DE4134160A1 - Kraftfahrzeug und verfahren zum betrieb dieses kraftfahrzeugs - Google Patents
Kraftfahrzeug und verfahren zum betrieb dieses kraftfahrzeugsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei unabhängig
voneinander verbrennungsmotorisch angetriebenen elektrischen
Generatoren, die über mindestens eine Leistungselektronik mindestens
einen Elektromotor mit elektrischem Strom versorgen, wobei die
Elektromotoren antriebsmäßig jeweils mit mindestens einem Antriebsrad
des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind, und ein Verfahren zum Betrieb eines
solchen Kraftfahrzeugs.
Jeder Verbrennungsmotor wird auf eine bestimmte maximale Leistung
ausgelegt. Sein Wirkungsgrad ist abhängig vom jeweils gewählten
Betriebspunkt. In Fig. 1 ist der Zusammenhang zwischen dem normierten
Wirkungsgrad (η/ηmax.) und der vom Verbrennungsmotor abgegebenen
normierten Leistung (P/Pmax.) qualitativ dargestellt. Bei einer
bestimmten Leistung erreicht der Motor seinen höchsten Wirkungsgrad;
liegt die abgegebene Leistung höher oder tiefer als bei diesem
Betriebsoptimum, dann verschlechtert sich der Wirkungsgrad.
Aus der DE 37 41 891 C2 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, das als
Antriebsquelle über zwei leistungsgleiche Verbrennungsmotoren verfügt,
die über je eine Schaltkupplung mit einem gemeinsamen Summiergetriebe
verbindbar sind. Das Summiergetriebe wiederum ist mit einem Schalt-
oder Automatikgetriebe gekoppelt, über das die Antriebsleistung in den
Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs abgegeben wird. Dieses
Antriebskonzept, das für Lastkraftwagen und Reisebusse vorgesehen ist,
bietet die Möglichkeit, unter Beibehaltung einer hohen möglichen
Maximalantriebsleistung in Betriebsphasen mit Teillastbetrieb, während
deren weniger als die Hälfte der maximalen Leistung des Kraftfahrzeugs
benötigt wird (beispielsweise bei relativ konstanter Autobahnfahrt)
nur einen der beiden Verbrennungsmotoren für den Antrieb zu nutzen.
Dadurch kann ein geringerer Energieverbrauch erreicht werden, da der
einzelne benutzte Verbrennungsmotor vielfach näher an seinem
günstigsten Betriebspunkt betrieben werden kann als ein vergleichbarer
Verbrennungsmotor, der auf die gesamte Maximalleistung des Fahrzeugs
ausgelegt ist. Wesentliche Nachteile dieser Lösung sind insbesondere in
dem erforderlichen Bau-, Wartungs- und Reparaturaufwand für das
Summiergetriebe und die Kupplungen zur wahlweisen voneinander
unabhängigen Auskopplung der Verbrennungsmotoren aus dem Antriebsstrang
zu sehen.
Für den Antrieb des Kompressors einer Klimaanlage und eines
elektrischen Generators in einem Kraftfahrzeug ist es aus der
DE 39 41 998 C1 bekannt, einen vom Fahrmotor völlig unabhängigen
Verbrennungsmotor einzusetzen. Damit soll ein verbrauchsgünstiger
Betrieb von Nebenaggregaten des Kraftfahrzeugs ermöglicht werden. Für
den Fahrzeugantrieb selbst wird dieser zusätzliche Verbrennungsmotor
nicht benutzt.
Aus der gattungsbildenden DE 36 20 362 A1 ist es darüber hinaus bekannt,
ein mit zwei Verbrennungsmotoren ausgestattetes Kraftfahrzeug mit zwei
elektrischen Generatoren zu versehen, die die abgegebene Leistung der
Verbrennungsmotoren in elektrischen Strom umsetzen. Dieser Strom wird in
einen oder mehrere Elektromotoren eingespeist, die als Fahrmotoren mit
den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind. Der Antriebsstrang
des Kraftfahrzeugs weist daher keine mechanische Kopplung zwischen den
Verbrennungsmotoren und den Antriebsrädern auf. Ähnlich wie bei dem aus
der DE 37 41 891 C2 bekannten Kraftfahrzeug soll auch hier ein bei
verschiedenen Leistungsstufen möglichst verbrauchsgünstiger Fahrbetrieb
erreicht werden, indem wahlweise einer der beiden Verbrennungsmotoren
oder beide gleichzeitig betrieben werden können. Durch voneinander
verschiedene Auslegung der Maximalleistung der beiden
Verbrennungsmotoren lassen sich auf diese Weise drei verschiedene
Maximalleistungsstufen realisieren, so daß das Kraftfahrzeug
dementsprechend in drei Betriebspunkten verbrauchsoptimal gefahren
werden kann. Um während möglichst langer Betriebsphasen in einem
verbrauchsoptimalen Betriebspunkt bleiben zu können, ist vorgeschlagen
worden, dieses Fahrzeug mit einem Rotationsenergiespeicher auszustatten,
aus dem kurzfristig Antriebsenergie entnommen oder in diesen eingespeist
werden kann, um die aktuell abgegebene Leistung des Verbrennungsmotors
mit dem aktuellen Leistungsbedarf für den Antrieb in Einklang zu
bringen.
Bei dem bekannten Fahrzeug gemäß DE 36 20 362 A1 stellen die beiden
Verbrennungsmotoren zwei völlig unabhängige und räumlich getrennt
angeordnete Einheiten dar, deren Einzelverhalten nicht untereinander
koordiniert wird. Eine unmittelbare Anpassung der
Verbrennungsmotorleistung an den aktuellen Leistungsbedarf des
Kraftfahrzeugs ist im Hinblick auf einen verbrauchsgünstigen und/oder
schadstoffarmen Betrieb nur sehr grob möglich, nämlich durch Ein- oder
Ausschalten der beiden Verbrennungsmotoren.
Über die Problematik eines zu erwartenden unterschiedlich schnellen
Verschleißes der beiden Verbrennungsmotoren wird in dieser Schrift
nichts ausgesagt. Vielmehr wird dort als bevorzugt eine Ausführungsform
beschrieben, bei der der zweite Verbrennungsmotor besonders leicht
ausbaubar angeordnet sein soll, um ihn zwecks Gewichtsersparnis nur für
Fahrten mit entsprechendem Bedarf an Antriebsleistung mitzuführen. Das
aber läuft der Forderung nach einer gleichmäßigen Abnutzung der beiden
Verbrennungsmotoren genau entgegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug und ein
Verfahren zu dessen Betrieb vorzuschlagen, bei dem unter Wahrung einer
kompakten Bauweise eine bessere Anpassung der verbrennungsmotorisch
erzeugten Leistung an den tatsächlichen Leistungsbedarf bei weitgehendem
Betrieb des Verbrennungsmotors im Bereich eines im Hinblick auf
Optimierungskriterien wie Verbrauch, Schadstoffentstehung und/oder
Lärmentstehung günstigen Betriebspunktes möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1. Durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche
2 bis 12 ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Im
Patentanspruch 13 ist ein Verfahren für einen zweckmäßigen Betrieb eines
erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs angegeben. Durch die Merkmale der
Unteransprüche 14 und 15 ist dieses Verfahren in vorteilhafter Weise
ausgestaltbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 6 näher
erläutert, wobei durchweg von Verbrennungsmotoren in Hubkolbenbauart die
Rede ist. Selbstverständlich kann die Erfindung auch mit
Verbrennungsmotoren anderer Bauarten ausgeführt werden. Der verwendete
Begriff "Zylinder" ist dementsprechend in einem erweiterten Sinn zu
verstehen:
Ein 2-Zylinder-Verbrennungsmotor umfaßt beispielsweise auch einen 2-Scheiben-Rotationskolbenmotor. Es zeigen:
Ein 2-Zylinder-Verbrennungsmotor umfaßt beispielsweise auch einen 2-Scheiben-Rotationskolbenmotor. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Verlauf des normierten
Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors in
Abhängigkeit von der normierten abgegeben Leistung,
Fig. 2 einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor mit zwei
baugleichen Teilmotoren,
Fig. 3 einen 6-Zylinder-Verbrennungsmotor mit drei
unterschiedlich dimensionierten Teilmotoren,
Fig. 4 einen Verbrennungsmotor mit drei in anderer Weise
räumlich zueinander angeordneten Teilmotoren,
Fig. 5 einen 5-Zylinder-Verbrennungsmotor mit fünf
Teilmotoren und
Fig. 6 schematische Darstellungen verschiedener
Fahrzeugantriebskonzepte.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für eine Optimierung
des Betriebs eines verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs im
Hinblick auf Kriterien wie spezifischer Kraftstoffverbrauch und
Entstehung von Geräuschen und Schadstoffen im Verbrennungsprozeß die
Möglichkeit zu einer bedarfsabhängigen zeitweiligen antriebsmäßigen
Stillegung eines Teils des verfügbaren Verbrennungsmotorantriebs
vorteilhaft ist.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist nämlich zu erwarten, daß bei einer
regelmäßigen Nutzung des gesamten Verbrennungsmotorantriebs wegen des
zeitlich unterschiedlich hohen Bedarfs an Antriebsleistung häufig
deutlich außerhalb des optimalen Betriebspunktes gefahren werden muß.
Bei dem aus der DE 36 20 362 A1 bekannten Fahrzeug ist dieses Problem
bereits wesentlich gemildert, da, wie eingangs geschildert, das Fahrzeug
nicht mehr über nur einen sondern über drei Leistungsstufen verfügt, in
denen ein optimaler Betriebspunkt einstellbar ist, da die beiden
Verbrennungsmotoren wahlweise einzeln oder auch zusammen betrieben
werden können. Die Erfindung geht über diesen Stand jedoch deutlich
hinaus und schlägt die Aufteilung des Verbrennungsmotors in unabhängig
voneinander betreibbare Teilmotoren vor. Das bedeutet, daß der
Verbrennungsmotor als bauliche Einheit bestehen bleibt und nicht wie in
der bekannten Lösung zwei räumlich voneinander getrennte Einzelaggregate
gebildet werden. Dies bringt erhebliche Vorteile mit sich. So kann bei
der vorliegenden Erfindung beispielsweise die Zylinderzahl der kleinsten
unabhängig betreibbaren Einheit (Teilmotor) bis auf 1 reduziert werden,
während bei der bekannten Lösung allein schon aus Gründen der
Schwingungsbeherrschung (Massenkraft- und Gaskraftausgleich) von
vornherein Mehrzylindermaschinen (z. B. drei oder vier Zylinder) für die
beiden Verbrennungsmotoren vorzusehen sind. Solche
Einzylinder-Teilmotoren können in beliebiger Kombination zeitweilig
gemeinsam betrieben oder abgeschaltet werden. Dadurch ergeben sich
wesentlich mehr Leistungsstufen, in denen der verbrennungsmotorische
Antrieb in bezug auf das jeweils gewünschte Zielkriterium (z. B.
Verbrauch, Schadstoff-, Geräuschemission) im optimalen Betriebspunkt
arbeiten kann. Es ist also eine deutlich feinstufigere Anpassung an den
aktuellen Leistungsbedarf möglich; dies ist bedeutsam, wenn keine
Zwischenspeicherung der vom Verbrennungsmotor erzeugten Leistung
erfolgt.
Die Fig. 2 zeigt schematisch das Beispiel eines erfindungsgemäßen
4-Zylinder-Verbrennungsmotors V, der in zwei Teilmotoren V1 und V2
aufgeteilt ist. Jeder Teilmotor V1, V2 besitzt eine unabhängige
Kurbelwelle K1 bzw. K2 für die Kraftübertragung von den Kolben der
jeweils zwei Zylinder, in denen die Verbrennung des Kraftstoffs
stattfindet.
Die Betätigung der Ventile sowie die Zuführungen für Kraftstoff und
gegebenenfalls Strom für die Zündung, die nicht bildlich dargestellt
sind, erfolgen für jeden Teilmotor V1, V2 separat. Ähnlich wie es keine
gemeinsame Kurbelwelle gibt, ist also auch keine gemeinsame Nockenwelle
für die Ventilsteuerung vorgesehen. Dennoch kann dieser
Verbrennungsmotor V nach außen wie ein normaler 4-Zylinder-Motor
betrieben werden. Dies wird erreicht durch eine nicht dargestellte
elektronische Steuerung, die die beiden Teilmotoren V1, V2 hinsichtlich
Drehzahl und relativer Phasenlage der beiden Kurbelwellen K1, K2 so
einregeln kann, als wäre eine mechanische Kopplung zwischen beiden
Teilmotoren V1, V2 vorhanden.
Die Abtriebswellen der beiden Teilmotoren V1, V2, d. h. hier die beiden
Kurbelwellen K1, K2 sind jeweils mechanisch an einen elektrischen
Generator G1 bzw. G2 gekoppelt. Sobald daher einer oder beide
Teilmotoren in Betrieb gesetzt sind, kann von dem Generator G1 bzw. G2
bzw. von beiden elektrischer Strom erzeugt werden. Dieser Strom wird
dann über entsprechende Leistungselektroniken L1 und L2, wie dies durch
Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist, an einen oder mehrere Elektromotoren,
die nicht dargestellt sind, als Antriebsenergie weitergeleitet. Somit
sind für die Versorgung der Elektromotoren zwei völlig getrennte
Stromerzeugungseinheiten geschaffen, so daß eine hohe Verfügbarkeit des
Fahrzeugantriebs von vornherein gewährleistet ist,
da das Fahrzeug (mit verminderter Leistung) auch dann noch
betriebsbereit ist, wenn einer der Teilmotoren V1, V2 oder einer der
Generatoren G1, G2 oder eine der beiden Leistungselektroniken L1, L2
gestört sind.
Mit besonderem Vorteil werden für die Generatoren und Elektromotoren
eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs Gleichstrommaschinen in Form
multipler elektronisch gesteuerter Dauermagnetmaschinen eingesetzt.
Diese haben eine hohe Leistungsdichte, erfordern also vergleichsweise
wenig Einbauraum und sind hinsichtlich der Drehzahl und der Leistung bei
hohem Wirkungsgrad sehr gut regelbar. Bei Betrieb beider Teilmotoren V1,
V2 können diese daher so aufeinander abgestimmt werden, daß sich nach
außen hin das Verhalten eines herkömmlichen 4-Zylindermotors ergibt.
Eine solche Möglichkeit ist bei dem bekannten gattungsgemäßen Fahrzeug
nicht gegeben.
Die Generatoren G1, G2 können auch als Anlaßmotor für die Teilmotoren
V1, V2 eingesetzt werden. Die Energie für das Anlassen kann einem
Speicher (z. B. Bleiakku) oder gegebenenfalls auch einem in Betrieb
befindlichen Generator entnommen werden. Da der "Anlasser" G1 bzw. G2
eine der Teilmotorleistung entsprechende Leistung besitzt, kann ein
Teilmotor V1, V2 in kürzester Zeit auf seine gewünschte Betriebsdrehzahl
"angeschleppt" werden, sofern genügend elektrischer Strom hierfür
bereitgestellt wird.
Die Erkennung der Phasenlage einer Kurbelwelle K1, K2 ist über die
Winkellage des Rotors des damit gekoppelten Generators G1, G2, die für
die Generatorsteuerung ohnehin als elektrisches Signal vorliegt,
problemlos möglich. Die Synchronisation der Kurbelwellenlagen kann daher
auf einfache Weise durch entsprechende Veränderung der Rotorwinkellagen
erzielt werden.
In Fig. 3 ist ein 6-Zylinder-Verbrennungsmotor dargestellt, der in drei
Teilmotoren V1, V2, V3 unterteilt ist, welche wiederum jeweils zwei
Zylinder aufweisen. Während in Fig. 2 die Teilmotoren V1, V2 baugleich
ausgeführt sind, liegt in Fig. 3 bei den Teilmotoren V1, V2, V3
hinsichtlich ihrer Baugröße und damit ihrer Leistung eine deutliche
Abstufung vor. Diese kann beispielsweise so sein, daß der nächstgrößere
Teilmotor auf die doppelte Leistung ausgelegt ist, wie sie bei dem
kleineren Teilmotor vorliegt.
Im dargestellten Fall mit drei Teilmotoren V1, V2, V3 (Gesamtleistung
z. B. 70 KW) wäre also Teilmotor V2 (z. B. 20 KW) doppelt so stark wie
Teilmotor V1 (z. B. 10 KW) und Teilmotor V3 (z. B. 40 KW) doppelt so stark
wie Teilmotor V2. Durch eine solche Auslegung läßt sich die
Maximalleistung gleichmäßig durch entsprechende Kombination der
gleichzeitig betriebenen Teilmotoren V1 bzw. V2 bzw. V3 in insgesamt 7
Leistungsstufen (23 - 1) unterteilen, wobei in jeder Leistungsstufe ein
optimaler Betriebspunkt im Hinblick auf die Zielkriterien gegeben ist.
Bei vier derartigen Teilmotoren würden sich sogar 15 gleichmäßig
voneinander beabstandete Leistungsstufen (24 - 1) realisieren lassen.
Aus Gründen der Laufruhe empfiehlt es sich, jeden der Teilmotoren V1,
V2, V3 mit zwei Zylindern auszustatten. Die voneinander getrennten
Kurbelwellen K1, K2, K3 sind wiederum antriebsmäßig an separate
Generatoren G1, G2, G3 gekoppelt, die ihrerseits separaten
Leistungselektroniken L1, L2, L3 zugeordnet sind. Die durch einen Pfeil
angedeutete Stromzuführung zum Elektroantrieb ist im vorliegenden Fall
als Sammelleitung ausgeführt, könnte aber auch, wenn mehrere
Elektromotoren für den Antrieb vorgesehen sind, wie in Fig. 2 separat
ausgebildet sein. Der Elektroantrieb kann im vorliegenden Fall
beispielsweise durch einen an die Kardanwelle des Kraftfahrzeugs
angeflanschten einzelnen Elektromotor realisiert sein. Im Unterschied zu
Fig. 2 ist die vorliegende Baueinheit aus Verbrennungsmotor V und den
Generatoren G1, G2, G3 elektrisch nicht nur an den Elektroantrieb,
sondern zusätzlich an einen elektrisch ladbaren Energiespeicher (z. B.
Akku, Kondensator, chemischer Energiespeicher), insbesondere einen als
Elektromotor/Generator ausgebildeten Rotationsenergiespeicher S
angeschlossen. Dadurch ist es möglich, die jeweils für den Betrieb
gewählte Kombination von Teilmotoren V1, V2, V3 praktisch ständig im
optimalen Betriebspunkt zu betreiben, da die Differenz der tatsächlich
vom Fahrer augenblicklich angeforderten Antriebsleistung zur
augenblicklich von den Generatoren G1, G2, G3 abgegebenen Leistung vom
Energiespeicher S aufgenommen bzw. abgegeben werden kann. Abweichungen
vom optimalen Betriebspunkt der Teilmotoren V1, V2, V3 sind zur
Leistungsanpassung kaum noch erforderlich.
Die räumliche Anordnung der Teilmotoren V1, V2, V3 und der Generatoren
G1, G2, G3 kann, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, so erfolgen, daß
die beiden kleineren Teilmotoren V1, V2 nebeneinander und dem größten
Teilmotor V3 gegenüberliegend positioniert sind. Dadurch ergibt sich
eine besonders kompakte Baueinheit. Im Fall der Fig. 4 sind die drei
Generatoren E1, E2, E3 im Unterschied zu Fig. 2 und 3 an eine
gemeinsame Leistungselektronik L angeschlossen, in der die einzelnen
Leistungselektroniken zur Steuerung der Generatoren G1, G2, G3 räumlich
zusammengefaßt sind.
Die Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors V. Es handelt sich um einen Motor,
der in fünf Teilmotoren V1-V5 mit jeweils einem Zylinder aufgeteilt
ist. Jeder Teilmotor V1-V5 weist gleiche Bauart auf. Die separaten
Kurbelwellen K1-K5 sind entsprechend den vorhergehenden Ausführungen
jeweils an einen eigenen elektrischen Generator G1-G5 angekoppelt. Die
mit dem Kurbelgehäuse der Teilmotoren V1-V5 mechanisch verbundenen
Statoren S₁-S₅ der Generatoren G1-G5 sind innenliegend angeordnet.
Die Rotoren RT1-RT5 (Außenläufer) der Generatoren G1-G5 wirken
jeweils als Schwungscheibe für die einzelnen Teilmotoren V1-V5.
Elektrische Verbindungen und Steuereinrichtungen sind nicht
eingezeichnet, können jedoch wie bei den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen der Erfindung konzipiert sein. Der besondere
Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß die Generatoren G1-G5
jeweils im Kurbelgehäuse des zugeordneten Teilmotors V1-V5
untergebracht sind und dadurch eine besonders platzsparende Bauform
erreicht wird. Eine solche Bauweise eines Verbrennungsmotors ist auch
aus fertigungstechnischer Sicht sehr vorteilhaft, da aus völlig
baugleichen Teilmotoren (hier V1-V5) Motoren mit beliebiger
Zylinderzahl (z. B. 4, 6 oder 8 Zylinder) baukastenmäßig zusammengesetzt
werden können. Durch die entsprechend vereinfachte Ersatzteilhaltung
ergeben sich auch im Hinblick auf Service und Reparaturen deutliche -
Vorteile. Es handelt sich um ein hochredundantes Gesamtsystem, das daher
eine extrem gute Verfügbarkeit aufweist. Durch die beliebige
Einstellbarkeit der Phasenlagen der Kurbelwellen K1-K5 kann der
Massenausgleich für beliebige Zylinderzahlen jeweils optimiert werden,
so daß ohne mechanische Eingriffe bei jeder Zahl augenblicklich
betriebener Teilmotoren V1-V5 eine Minimierung der
Motorschwingungsintensität erzielt werden kann.
Die Ausführungsform mit baugleichen Teilmotoren hat auch den Vorteil,
daß bei einem Teillastbetrieb, bei dem nicht alle Teilmotoren in Betrieb
sind, durch im Zeitverlauf unterschiedliche Auswahl von Teilmotoren für
bestimmte Leistungsstufen eine gleichmäßige Abnutzung aller Teilmotoren
möglich ist. Hierzu muß die elektronische Steuerung die Betriebszeiten
und Belastungsparameter (z. B. anhand der abgegebenen elektrischen
Leistung des zugeordneten Generators) erfassen und auswerten.
Teilmotoren mit bisher geringerer Nutzung werden dadurch im weiteren
Fahrbetrieb bevorzugt eingesetzt.
Fig. 6 zeigt vier verschiedene Antriebskonzepte für erfindungsgemäße
Kraftfahrzeuge. In diesen Beispielen sind die mit E1-E4 bezeichneten
Elektromotoren für den Fahrzeugantrieb nicht, wie vorstehend als
Möglichkeit bereits erwähnt, an eine Kardanwelle angeflanscht oder über
ein Getriebe mit der Kardanwelle verbunden, sondern sind jeweils
mechanisch unmittelbar mit einem Antriebsrad R1-R4 gekoppelt. Dadurch
entfällt der Aufwand und das Gewicht für eine Kardanwelle und auch für
ein Differentialgetriebe.
In Fig. 6a ist ein Hinterradantrieb dargestellt. Die an die beiden
Teilmotoren V1 und V2 angekoppelten Generatoren G1 und G2, die den
elektrischen Fahrstrom für die beiden Elektromotoren E1 und E2 der
Antriebsräder R1 und R2 liefern, sind elektrisch mit einer räumlich
zusammengefaßten aber funktional bezüglich der Steuerung der
Generatoren G1, G2 und Elektromotoren E1, E2 geteilt ausgeführten
Leistungselektronik L verbunden. In entsprechender Weise ist der in
Fig. 6b dargestellte Vorderradantrieb realisiert, bei dem die
Elektromotoren E3 und E4 mit den vorderen Antriebsrädern R3 und R4
gekoppelt sind. Man erkennt, daß wegen des generellen Fehlens von
Übersetzungsgetrieben, Differentialgetrieben und Kardanwellen der
Bauaufwand bei erfindungsgemäßen Fahrzeugen für einen Vorderradantrieb
und einen Hinterradantrieb etwa gleich niedrig ausfallen.
Demzufolge kann auch ein Allradantrieb, wie er in Fig. 6c dargestellt
ist, mit insbesondere im Vergleich zur konventionellen rein mechanischen
Bauweise geringem Mehraufwand gegenüber einem Vorder- oder
Hinterradantrieb realisiert werden. Fig. 6d zeigt eine Abwandlung des
Allradantriebs, bei dem den beiden Generatoren G1, G2 jeweils separate
Leistungselektroniken L1, L2 zugeordnet sind. Während die Elektromotoren
E1, E2 der Hinterräder R1 und R2 von der Leistungselektronik L1 mit
Strom versorgt werden, ist die Leistungselektronik L2 den beiden
Elektromotoren E3 und E4 der Vorderräder R₃ und R4 zugeordnet. Da auch
mindestens zwei Teilmotoren V1, V2 vorgesehen sind, ergeben sich hierfür
zwei voneinander unabhängige Antriebsstränge. Durch die zweckmäßige
elektrische Kopplung zwischen den beiden Leistungselektroniken L1 und L2
kann jedoch auch bei Betrieb nur eines einzigen Teilmotors V1, V2 noch
eine Energieversorgung für beide Antriebsstränge gewährleistet werden.
Im Fahrbetrieb eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs wird von der
elektronischen Steuerung jeweils eine solche Kombination von Teilmotoren
für den Antrieb eingesetzt, bei der die vom Fahrer angeforderte
Antriebsleistung möglichst nahe am erreichbaren Optimum im Hinblick auf
das oder die ausgewählten Zielkriterien liegt. Bei Erhöhung oder
Verminderung der angeforderten Antriebsleistung, d. h. bei stärkerer
Abweichung vom bisherigen "optimalen" Betriebspunkt prüft die
elektronische Steuerung, ob bei einer anderen Kombination von
Teilmotoren ein bezüglich der Zielkriterien günstigerer Betrieb möglich
ist und nimmt ggf. zusätzliche Teilmotoren in Betrieb (innerhalb von
Sekundenbruchteilen) und/oder schaltet einzelne Teilmotoren ab.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist in der
Redundanz des Fahrzeugantriebs zu sehen, die eine sehr hohe
Verfügbarkeit gewährleistet.
Durch die Möglichkeit zur Optimierung des Verbrennungsmotorsystems im
Hinblick auf verschiedene Zielkriterien kann eine geringere
Umweltbelastung (Schadstoffausstoß, Geräuschemission) und ein
sparsamerer Umgang mit Ressourcen (Kraftstoffverbrauch, Materialschonung
durch gleichmäßige Abnutzung) erreicht werden.
Claims (15)
1. Kraftfahrzeug mit mindestens zwei unabhängig voneinander
verbrennungsmotorisch angetriebenen elektrischen Generatoren (G1-
G5), die über mindestens eine Leistungselektronik (L, L1, L2, L3)
mindestens einen Elektromotor (E1-E4) mit elektrischem Strom
versorgen, wobei der oder die Elektromotoren (E1-E4)
antriebsmäßig jeweils mit mindestens einem Antriebsrad (R1-R4)
des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein nach außen eine bauliche Einheit darstellender und
mindestens zwei Zylinder aufweisender Verbrennungsmotor (V)
vorgesehen ist, der in mindestens zwei hinsichtlich der Betätigung
von Ventilen für die Brennräume des Verbrennungsmotors (V)
voneinander unabhängige Teilmotoren (V1-V5) mit jeweils eigener
Abtriebswelle (Kurbelwellen K1-K5) aufgeteilt ist, wobei jede
der Abtriebswellen (K1-K5) mit einem eigenen elektrischen
Generator (G1-G5) verbunden ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß den Teilmotoren (V1-V5) jeweils eine separate
Leistungselektronik (L1-L3) zugeordnet ist.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungselektroniken (L1-L3) der Generatoren (G1-G3)
elektrisch untereinander verbunden sind.
4. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrischen Generatoren (G1-G5) und die Elektromotoren
(E1-E4) als Gleichstrommaschinen in Form multipler elektronisch
gesteuerter Dauermagnetmaschinen ausgebildet sind.
5. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedem Antriebsrad (R1-R4) ein eigener Elektromotor (E1-E4)
zugeordnet ist.
6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens drei Teilmotoren (V1-V5) vorgesehen sind.
7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Teilmotor (V1-V3) mindestens zwei Zylinder aufweist.
8. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilmotoren (V1-V5) untereinander baugleich ausgeführt
sind.
9. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle Teilmotoren (V1-V3) eine unterschiedliche
Leistungsstärke aufweisen, wobei vorzugsweise eine
Leistungsabstufung der Teilmotoren (V1-V3) untereinander in der
Art vorliegt, daß ein Teilmotor (V1, V2) jeweils etwa die halbe
Leistung des nächststärkeren Teilmotors (V2 bzw. V3) aufweist.
10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungselektroniken (L, L1-L3) elektrisch mit einem
elektrisch ladbaren Energiespeicher, insbesondere einem als
Elektromotor/Generator ausgebildeten Rotationsenergiespeicher
verbunden sind.
11. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungselektroniken (L1, L2) jeweils den Elektromotoren
(E1, E2 bzw. E3, E4) für die Antriebsräder (R1, R2 bzw. R3, R4)
jeweils einer Achse des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind.
12. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Generatoren (G1-G5) jeweils innerhalb des Kurbelgehäuses
des zugeordneten Teilmotors (V1-V5) angeordnet sind.
13. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche
1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Fahrbetriebs die elektronische Steuerung je nach
Fahrsituation eine solche Kombination von Teilmotoren (V1-V5) in
Betrieb setzt oder hält, bei der im Hinblick auf eines oder mehrere
der Zielkriterien "geringer Kraftstoffverbrauch", "geringe
Schadstoffentstehung" und "geringe Geräuschemission" bei der
momentan vom Fahrer angeforderten Leistung des Verbrennungsmotors
(V) ein Optimum entsteht.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß insbesondere bei untereinander baugleichen Teilmotoren
(V1-V5) im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors (V) die vom
Fahrer angeforderte Leistung des Verbrennungsmotors (V) mittels der
elektronischen Steuerung durch wechselweise Nutzung
unterschiedlicher Kombinationen der jeweils betriebenen Teilmotoren
(V1-V5) in der Weise bereitgestellt wird, daß alle Teilmotoren
(V1-V5) im Hinblick auf ihren Verschleiß im zeitlichen Mittel
möglichst gleich stark beansprucht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilmotoren (V1-V5) zur Erzielung eines schwingungsarmen
Betriebs im Hinblick auf Drehzahl und relative Phasenlage der
Kurbelwellen (K1-K5) so aufeinander eingestellt und bei
Drehzahländerungen so geregelt werden, daß sich ein Massenkraft- und
Gaskraftausgleich im Verbrennungsmotor (V) einstellt.
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