not operated.

7. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Antrieb der Hydromotoren durch die Räder (Schubmoment) das geförderte Hydraulikmedium über das Rückschlagventil (25) in den Hochdruckspeicher gefördert wird (Bremsenergierückgewinnung).7. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 to 6, characterized in that when the hydraulic motors are driven by the wheels (thrust torque), the pumped hydraulic medium is conveyed via the check valve ( 25 ) into the high-pressure accumulator (brake energy recovery).

8. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Beschleunigungs- und Verzögerungspedale und der elektronischen Steuerung eine Fahrzeugsteuerung erfolgt in der die Stellung des Beschleunigungspedals der Fahrzeugbeschleunigung entspricht, in der die Stellung des Verzögerungspedals der Fahrzeugverzögerung entspricht, bei unbetätigten Pedalen die vorhanden Geschwindigkeit gehalten wird und bei kurzer gleichzeitiger Betätigung beider Pedale bei Fahrzeugstillstand die Elektronische Steuerung dies als Stillstands und Parksignal erkennt. 8. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 to 7, characterized characterized in that by means of the acceleration and deceleration pedals and electronic control a vehicle control takes place in the position of the Accelerator pedal corresponds to the vehicle acceleration in which the position of the The deceleration pedal corresponds to the deceleration of the vehicle, which is present when the pedals are not operated Speed is maintained and when both pedals are pressed briefly at the same time Vehicle standstill the electronic control recognizes this as a standstill and parking signal.

9. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei gefülltem Hochdruckspeicher (11) eine längere Fahrstrecke emissionsfrei zurückgelegt werden kann.9. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 to 8, characterized in that when the high-pressure accumulator ( 11 ) is filled, a longer distance can be covered emission-free.

10. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Generator (12) zur Erzeugung der elektrischen Energie von einem Hydromotor aus dem Hochdruckspeicher angetrieben wird und nur bei einer Drehzahl und einem Betriebspunkt arbeitet um die Batterie des Fahrzeuges aufzuladen und daß während der Bremsenergierückgewinnung der elektrische Generator immer eingeschaltet ist.10. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 to 9, characterized in that the electric generator ( 12 ) for generating the electrical energy is driven by a hydraulic motor from the high-pressure accumulator and only works at one speed and one operating point to the battery of the vehicle to charge and that the electric generator is always switched on during braking energy recovery.

11. Anordnung und Betrieb eines Stadtautos nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Klimaanlage (15) von der Hydraulikenergie mittels Hydromotor oder Verdichterkolben angetrieben wird und auch bei Stillstand des Energiewandlers (9) arbeiten kann.11. Arrangement and operation of a city car according to claim 1 to 10, characterized in that the air conditioning system ( 15 ) is driven by the hydraulic energy by means of a hydraulic motor or compressor piston and can also work when the energy converter ( 9 ) is at a standstill.