CH704652B1

CH704652B1 - Antriebseinheit für den Betrieb eines Fahrzeuges.

Info

Publication number: CH704652B1
Application number: CH00433/11A
Authority: CH
Inventors: KURT MüNTENER
Original assignee: Keymount GmbH
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2014-12-31
Also published as: CH704652A1; DE102012003324A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Anordnung und Regelung eines luftaufgeladenen Parallel-Hybridantriebes für Fahrzeuge mit Abgasturbine. Die Antriebseinheit beinhaltet: Eine über Kupplung (21) und Getriebe (22) mit der Antriebswelle (23) verbundene, unbestimmte Verbrennungskraftmaschine (2) mit Ladeluftkompression, ferner einen parallel mit der Antriebswelle (23) mechanisch permanent verbundenen Elektromotor/Generator (25), darüber hinaus eine ausschliesslich einen Stromgenerator (30) antreibende Abgasnutzturbine (26), und ferner einen rein elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter (16). Ein Steuergerät (32) kontrolliert als zentrale Steuer- und Regeleinrichtung Strom-, Kraft-, Brennstoff- und Luftflüsse basierend auf Sensorsignalen, charakteristischen Kennlinien wie auch direkten (79) und indirekten (35, 36, 37) Vorgaben des Fahrzeuglenkers. Die Regelung steuert im Weiteren spezielle Bremsbetriebe zwecks Energierückgewinnung und erlaubt mittels Bedienelementen (79) die willkürliche Lastverteilung zwischen den Antrieben zwecks optimierten Elektrobetriebes. Eine Plug-in-Lösung mit externer Batterieaufladung (75, 76) bleibt vorbehalten.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit 1 für den Betrieb eines Fahrzeuges mit einem Steuergerät und mit <tb>a)<SEP>einer über eine Antriebswelle 20 das Fahrzeug antreibenden, mit Ladeluft aufladbaren Verbrennungskraftmaschine 2, <tb>b)<SEP>einer der Verbrennungskraftmaschine 2 nachgeschalteten Abgas-Nutzturbine 26 zum Betrieb eines elektrischen Generators 30, <tb>c)<SEP>dessen 30 erzeugter Strom in eine, vorzugsweise aus einem externen Stromnetz, z.B. über einen Gleichrichter 76, aufladbare Batterie 31 zur zwischenzeitlichen Speicherung einspeisbar ist, <tb>d)<SEP>einem mit dem vom Generator 30 erzeugten Strom betreibbaren Elektromotor 25, <tb>e)<SEP>der mit der Abtriebswelle 23 eines der Verbrennungskraftmaschine 2 nachgeschalteten Getriebes 22 verbunden ist.

[0002] Ein Getriebezug mit den obigen Merkmalen ist aus der US-A-2010/0 044 127 bekannt

[0003] Antriebseinheiten mit Verbrennungskraftmaschinen mit Motorenaufladung und nachfolgender Kupplung und Getriebe sind aus dem Stand der Technik für Automobile bekannt. Dabei kommen zur Motorenaufladung im Wesentlichen zwei Systeme zur Anwendung, nämlich einerseits Turbolader mit einer Abgasturbine und einem Strömungsverdichter auf ein und derselben Welle, wodurch die Abgasenergie zur Aufladung des Verbrennungsmotors genutzt wird. Die andere Möglichkeit besteht in der Aufladung mittels eines von der Kurbelwelle des Motors angetriebenen Verdichters. Meistens handelt es sich hier um ein Schraubenrad-Gebläse, es kann aber auch ein G-Lader, ein Roots-Gebläse oder ein Kolbenkompressor sein.

[0004] Der Vorteil der Turboladung ist, dass wenigstens ein Teil der Abgas-Energie zur Aufladung der Verbrennungskraftmaschine nutzbar gemacht werden kann. Nachteil ist, dass bei niedriger Motorendrehzahl nicht genügend Abgasmenge für eine optimale Aufladung zur Verfügung steht und das als «Turboloch» benannte Beschleunigungshemmnis des Fahrzeuges auftritt. Beispielsweise aus der DE 10 221 563 A1 ist ein solches System bekannt.

[0005] Der Nachteil der Kompressor-Aufladung ist, dass die Abgas-Energie einerseits ungenutzt bleibt und anderseits für den Betrieb des Laders sogar Energie von der Kurbelwelle abgezogen werden muss. Der Vorteil aber ist, dass der Lader seine Drehzahl simultan mit der Drehzahl der Motorenkurbelwelle erhöht und damit für jeden Betriebszustand genügend Lade-Luft und Druck zur Verfügung steht. Trotz der Vor- und Nachteile der beiden Systeme kommen im heutigen Stand der Technik beide Systeme in Fahrzeugen zur Anwendung.

[0006] Eine Nutzung der Abgas-Energie sowohl für den Betrieb des Aufladegerätes wie auch zur Rückführung auf die Kurbelwelle des Motors wird mit Turbocompoundsystemen erreicht. Solche Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen dabei wenigstens eine Nutzturbine auf, welche Energie aus dem Abgas des Verbrennungskraftmotors zurückgewinnt und in mechanische Energie umwandelt und an die Kurbelwelle des Verbrennungskraftmotors zurückführt. Dazu ist eine Getriebeeinheit notwendig, die die mechanische Leistung auf eine geeignete Drehzahl umsetzt. Weitere Entwicklungen zeigen nebst Getriebeeinheiten zur Umsetzung der mechanischen Leistung, insbesondere auch zur Verwendung der Energie-Rückführung auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine, Lösungen mit Flüssigkeitskupplungen, sogenannte Turbokupplungen. Die DE 10 2009 033 519 A1 und die US 2009/0 139 231 A1 zeigen zum Beispiel solche Lösungen. Der technische, insbesondere mechanische Aufwand solcher Lösungen ist hoch, auch mit einem hohen Gewichtsanteil und Platzaufwand verbunden, was beides für den Betrieb eines Fahrzeuges nicht besonders günstig ist.

[0007] Sogenannte Hybrid-Antriebseinheiten sind heute ebenfalls Stand der Technik geworden (vgl. z.B. EP-A-0 755 816). Diese Systeme bedienen sich zusätzlich zur Verbrennungskraftmaschine eines Elektromotors und einer grösseren Batterie. Bei den meisten solchen Systemen wird der Elektromotor einerseits zur Leistungssteigerung des Antriebes insgesamt benutzt, indem der Elektromotor dem Verbrennungsmotor zur besseren Beschleunigung des Fahrzeuges zugeschaltet wird und anderseits für einen rein elektrischen Fahrbetrieb benutzt wird. Die Batterie wird während Bremsmanövern mittels des dann als Generator arbeitenden Elektromotors aufgeladen, welcher erst, und vor einem mechanischen Bremseingriff, zur Abbremsung des Fahrzeuges eingesetzt wird, und somit aus der potentiellen kinetischen Energie der Fahrzeugmasse Strom erzeugt. Des Weiteren sind solche Systeme bekannt, bei denen die Batterie zusätzlich aus einem externen Stromnetz via Stecker (Plug-In) aufgeladen werden kann. Die meisten dieser Systeme arbeiten ohne die Nutzung von Abgas-Energie für den Fahrbetrieb.

[0008] Turbocompound-Hybrid-Systeme versuchen die Vorteile der Kombination einer Aufladung und einer Energierückführung auf den Antrieb, wie er bei Turbocompound-Systemen, vorgesehen ist, mit dem Hybrid-System zu kombinieren und die jeweiligen Nachteile beider Systeme auszumerzen. Sie alle arbeiten mit den bekannten Systemen: Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschaltetem Turbolader, bestehend aus Abgasturbine und Strömungsverdichter auf einer Welle; im Abgaskanal folgt eine Nutzturbine, die einerseits über ein Planetengetriebe mit der Kurbelwelle verbunden ist und anderseits ebenfalls über ein Getriebe einen Generator antreibt. Zusätzlich zum Eingriff der Nutzturbine über ein Planetengetriebe auf die Kurbelwelle greift zur weiteren Unterstützung des Antriebes ein Elektromotor über ein Getriebe auf die Kurbelwelle ein. Der Elektromotor wird mit dem Strom aus dem Generator und Zusatzstrom aus einer Batterie betrieben. Eine solche Lösung ist in der US 2010/0 044 127 A1 dargestellt. Es versteht sich, dass auch diese Lösung die Nachteile des hohen mechanischen und teuren Aufwandes, des hohen Gewichtes, des grossen und ungünstigen Platzbedarfes nicht aufheben; denn die Tatsache, dass ein einziger Getriebezug für mehrere Antriebe vorgesehen ist, erfordert einen getrieblichen Ausgleich, der meistens von Planetenradgetrieben gebildet wird, Platz kostet sowie Gewicht und Kosten mit sich bringt, einmal ganz abgesehen von der Einbusse an Wirkungsgrad.

[0009] Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden, einen Aufbau zu schaffen, der einen energieoptimierten Betrieb einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, dabei die höchste Flexibilität und Effizienz der Aufladung garantiert, einen dauerhaften Hybrid-Betrieb gestattet, vorzugsweise auch mit Zugriff auf ein externes Stromnetz.

[0010] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0011] Das nach Anspruch 1 vorgesehene Getriebe mit variablen Eingangs- bzw. Abgangsdrehzahlen ist in aller Regel ein Schaltgetriebe, sei es mit Handschaltung oder mit automatischer Schaltung, oder ein sogenanntes Doppelkupplungsgetriebe, doch könnte es aber auch ein stufenloses CVT-Getriebe sein. Somit ist ein Elektromotor dafür vorgesehen, direkt über das Untersetzungsgetriebe Energie zuzuführen. Davon unabhängig sorgt ein weiterer Elektromotor über ein Fördermittel für die Ladeluft, was sich platzmässig günstig auswirkt, weil Elektromotor und Fördermittel nicht kompakt am Ort der anderen Bauteile gelegen sein muss, vielmehr irgendwo im Maschinenraum eines Fahrzeuges, oder sogar ausserhalb von diesem angeordnet werden kann. Überdies wird das sogenannte «Turboloch» vermieden. Somit schafft die Erfindung die Möglichkeit, drei jeweils mechanisch nicht verbundene Antriebe – nämlich Abgas-Nutzturbine/Generator, Elektromotor/Fördermittel und Elektromotor/Abtriebswelle – bereitzustellen.

[0012] Die Abgas-Nutzturbine ihrerseits treibt ausschliesslich, zweckmässig über ein Untersetzungsgetriebe, den Generator an, der die beiden Elektromotoren versorgt. Die Abgas-Nutzturbine wird vorzugsweise als mehrstufige Turbine ausgelegt, um die Abgasenergie maximal möglich ausnutzen zu können, zumal auch die Turbine optimal auf den alleinigen Energieverbraucher, den Generator, abgestimmt werden kann.

[0013] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der einzigen Figur der Zeichnung schematisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles.

[0014] Der Kern einer Antriebseinheit 1 wird von einer Verbrennungskraftmaschine 2 gebildet, welche über mindestens einen sich in einem Zylinder 3 bewegenden Kolben 4, einen Pleueltrieb 5 und eine Kurbel- oder Antriebswelle 20 den Antrieb für ein Fahrzeug bereitstellt. Die in der Zeichnung angedeutete Verbrennungskraftmaschine 2 stellt einen Dieselmotor dar, kann aber auch ein Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung in den Zylinderraum sein. Es versteht sich, dass ebenso ein Ottomotor mit Gemischaufbereitung in einem Vergaser, oder mit Benzineinspritzung in die Ansaugleitung des Motors sowie mit Erdgas oder anderen Gasen betriebene Motoren zur Anwendung kommen können. Für den Fall eines mit Benzin oder mit Gas betriebenen Motors ist die dazu notwendige Zündkerze nicht eingezeichnet.

[0015] Ebenso versteht es sich, dass ein Rotationskolbenmotor, oft als Wankelmotor bezeichnet, eine Verbrennungskraftmaschine ist und ebenso als Kern einer Antriebseinheit 1 bezeichnet werden kann.

[0016] Die dargestellte Verbrennungskraftmaschine 2 ist, wie herkömmlich, mit mindestens einem Auslassventil 6, mindestens einem Einlassventil 7, einer Brennstoff-Zufuhrleitung 8a zu einer Brennstoff-Einspritzung 8, einer Auslass-Nockenwelle 9, einer Einlass-Nockenwelle 10, einer Zuluftleitung 11 und einer Abgasleitung 12 ausgestattet. Auch weist die Verbrennungskraftmaschine 2 in bekannter Weise ein Kühlsystem auf, bestehend aus einem Kühlmittel-Wärmetauscher 13, einem Fördermittel 14, wie einer Pumpe, welches flüssiges Kühlmittel in einer Leitung 15 entweder durch den Kühlmittelwärmetauscher 13 oder im Nebenschluss um diesen herum zur Verbrennungskraftmaschine 2 zurückführt. Das dargestellte, nicht bezeichnete 3-Wege-Ventil kann dabei entweder von einem Thermostaten gesteuert sein, oder es ist ein Wärmesensor vorgesehen, der mit einer Steuerung (32) verbunden ist, welche das Ventil steuert. In jedem Fall lässt sich damit, wie bekannt, die optimale Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine 2 regeln und aufrechterhalten.

[0017] Der Verbrennungskraftmaschine 2 wird über die Zuluftleitung 11 und ein Fördermittel 16, das vorteilhaft als Verdrängerverdichter ausgebildet ist, worunter im Rahmen dieser Beschreibung ein Schraubenrad-Gebläse, ein G-Lader, ein Roots-Gebläse oder ein Kolbenkompressor verstanden werden soll, Zuluft, wie Frischluft, zur Verbrennung zugeführt. Im Falle eines Ottomotors mit Gemischaufbereitung in einem Vergaser oder mit Benzineinspritzung in die Ansaugleitung handelte es sich nicht um Frischluft, sondern um ein zündfähiges Luft-Benzin-Gemisch. Bevor diese Zuluft in die Verbrennungskraftmaschine 2 einströmt, durchströmt diese zweckmässig einen Ladeluftkühler 19, welcher die im Fördermittel 16 verdichtete und erwärmte Luft abkühlt, so dass die Verbrennungskraftmaschine 2 nicht temporär überhitzt wird.

[0018] Beim herkömmlichen 4- oder 2-Takt-Prinzip wird dann der Brennstoff beim Stand der höchsten Komprimierung im Verbrennungsraum, gebildet aus Kolben 4, den Wandungen des Zylinders 3 und dem Zylinderkopf, verbrannt, und die dabei gewonnene Energie pro Zeiteinheit des exothermen Vorganges über Kolben 4 und Kurbeltrieb 5 an die Antriebswelle 20 der Verbrennungskraftmaschine 2 übertragen. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase strömen über die Abgasleitung 12 aus der Verbrennungskraftmaschine 2 wieder ab.

[0019] Der in der Figur nicht dargestellte Rotationskolbenmotor übernähme bei Verwendung eines solchen als Verbrennungskraftmaschine die Funktion der eingezeichneten Verbrennungskraftmaschine 2. Erwähnt sei allerdings, dass bei einem Rotationskolbenmotor, wie auch bei einem Zweitakt-Diesel- oder -Ottomotor, wie bekannt die Ein- und Auslassventile entfallen, weil deren Funktion vom hin- und hergehenden oder eben dem rotierenden Kolben übernommen wird, was steuerungstechnisch zum Vorteil reicht, die Kompressionsarbeit aber nicht eliminieren kann.

[0020] Erfindungsgemäss wird das an die Zuluftleitung 11 angeschlossene Fördermittel 16, mechanisch und räumlich völlig unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine 2, über eine Antriebswelle 18 von einem Elektromotor 17 separat angetrieben, dessen Drehzahl zweckmässig dynamisch geregelt wird, wie noch später ausgeführt wird. Dagegen treiben die heissen Abgase über die Abgasleitung 12 eine, vorzugsweise mehrstufige, Abgas-Nutzturbine 26 an und verlassen das System über eine Abgas-Reinigung 27 mit Katalysator und gegebenenfalls einen Partikelfilter, und einen Schalldämpfer 28. Die Abgas-Nutzturbine 26 dient ausschliesslich der Stromerzeugung mittels eines von der Abgas-Nutzturbine 26 angetriebenen Stromgenerators 30. Falls es aus irgendeinem Grunde erforderlich ist, kann zwischen dem Elektromotor 17 und dem Fördermittel 16 auch ein Getriebe vorgesehen sein.

[0021] Normalerweise sind die Drehzahlen bei Abgasturbinen, wie der Turbine 26, relativ höher als die zweckmässigen Betriebsdrehzahlen eines elektrischen Stromgenerators 30. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn zwischen Abgas-Nutzturbine 26 und dem Generator 30 ein Untersetzungsgetriebe 29 geschaltet ist, das im Verhältnis zu den im Stande der Technik oft gebrauchten Planetengetrieben relativ einfach sein kann. Statt des in der Zeichnung angedeuteten Zahnrad-Vorgeleges kann auch ein Riemen- oder Gliederkettentrieb zur Anwendung kommen. Mögliche hochtourig arbeitende Generatoren können auch direkt an die Abgasnutzturbine 26 gekoppelt werden.

[0022] Der Generator 30 ist vorzugsweise derart gross dimensioniert, dass die nachgeschalteten Verbraucher, wenigstens für gewöhnlich, weniger Strom beziehen, als der Generator 30 zu liefern vermag. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Generator 30 (durch das später besprochene Steuergerät 32) über seine Feldmagnetisierung so gesteuert wird, dass er trotz Antrieb mit vergleichbarer Drehzahl weniger Strom liefert. Zusätzlich ist es so, dass wenn durch den gross dimensionierten Generator 30 und evtl. zusätzlich durch Strombezug aus einem externen Netz die Batterie voll aufgeladen ist, dann wird sie zweckmässig durch das später besprochene Steuergerät 32 überbrückt (Schalter 46).

[0023] Der mit dem Generator 30 erzeugte Strom dient, und vorzugsweise in erster Line, zum Betrieb des Elektromotors 17 für den Antrieb des Zuluft-Fördermittels 16. Ausserdem dient der erzeugte Strom aber auch zum Betrieb eines weiteren Elektromotors 25, der vorgesehen ist, seine Energie auf eine Abtriebswelle 23 eines Untersetzungsgetriebes 22 mit variablen Eingangs- bzw. Abgangsdrehzahlen zu übertragen. Dieses Untersetzungsgetriebe 22 wird in der Regel das Schaltgetriebe des Fahrzeuges sein, sei es mit Handschaltung oder mit automatischer Schaltung, oder ein sogenanntes Doppelkupplungsgetriebe, doch könnte es aber auch ein stufenloses CVT-Getriebe sein. Das Drehmoment des Elektromotors 25 kann an seiner Welle 71 in vorteilhafter Weise über einen Drehmoment-Messsensor 70 und eine Signalübertragung 69 überwacht und der Wert an das Steuergerät 32 gebracht werden, das seinerseits den Elektromotor 25 über eine Signalübertragung 54 so zu steuern vermag, wie dies noch weiter unten beschrieben wird. Anderseits kann auch das Untersetzungsgetriebe 22 über eine Signalübertragung 78 derart vom Steuergerät 32 überwacht werden, dass Letzteres Signale entsprechend der jeweils eingelegten Gangstufe, insbesondere auch, ob Vor- oder Rückwärtsgang eingelegt ist, erhält. Überdies errechnet das Steuergerät 32 fortwährend, gemäss einem vorgegebenen Programm, den Brennstoffbedarf pro Zeiteinheit entsprechend einer vom Gaspedal vorgegebenen Gesamtleistung (als Summe aus Verbrennungskraftmaschine 2 plus Elektromotor 25) gemäss der dem später beschriebenen Gaspedal 33 der Fahrgeschwindigkeit proportional entsprechenden Stellung. Dies deswegen, weil in herkömmlichen Systemen der Brennstoffbedarf direkt mit der Stellung des Gaspedals in Relation steht. Insgesamt führt die Zufuhr von Energie über den Elektromotor 25 zu einer Reduzierung des Brennstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine 2.

[0024] Damit das Steuergerät 32 die für die Steuerung und Regulierung in den beschriebenen notwendigen Rechenoperationen zusammen mit von den Sensoren gemeldeten Ist-Werten optimal durchführen kann, werden vorzugsweise Kennwerte aus Konstruktion und Auslegung der einzelnen Aggregate, nämlich der Verbrennungskraftmaschine 2, der Abgas-Nutzturbine 26, des Fördermittels 16 und der Elektromotoren 17 und 25, wie Drehmomente/Leistungen in Funktion der Drehzahlen, Stromstärken/Leistungen in Funktion der Drehzahlen und Feldmagnetisierungen, und alle weiteren relevanten Daten und daraus entstehenden Graphen in einen Programmspeicher des Steuergerätes 32 einprogrammiert. Diese Daten können dann als gegebene Werte über die verschiedenen, hier beschriebenen Signalübertragungen mit den jeweiligen IST-Werten verglichen und die zugeordneten Aggregate gesteuert und geregelt werden. Allenfalls besitzt das Steuergerät 32 einen nicht dargestellten Programmieranschluss zum Nachprogrammieren, falls sich an den Kenndaten etwas ändert.

[0025] Wenn der Elektromotor 25 für die Übertragung von Abgas- und elektrischer Energie auf die Abtriebswelle 23 für mindestens die etwa zweifache Leistung, welche die Abgas-Nutzturbine 26 alleine aufbringen kann, ausgelegt wird, dann bedeutet dies, dass so mindestens das Zweifache der Abgasturbinenleistung aus dem Speicherpotential von extern bezogener und in einer normalerweise angeschlossenen Batterie 31 gespeicherter Energie (siehe unten die Beschreibung zu 75, 76) aus dieser wieder bezogen werden kann, die jedoch mindestens als Pufferbatterie ausgelegt ist, vorzugsweise aber eine weit höhere Speicherkapazität besitzt, wie später noch erläutert wird.

[0026] Das Steuergerät 32 ist vorzugsweise mit einem Programm versehen, durch welches beim Erreichen eines vorgegebenen Mindest-Speicher-Potentials der Batterie 31 (welches über die Signalübertragung 61 festgestellt wird), die Gesamtstromlieferung an die Elektromotoren 17 und 25 pro Zeiteinheit aus der Batterie 31 im Verhältnis zur kontinuierlich zeitlichen Einspeisung durch den Generator 30 kleiner ausfällt, damit dieses Mindest-Speicher-Potential im Fall des Unterschreitens möglichst bald wieder überschritten wird.

[0027] Die Tatsache, dass der Elektromotor 25 an der Welle 23, also nach der Kupplung 21 und dem Untersetzungsgetriebe 22 angreift, hat den Vorteil, dass der Elektromotor die Drehzahlsprünge des Verbrennungsmotors – hervorgerufen durch die Gangwechsel des Untersetzungsgetriebes, nicht nachführen muss. Des Weiteren wäre es auch möglich, den Elektromotor 25 vor dem nicht dargestellten Differenzialgetriebe eines Fahrzeuges zu platzieren, oder zur Verstärkung des Antriebes durch die Verbrennungskraftmaschine 2 mehrere Elektromotoren zu verwenden und diese in die Radnaben eines Fahrzeuges einzubauen. Ebenso sei erwähnt, dass anstatt eines Zahnrad-Vorgeleges ein Riemen- oder Gliederkettentrieb oder auch ein Riemen- oder Gliederketten-Variatorgetriebe zur Übertragung von elektrischer Energie über den Elektromotor 25 auf den Antrieb eingesetzt werden kann.

[0028] Da die den Generator 30 antreibende Abgas-Nutzturbine 26 je nach dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 2 (Leerlauf bis Volllast) den Generator mit verschiedener Geschwindigkeit, und damit unterschiedlicher Ausgangsleistung des Generators 30, antreibt, wird der vom Generator 30 erzeugte Strom über Stromzuführungen 49 und 49a vorzugsweise an eine aufladbare Batterie 31 (Stromspeicher bzw. Akkumulator) geleitet. Die Batterie 31 übt eine Puffer- und Strom-Verteilfunktion aus und leitet den eingespeisten Strom den Anforderungen entsprechend über Stromzuführungen 48 und 48a an den Elektromotor 17 zum Antrieb des Zuluft-Fördermittels 16, und über Stromzuführungen 51 und 51a dem Elektromotor 25 zur Energieübertragung auf die Abtriebswelle 23 zu. Wegen der ungleichen Stromzu- und -abflüsse sowie für einen Netz-Last-Ausgleich, wird eben ein Teil dieses vom Generator 30 eingespeisten Stromes in vorteilhafter Weise zwischenzeitlich in der Batterie 31 gespeichert.

[0029] Die Batterie 31 ist aber vorteilhaft so dimensioniert, dass für diese Zwischenspeicherung nur ein kleines Speicherpotential der Batterie 31 ausgeschöpft wird. Neben diesem kleinen Speicherpotential und einem ebenfalls kleinen Sicherheitspotential ist in der Batterie 31 ein relativ grosses Speicherpotential zur Speicherung von Strom vorgesehen, der aus einer Überproduktion an Strom des Generators 30 stammt und/oder aus einem externen Stromnetz geladen und gespeichert wird. Zur Aufladung aus dem externen Stromnetz dient ein dem Stand der Technik entsprechendes Ladegerät mit einem Batterieanschluss 77, einem Gleichrichter 76 und Stecker 75.

[0030] Der Betriebszustand der Batterie 31 wird kontinuierlich über eine Signalübertragung bzw. Überwachungsleitung 61 an ein Steuergerät 32 gemeldet, das aus einem Prozessor bzw. einem Computer gebildet sein kann. Dieses Steuergerät 32 betätigt nötigenfalls mindestens einen Stromunterbrechungs-Schalter 46, 47, 74, 85, 86 für eine einseitige oder doppelseitige Überbrückung. Der Schalter 46 liegt in einer Strom-Bypassleitung 50, 73 vom Generator 30 zum Elektromotor 25. Mit der erfindungsgemässen Lösung ist es möglich, die Gesamtleistung von Verbrennungsmotor 2 und der Abgas-Nutzturbine 26, zweckmässig abzüglich des Leistungsbedarfes des Fördermittels 16, das ja vorzugsweise Priorität hat, zumindest zeitbezogen weitgehend konstant zu halten, wobei elektrische Zusatzleistung über den Elektromotor 25 aus dem Potential der Batterie 31 mittels Brennstoffreduktion kompensiert werden kann. Somit ist es vorteilhaft, wenn ein Programm im Steuergerät 32 so ausgelegt ist, dass es bei über die Leitung 61 (als Teile eines Steuerkreises 32, 61) mitgeteiltem Unterschreiten einer Mindestspannung der Batterie oder bei Ausfall derselben, den oder die Schalter 46, 47, 74, 85, 86 im Sinne einer Überbrückung der Batterie 31 betätigt.

[0031] Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Steuergerät 32 mit einem Programm versehen ist, welches der Zufuhr elektrischer Energie zum Motor 17 Priorität einräumt und erst dann den Elektromotor 25 über den Schalter 86 mit der Batterie 31 verbindet oder über den Schalter 46 den Elektromotor 25 direkt an den Generator 30 anschliesst, wenn über den Bedarf des Elektromotors 17 hinausgehende elektrische Energie vorhanden ist. Dabei wird die Drehzahl des Elektromotors 17 vorteilhaft so geregelt, dass die Drehzahl dieses Elektromotors 17 im Normalfall bei gleichförmiger Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 in etwa proportional der Drehzahl der Kurbelwelle desselben verläuft, dass also die Zufuhr der korrekten Menge von Zuluft zur Verbrennungskraftmaschine 2 für jeden Betriebszustand jederzeit und dauernd gesichert ist. Es kann aber vorgesehen werden, dass bei einer gewollten raschen Beschleunigung des Fahrzeuges durch abruptes Niedertreten des Gaspedals (siehe die unten gegebene Beschreibung des Pedales 33 und seiner Sensoren) die Drehzahl des Fördermittels 16 vorauseilend auf den zu erwartenden Wert beschleunigt wird.

[0032] Die Stromunterbrechungs-Schalter 46, 47, 74, 85, 86 können über Stromführungen 60 aus dem Steuergerät 32, z.B. nach einem in ihm gespeicherten Programm, welches den Betriebszustand der Batterie 31 mit der Betätigung der Schalter in Beziehung setzt, aktiviert werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass all die genannten Schalter zweckmässig elektronische Schalter, wie Transistoren, sind. Durch Betätigen der Schalter 46, 47, 74, 85, 86 kann allenfalls die Batterie überbrückt werden, worauf die Motoren 17 und/oder 25 direkt, vom Generator 30, gespeist werden. Dies kann als Sicherheitsmassnahme für den Fall vorgesehen werden, dass die Batterie 31 ausfällt.

[0033] In der Zeichnung sind alle elektrischen Maschinen und Aggregate als Gleichstromaggregate dargestellt. Es versteht sich, dass – abgesehen von der Batterie – auch Wechselstrommaschinen und -aggregate sowie Gleichrichter und Frequenzumformer dann in den Stromführungen 48a, 49a, 51a eingesetzt werden können.

[0034] Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in der Führerkabine des Fahrzeuges, etwa an einem lediglich schematisch angedeuteten Armaturenbrett 72, ein Wahlschalter 79 vorgesehen sein. Mit diesem Wahlschalter 79 kann der Fahrzeugführer stufenlos oder in kleinen Stufen wählen, wie viel Prozent Energie pro Zeiteinheit aus dem grossen Speicherpotential der Batterie 31, abzüglich der für den Motor 17 benötigten Energie, dem Elektromotor 25 zuzuführen ist bzw. der Elektromotor 25 beziehen kann, der etwa im Stadtbetrieb oder bei nahe gelegener Auflademöglichkeit einen höheren Prozentsatz erhält als auf Überlandstrecken. Die gewählte Prozentzahl wird über die Signalübertragung 80 an das Steuergerät 32 als Information weitergegeben, welches den, übrigens auch als Generator betreibbaren, Elektromotor 25 über eine Signalübertragung 54 entsprechend steuert.

[0035] Je höher der Wahlschalter 79 eingestellt wird, desto schneller ist die in der Batterie 31 gespeicherte Energie aufgebraucht, bei einer Einstellung von 0% bleibt die gespeicherte Energie erhalten. Hat etwa ein Fahrer mit voll aufgeladener Batterie 31 eine Strecke bis zu einer Stadt zurückzulegen, kann er z.B. bei seiner Abfahrt 0% wählen, damit der gespeicherte Strom bis zum Erreichen des Stadtrandes erhalten bleibt, um dann bei Einfahrt in die Stadt auf rein elektrischen Antrieb über den Elektromotor 25 umzuschalten. Die Umschaltung kann alternativ auch über die Signale eines Navigationsgerätes automatisch erfolgen bzw. beeinflusst werden. Stünde umgekehrt eine längere Autobahnfahrt bevor, wählte der Fahrer z.B. 10%, um über die ganze Strecke etwas Brennstoff einsparen zu können. Ist Speicherpotential der Batterie 31 aufgebraucht, und der Elektromotor 25 kann nur noch die Abgasturbinenleistung, im bevorzugten Fall abzüglich der Leistung für das Fördermittel 16, an die Abtriebswelle 23 leiten, schaltet das Steuergerät 32 automatisch auf grösseren Brennstoffverbrauch für die Verbrennungskraftmaschine 2, um die Gesamtleistung des Systems aufrechterhalten zu können.

[0036] Die Signalübertragung 54 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie Signale vom Steuergerät 32 zum Elektromotor/Generator 25 sowohl zur Steuerung der Motorenabtriebsleistung und/oder zum Umschalten auf Generatorenbetrieb und/oder zur Steuerung der Stromstärke im Generatorenbetrieb leitet als auch umgekehrt zur Rückmeldung des Betriebszustandes des Motor/Generators 25. Sie kann deshalb als Bus ausgebildet sein.

[0037] Entsprechend dem Stand der Technik treibt die Verbrennungskraftmaschine 2 über eine Kupplung 21 und das schon genannte Untersetzungsgetriebe 22 mit variablen Eingangs- bzw. Abgangsdrehzahlen über ein nicht dargestelltes Differenzial die Räder des Fahrzeuges an. Die Kupplung 21 dient in bekannter Weise zur Unterbrechung des Vortriebes zum Gangwechsel. Die Kupplung kann eine Trocken-Scheiben- oder eine Flüssigkeitskupplung, eine sogenannte Turbokupplung sein. Ebenfalls kann ein sogenanntes Doppelkupplungsgetriebe zur Anwendung kommen, bei dem eine Trennung des Antriebes im Getriebe selber erfolgt.

[0038] Bei der dargestellten Ausführungsform greift der Elektromotor 25 über seine Abtriebswelle 71 und ein Zahnrad-Vorgelege 24 in die Abtriebswelle 23 ein. Statt des Zahnrad-Vorgeleges kann auch hier wiederum ein Riemen- oder Gliederkettentrieb zur Anwendung kommen. Dieser Eingriff dient zur Übertragung der über die Abgasturbine 26 vom Generator 30 gelieferten und über die Batterie 31 abgegebenen elektrischen Energie, so dass die Abgasenergie zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine 2 herangezogen wird. Diese Verbindung der elektrischen Maschine 25 mit der Ausgangswelle bzw. Abtriebswelle 23 des Untersetzungsgetriebes 22 erlaubt auch die Rekuperation von Bremsenergie, wenn die Maschine 25 auch als Generator betreibbar ist; im Motorbetrieb der elektrischen Maschine 25 hingegen gute Beschleunigungswerte des Fahrzeuges bei Fahrgeschwindigkeits- Erhöhung, trotz guter Energieeffizienz.

[0039] Zur Verbesserung der Energieeffizienz werden die Gas- und Bremspedale mit Sensoren ausgerüstet sein. So ist im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel das Gaspedal 33 des Fahrzeuges mit einem Beschleunigungs-Messsensor 37 (Accelerometer) und einem Pedalpositions-Feststellungs-Sensor 36 versehen. Anderseits kann das Bremspedal 34 des Fahrzeuges mit einem Druckmesssensor 35 versehen sein. Die Sensoren 35–37 kommunizieren über Signalübertragungen 57, 58, 59 mit dem Steuergerät 32. Der Vortrieb unter Last erzeugt an der Untersetzungsgetriebe-Abtriebswelle 23 ein Drehmoment in einer bestimmten Richtung. Der Wert des Drehmomentes wird mit einem Sensor 38, z.B. einem piezoelektrischen Dehnmessstreifen, erfasst, der Wert berührungslos induktiv von der Welle auf eine Auswerteschaltung, insbesondere auf eine Vollbrücke, übertragen und über eine Signalübertragung 64 an das Steuergerät 32 geleitet. Es ist auch möglich, zwei Dehnungsmessstreifen quer zueinander anzubringen. Da es auch darauf ankommt, ob die Verbrennungskraftmaschine 2 zusammen mit dem Elektromotor 25 Vortrieb erzeugt, oder aber die kinetische Energie der Fahrzeugmasse die beweglichen Masseteile der Verbrennungskraftmaschine 2 (Kurbelwelle, Pleuel, Kolben, Nockenwelle, Ventile) antreibt, wird der Richtungssinn des Drehmomentes an der Abtriebswelle 23 durch einen der Abtriebswelle 23 zugeordneten Sensor 39 erfasst und das Resultat über eine Signalübertragung 65 an das Steuergerät 32 geleitet. An der Abtriebswelle 23 ist auch noch ein Drehzahlmess-Sensor 45 angebracht und überträgt sein Signal über eine Signalübertragung 63 an das Steuergerät 32.

[0040] Wird durch das Gaspedal 33 die Brennstoffzufuhr 8,8a unterbrochen oder so stark gedrosselt, dass praktisch kein nennenswerter Vortrieb seitens der Verbrennungskraftmaschine 2 mehr besteht, dreht sich der Drehsinn des Drehmomentes. Die Feststellung dieses Wechsels des Drehsinns bewirkt über das Steuergerät 32 mittels Signalübertragung 54 an den Elektromotor 25 dessen Umstellung von Motor- auf Generatorbetrieb. Ebenso kann diese Feststellung bewirken, dass über das Steuergerät 32 und Signalübertragungen 55, 55a, 82 die Ein- und Auslassventile 7, 6 auf Luft-Pump-Aktion gestellt werden und über die Signalübertragung 82 ein 3-Weg-Ventil 81 in der Zuluftleitung 11 nach dem Fördermittel 16 und dem Ladeluftkühler 19 auf Frischlufteinlass entsprechend dem von oben kommenden Pfeil in der Zeichnung gestellt wird. Während bei normalem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 die Ventile 6 und 7 abwechselnd bei jedem zweiten Hub betätigt werden, geschieht dies beim Luft-Pump-Betrieb bei jedem Hub, wie bei einer normalen Pumpe. Dies ist bei nockengetriebenen Ventilen 6, 7 mechanisch schwierig, weshalb eine hydraulische oder elektromagnetische Steuerung bevorzugt ist.

[0041] Es versteht sich, dass bei einer Zweitakt-Kolben wie auch bei einer Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine diese spezielle Steuerung der Ein- und Auslassventile entfällt, die Ansteuerung des Dreiwegventils 81 jedoch bestehen bleibt.

[0042] Die Steuerung des 3-Weg-Ventils erfolgt vom Steuergerät 32 über eine Signalübertragung 82. Gleichzeitig zu dieser Aktion wird über eine Signalübertragung 52 der Elektromotor 17 und damit auch das Fördermittel 16 stillgelegt. Die Luft-Pump-Aktion der Ventile bedeutet, dass bei jeder Abwärtsbewegung des Kolbens 4 das Einlassventil 7 offen ist und das Auslassventil 6 geschlossen bleibt. Bei jeder Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 bleibt das Einlassventil 7 geschlossen und das Auslassventil 6 offen. Die Verbrennungskraftmaschine 2, angetrieben durch die kinetische Energie der Fahrzeugmasse, arbeitet dann als Kompressor für den Antrieb der Turbine 12. Die Signalübertragung 52 dient zweckmässig sowohl zur Drehzahlsteuerung des Elektromotors 17 als auch umgekehrt zur Rückmeldung des Betriebszustandes des Motors 17 und indirekt des Fördermittels 16. Deshalb kann diese Signalübertragung als Bus ausgestaltet sein.

[0043] Die oben beschriebenen, an der Antriebswelle 23 sitzenden Sensoren 38, 39 und 45 erlauben auch eine weitere Rekuperation von Energie. Bei Vortrieb, d.h. bei normalem Antrieb des Fahrzeuges und gedrückten Gaspedal 33, entsteht eine bestimmte, positive, Drehmoment-Richtung an der Welle 23. Bei Rücknahme des Gaspedals 33 auf die 0-Stellung wird die Brennstoffzufuhr unterbrochen oder zumindest so gedrosselt, dass kein nennenswerter Vortrieb mehr besteht. Das Bewegungspotential der Fahrzeugmasse treibt die bewegten Motorteile an und muss die Leistung der Kompression im Zylinder 3 aufbringen. Das Drehmoment an der Antriebswelle 23 des Untersetzungsgetriebes 22 wird negativ. Der Drehmoment-Richtungssensor 39 sendet diesen Richtungswechsel als Information zum Steuergerät 32, welches per Programm die elektrische Maschine 25 auf Generatorbetrieb umstellt. Gleichzeitig kann dasselbe Programm auch den oben beschriebenen Luft-Pump-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 veranlassen. Erst wenn stärker gebremst wird, meldet dies der Pedalsensor 35, worauf die mechanische Bremse betätigt wird. Bei einem alternativen Programm können zuerst die, zweckmässig hydraulisch oder elektromagnetisch betätigten, Ventile 6, 7 auf die oben beschriebene Luft-Pump-Aktion eingestellt werden, was schon eine gewisse Bremswirkung ergibt, und erst auf weiteren, verstärkten Bremspedal-Druck hin wird der Elektromotor 25 auf Generator-Funktion umgestellt. Es versteht sich, dass der Luft-Pump-Betrieb hier besonders vorteilhaft ist.

[0044] Zusätzlich zu all diesen Aktionen im Rekuperationsbetrieb besteht die Möglichkeit, dass über eine Signalübertragung 53 das Gegenmoment des Generators 30 der nun wohl schwächeren Leistung der Abgas-Nutzturbine 26 angepasst wird. Das ist beispielsweise durch Veränderung des Erregungsstromes des Generators oder durch Veränderung des Luftspaltes möglich, etwa mit einem relativ zum Stator axial verschiebbaren, allenfalls konischen, Läufer. Das Gegenmoment kann also variiert werden, und bei weiter erhöhtem Bremspedaldruck wieder erhöht werden. Es sei erwähnt, dass die Signalübertragung 53 einerseits vom Steuergerät 32 zum Generator 30 zur Steuerung der zu erzeugenden Stromstärke und gegebenenfalls anderseits umgekehrt zur Rückmeldung des Betriebszustandes des Generators dienen und vorteilhaft als Bus ausgebildet sein kann. Die Signalübertragung 53 vom Steuergerät 32 zum Generator 30 dient zweckmässig sowohl zur Steuerung der zu erzeugenden Stromstärke als auch umgekehrt zur Rückmeldung des Betriebszustandes des Generators. Deshalb kann diese Signalübertragung als Bus ausgestaltet sein.

[0045] Zwar sind in der Figur zur Betätigung der Ventile 6, 7 Nockenwellen 9, 10 angedeutet. Für die Umstellung der Ventile auf die eben besprochene Luft-Pump-Aktion eignete sich aber eine voll hydraulische oder elektromagnetische Ventilbetätigung besser.

[0046] Der allenfalls vorzugsweise vorgesehene Beschleunigungs-Messsensor 37 und der Positions-Feststellungs-Sensor 36 am Gaspedal 33 können bewirken, dass bei abruptem Niedertreten des Gaspedals 33 (was eben zu einer erhöhten Beschleunigung der Gaspedalbewegung führt) der Elektromotor 17 über seine Antriebswelle 18 auch das Fördermittel 16 vorauseilend auf die, per Pedalstellungs-Sensor 36 registrierte aktuelle Stellung, passende Drehzahl dynamisch beschleunigt wird. Damit werden ohne Beschleunigungshemmnis gute Fahrzeugbeschleunigungen erreicht.

[0047] Im Führerstand des Fahrzeuges befindet sich vorzugsweise auch ein Auf/Zu- bzw. Umschalter 89. Mit diesem kann der Chauffeur über eine Signalübertragung 90 und das Steuergerät 32 auf reinen elektromotorischen Vortrieb durch den Elektromotor 25 umschalten. Mittels einer Signalübertragung 88 und eines Kupplungs-Betätigungs-Mechanismus 87 wird die Kupplung 21 geöffnet und der Antriebsstrang von der Verbrennungskraftmaschine 2 abgetrennt.

[0048] Folgende weitere Sensoren können vorgesehen sein, um den Betrieb der Antriebseinheit 1 über die Steuerstufe 32 zu optimieren: Ein Sensor 40 zur Feststellung der Kupplungsstellung mit einer Signalübertragung 66; nämlich der Offen- oder Geschlossenstellung bei einer Trockenscheiben-Kupplung, oder der Stillstandsanzeige der Kupplungshälfte zum Untersetzungsgetriebe 22 bei einer hydrodynamischen Flüssigkeitskupplung.

[0049] Ferner kann ein Drehzahl-Messsensor 41 an der Antriebswelle 20 der Verbrennungskraftmaschine 2 mit einer Signalübertragung 67 vorgesehen sein; ein Drehmoment-Messsensor 91 an der Antriebswelle 20 der Verbrennungskraftmaschine 2 mit einer Signalübertragung 92, ein Druckmess-Sensor 44 in der Zuluftleitung 11 der Verbrennungskraftmaschine 2 mit einer Signalübertragung 93 zur Brennstoffzufuhr-Dosierung vom Steuergerät 32 zur Brennstoff-Einspritzung am Ende der Leitung 8.

[0050] Auch kann ein Drehzahl-Messsensor 43 an der Welle 18 des Motors 17 mit einer Signalübertragung 62 vorhanden sein, ein Drehzahl-Messsensor 42 an der Generator-Antriebswelle 74 ́ mit einer Signalübertragung 73 und ein Drehmoment-Sensor 83 an der Antriebswelle 74 ́ des Generators 30 mit einer Signalübertragung 84. Deren Signale können alle, zusammen mit den in das Steuergerät 32 vorgegebenen und einprogrammierten Kennzahlen und Werten der einzelnen Maschinen, zur Steuerung und Regulierung der kompletten Antriebseinheit 1 dienen.

[0051] Da eine Batterie 31 nur Gleichstrom zu speichern vermag, können die dargestellten elektrischen Maschinen 17, 25, 30 Gleichstrommaschinen sein. Alternativ können auch Wechselstrom-Aggregate zum Einsatz kommen. Dann werden in die elektrischen Stromzuführungen 48a, 49a, 51a rund um die Batterie 31 der jeweils notwendige Gleichrichter und allenfalls ein Frequenzumformer eingebaut.

[0052] Es ist klar, dass die nachfolgende Bezugszeichenliste Teil der Offenbarung dieser Beschreibung ist. In der Zeichnung ist nur ein Zylinder 3 dargestellt, doch versteht es sich, dass eine erfindungsgemässe Antriebseinheit 1 auch bei Mehrzylindermaschinen zur Ausführung kommen kann.

Bezugszeichenliste

[0053] <tb>1<SEP>Antriebseinheit<SEP>2<SEP>Verbrennungskraftmaschine <tb>3<SEP>Zylinder<SEP>4<SEP>Kolben <tb>5<SEP>Kurbeltrieb<SEP>6<SEP>Auslassventil <tb>7<SEP>Einlassventil<SEP>8<SEP>Brennstoff-Zufuhrleitung zu <tb>8a<SEP>Brennstoff-Einspritzung<SEP>9<SEP>Auslass-Nockenwelle <tb>10<SEP>Einlass-Nockenwelle<SEP>11<SEP>Zuluftleitung <tb>12<SEP>Abgasleitung<SEP>13<SEP>Kühlmittel-Kühler <tb>14<SEP>Kühlmittelpumpe<SEP>15<SEP>Kühlmittel-Umwälzleitung <tb>16<SEP>Fördermittel<SEP>17<SEP>Elektromotor für 16 <tb>18<SEP>Antriebswelle v. 17<SEP>19<SEP>Ladeluft-Kühler <tb>20<SEP>Antriebswelle v. 2<SEP>21<SEP>Kupplung <tb>22<SEP>variables Untersetzungsgetriebe<SEP>23<SEP>Abtriebswelle v. 22 <tb>24<SEP>Zahnrad-Vorgelege auf 23<SEP>25<SEP>Elektromotor/Generator <tb>26<SEP>Abgas-Nutzturbine<SEP>27<SEP>Abgasreinigung <tb>28<SEP>Schalldämpfer<SEP>29<SEP>Untersetzungsgetriebe nach 26 <tb>30<SEP>Stromgenerator<SEP>31<SEP>Stromspeicher/Batterie <tb>32<SEP>Steuergerät<SEP>33<SEP>Gaspedal <tb>34<SEP>Bremspedal<SEP>35<SEP>Druckmess-Sensor an 34 <tb>36<SEP>Pedalpositions-Feststellungs-Sensor<SEP>37<SEP>Beschleunigungs-Messsensor an 33 <tb>38<SEP>Drehmoment-Sensor an 23<SEP>39<SEP>Drehmoment-Richtungssinn-Sensor <tb>40<SEP>Kupplungsstellungs-Sensor<SEP>41<SEP>Drehzahl-Messsensor an 20 <tb>42<SEP>Drehzahl-Messsensor an 74 ́<SEP>43<SEP>Drehzahl-Messsensor an 18 <tb>44<SEP>Druck-Messsensor an 11<SEP>45<SEP>Drehzahl-Messsensor an 23 <tb>46<SEP>Schalter im Nebenschluss 50<SEP>47<SEP>Schalter von 30 zu 31 <tb>48<SEP>Stromzuführung zu 17<SEP>48a<SEP>Schalter in 48 <tb>49, 49a<SEP>Stromzuführung von 30 zu 31<SEP>50<SEP>Strom-Bypassleitung mit 73 ́ <tb>51<SEP>Stromzuführungen von 31 zu 25<SEP>52<SEP>Signalübertragung zwischen 32 & 17 <tb>53<SEP>Signalübertragung zwischen 32 & 30<SEP>54<SEP>Signalübertragung zwischen 32 & 25 <tb>55<SEP>Signalübertragung für 6<SEP>55a<SEP>Signalübertragung zwischen 32 & 8 <tb>56<SEP>Signalübertragung für 7<SEP>57<SEP>Signalübertragung v. 36 zu 32 <tb>58<SEP>Signalübertragung v. 37 zu 32<SEP>59<SEP>Signalübertragung v. 35 zu 32 <tb>60<SEP>Signalübertragung v. 32 zu Schaltern<SEP>61<SEP>Signalübertragung v. 31 zu 32 <tb>62<SEP>Signalübertragung v. 43 zu 32<SEP>63<SEP>Signalübertragung v. 45 zu 32 <tb>64<SEP>Signalübertragung v. 38 zu 32<SEP>65<SEP>Signalübertragung v. 39 zu 32 <tb>66<SEP>Signalübertragung v. 40 zu 32<SEP>67<SEP>Signalübertragung v. 41 zu 32 <tb>68<SEP>Signalübertragung v. 44 zu 32<SEP>69<SEP>Signalübertragung v. 70 zu 32 <tb>70<SEP>Drehmoment-Messsensor an 71<SEP>71<SEP>Welle von 25 <tb>72<SEP>Fahrerkabine/Armaturenbrett<SEP>73<SEP>Strom-Bypassleitung mit 50 <tb>74<SEP>Schalter in 73 ́<SEP><SEP> <tb>75<SEP>Netzstecker<SEP>76<SEP>Gleichrichter (Ladegerät) <tb>77<SEP>Batterieanschluss<SEP>78<SEP>Signalübertragung v. 22 zu 32 <tb>79<SEP>Wahlschalter<SEP>80<SEP>Signalübertragung v. 79 zu 32 <tb>81<SEP>3-Weg-Ventil in 11<SEP>82<SEP>Signalübertragung v. 32 zu 81 <tb>83<SEP>Drehmoment-Sensor an 95<SEP>84<SEP>Signalübertragung v. 83 zu 32 <tb>85<SEP>Schalter an 48a, 48<SEP>86<SEP>Schalter an 51a, 51 <tb>87<SEP>Kupplungs-Betätigungs-Mechanismus<SEP>88<SEP>Signalübertragung v. 32 zu 87 <tb>89<SEP>Auf/Zu-Schalter<SEP>90<SEP>Signalübertragung v. 89 zu 32 <tb>91<SEP>Drehmoment-Sensor an 20<SEP>92<SEP>Signalübertragung v. 91 zu 32 <tb>93<SEP>Signalübertragung von 32 zu 8<SEP>94<SEP>Signalübertragung v. 42 zu 32 <tb>95<SEP>Welle zu 30<SEP><SEP>

Claims

1. Antriebseinheit (1) für den Betrieb eines Fahrzeuges mit einem Steuergerät (32) und mit <tb>a)<SEP>einer über eine Antriebswelle (20) das Fahrzeug antreibenden, mit Ladeluft aufladbaren Verbrennungskraftmaschine (2), <tb>b)<SEP>einer der Verbrennungskraftmaschine (2) nachgeschalteten Abgas-Nutzturbine (26) zum Betrieb eines elektrischen Generators (30), <tb>c)<SEP>dessen (30) erzeugter Strom in eine, vorzugsweise aus einem externen Stromnetz, z.B. über einen Gleichrichter (76), aufladbaren, Batterie (31) zur zwischenzeitlichen Speicherung einspeisbar ist, <tb>d)<SEP>einem mit dem vom Generator (30) erzeugten Strom betreibbaren Elektromotor (25), <tb>e)<SEP>der mit der Abtriebswelle (23) eines der Verbrennungskraftmaschine (2) nachgeschalteten Getriebes (22) verbunden ist, <tb>dadurch gekennzeichnet, <tb>f)<SEP>dass das Getriebe (22) eines mit variablen Eingangs- bzw. Abgangsdrehzahlen ist, <tb>g)<SEP>dass dem Getriebe (22) ein Kupplungsglied (21) zugeschaltet ist, <tb>h)<SEP>die Ladeluft für die Verbrennungskraftmaschine von einem mittels eines weiteren Elektromotors (17) antreibbaren Fördermittel (16), vorzugsweise einem Verdrängerverdichter, bereitstellbar ist, und <tb>i)<SEP>dass die Abgas-Nutzturbine (26) ausschliesslich für den Antrieb des Generators (30) vorgesehen und ausgebildet ist.

2. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas-Nutzturbine (26) zum Antrieb des Generators (30) über ein Getriebe (29) mit diesem mechanisch verbunden ist.

3. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (31) über Bypass-Stromführungen (49, 50) und mindestens einen Stromunterbrechungs-Schalter (46, 47, 74, 85, 86) überbrückbar ist, und dass der/die Stromunterbrechungs-Schalter (46, 47, 74, 85, 86) vom Steuergerät (32) über zumindest eine Signalübertragung (61) zur Überbrückung der Batterie (31) bei Unterschreiten einer Mindestspannung betätigbar sind.

4. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (32) mit einem Programm vorgesehen ist, durch welches dem Elektromotor (17) für den Antrieb des Ladeluft zum Verbrennungsmotor (2) bringenden Fördermittels (16) Priorität eingeräumt und dieser daher im Wesentlichen stets mit Strom von der Batterie (31) und/oder dem Generator (30) belieferbar ist, und erst bei noch ungenutzter Stromlieferkapazität der mit der Abtriebswelle (23) in Verbindung stehende Elektromotor (25) mit Strom versorgbar ist, wobei dem Steuergerät (32) mindestens eine Signalübertragungseinrichtung (53, 61) zugeordnet ist, durch welche die Stromlieferkapazität feststellbar ist.

5. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (32) mit einem Programm vorgesehen ist, durch welches beim Erreichen eines vorgegebenen, durch eine Signalübertragung (61) aus der Batterie (31) festgestellten Mindest-Speicher-Potentials die Gesamtstromlieferung pro Zeiteinheit aus der Batterie (31) im Verhältnis zur kontinuierlich zeitlichen Einspeisung durch den Generator (30) kleiner ausfällt.

6. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wahlschalter (79) vorgesehen ist, der mit den über das Steuergerät (32) zum Generator (30) und zur Batterie führenden Signalübertragungen (53, 61, 80) verbunden ist, und durch welchen der prozentuale Anteil an aus dem Speicherpotential der Batterie (31) zu beziehender Energie pro Zeiteinheit im Verhältnis zur vom Generator (30) eingespeisten Energie pro Zeiteinheit festlegbar ist, vorzugsweise unter Abzug der für den Betrieb des Fördermittels (16) bzw. des Elektromotors (17) abgezweigten Energie.

7. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (32) mit einem Programmspeicher vorgesehen ist, in welchem Kennwerte aus Konstruktion und Auslegung der einzelnen, oben genannten Aggregate, nämlich der Verbrennungskraftmaschine (2), der Abgas-Nutzturbine (26), des Fördermittels (16) und der Elektromotoren (17) und (25), wie Drehmomente/Leistungen in Funktion der Drehzahlen, Stromstärken/Leistungen in Funktion der Drehzahlen und Feldmagnetisierungen usw. abgespeichert sind.

8. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (17) zum Betrieb des Fördermittels (16) ein Motor (17) mit variabler Drehzahl ist und über das Steuergerät (32) seine Drehzahl bzw. die Drehzahl des Fördermittels (16) in einem proportionalen Verhältnis zur jeweiligen Drehzahl der Antriebswelle (20) der Verbrennungskraftmaschine (2) haltbar und veränderbar ist.

9. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtungssinn des Drehmomentes an der Abtriebswelle (23) des Getriebes (22), nämlich ob die Verbrennungskraftmaschine (2) zusammen mit dem Elektromotor 25 vorantreibt oder umgekehrt die kinetische Energie der Fahrzeugmasse die Verbrennungskraftmaschine treibt, durch einen Sensor (39) erfassbar ist, und bei dem so festgestellten Wechsel von Fahr-Vortrieb auf Auslauf-Rollbetrieb das mit dem Sensor (39) verbundene Steuergerät (32) den Elektromotor (25) auf Generatorbetrieb und/oder die Ein- und Auslassventile (6, 7) auf Luft-Pump-Aktion zum bremsenden Pumpen von Luft in die Abgas-Nutzturbine (26) und/oder ein 3-Weg-Ventil (81) in der Ansaugleitung (11) der Verbrennungskraftmaschine (2) auf Lufteinlass stellbar ist, wobei gleichzeitig die Brennstoffzufuhr (8, 8a) und das Fördermittel (16) via dessen Elektromotor (17) stilllegbar ist, und dass vorzugsweise ein Drucksensor (35) für den Druck am Bremspedal (34) des Fahrzeuges vorgesehen ist, welcher über Signalübertragungen (59, 53, 54) mit dem Steuergerät (32) verbunden ist, über welche der mit der Abtriebswelle (23) getrieblich verbundene Elektromotor (25) in einen Generatorbetrieb schaltbar ist, und insbesondere vorhergehend oder anschliessend – proportional der Druckzunahme am Drucksensor (35) – der Luft-Pump-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einschaltbar ist, wobei gegebenenfalls die zu produzierende Stromstärke des im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotors (25) und damit das Bremsmoment, insbesondere durch Veränderung der Feldmagnetisierung, veränderbar ist.

10. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalter (89) vorgesehen ist, der über Signalübertragungen (90, 88, 87; 52, 93) mit dem Steuergerät (32) zum Abtrennen der Verbrennungskraftmaschine (2) vom Getriebe (22) über die Kupplung (21) des Fahrzeuges bei gleichzeitigem Antrieb desselben durch den Elektromotor (25) verbunden ist, wobei vorzugsweise das Steuergerät (32) und Signalübertragungen (90, 88, 87; 52, 93) auch zum Abschalten der Verbrennungskraftmaschine (2) und des Elektromotors (17) für den Antrieb des Fördermittels ausgebildet sind.