DE10148213B4

DE10148213B4 - Fahrzeug mit Hauptantriebsmotor, Kompressor und Stromquelle und Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs

Info

Publication number: DE10148213B4
Application number: DE10148213A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Stute; Gerhard Dr. Konrad; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Unser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: DE10148213A1; EP1300589A3; US20030062205A1; EP1300589A2

Abstract

Fahrzeug, insbesondere Personen- oder Nutzfahrzeug, mit einem Hauptantriebsmotor, mit einem durch einen Elektromotor antreibbaren Luftpresser und mit einer elektrischen Stromquelle, aus welcher der Elektromotor gespeist wird, wobei der Luftpresser wahlweise mit dem Hauptantriebsmotor oder mit dem Elektromotor in Antriebsverbindung steht, wobei der Luftpresser an einen Ausgangstrieb eines leistungsverzweigten Getriebes angeschlossen ist, wobei das leistungsverzweigte Getriebe zwei Eingangstriebe aufweist, und wobei wahlweise ein erster Eingangstriebmit dem Hauptantriebsmotor und ein zweiter Eingangstrieb mit dem Elektromotor in Antriebsverbindung zu bringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungsverzweigte Getriebe (2) Teil eines im Antriebsstrang vorgesehenen Schalt- oder Automatikgetriebes ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Es ist bei Fahrzeugen dieser Art, insbesondere bei Personen- oder Nutzfahrzeugen bekannt ( DE 36 01 176 C1 ), als Hauptantriebsmotor einen Verbrennungsmotor zu verwenden, der Fahrzeugräder antreibt. Andererseits ist auch ein unabhängig antreibbarer Luftpresser bzw. Kompressor für die Versorgung einer pneumatischen Niveauregelung vorgesehen. Der Luftpresser wird nur unter bestimmten Bedingungen mit elektrischem Strom versorgt, z.B. dann, wenn der Verbrennungsmotor stillsteht sowie eine Zuladung in das Fahrzeug erfolgt und daher eine Niveau-Nachregelung vor dem Neustart des Hauptantriebsmotors erfolgen soll.

Aus der DE 100 04 051 A1 ist ein Verfahren zur Leistungsbereitstellung bekannt, bei dem für Nebenverbraucher in einem elektrischen Antriebssystem neben dem elektrischen Fahrmotor ein weiterer elektrischer vorgesehen ist. Die beiden Motoren können mittels eines leistungsverzweigten Getriebes wahlweise mit dem Nebenverbraucher verbunden werden.

Die DE 697 02 806 T2 zeigt einen ähnlichen Aufbau mit einem Verbrennungsmotor als Hauptantrieb, welcher mit motorisch/generatorisch betreibbaren Elektromaschinen über komplexe leistungsverzweigende Getriebe verschaltbar ist.

Ferner ist aus der nachveröffentlichen DE 101 39 617 A1 der Einsatz einer Brennstoffzelle im Rahmen von hybriden Antriebeseinrichtungen bekannt.

Des weiteren beschriebt die DE 199 23 738 C2 den Einsatz von in einem Fahrzeuge mittels Leistung des Verbrennungsmotors komprimierter Luft für ein Brennstoffzellensystem. Außerdem ist hierin ein zusätzlicher elektrisch angetriebener Luftpresser offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs Maßnahmen zu treffen, durch die ein energieoptimierter, funktionsgerechter Betrieb des Luftpressers ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in zusätzlichen Ansprüchen angegeben.

Bei einem gemäß der Erfindung aufgebauten Fahrzeug kann der Luftpresser bei laufendem Hauptantriebsmotor stets durch die vom Hauptantriebsmotor gelieferte Antriebsenergie angetrieben werden, so daß keine zusätzlichen elektrischen oder mechanischen Wandlungsverluste auftreten, wie sie beim Antrieb durch einen separaten Elektromotor unvermeidlich sind. Zur Abzweigung von Antriebsenergie aus dem Triebstrang, der die Fahrzeugräder antreibt, kann ein leistungsverzweigtes Getriebe eingesetzt werden, über das der Luftpresser mit dem Hauptantriebsmotor in Antriebsverbindung steht. Dieses Getriebe hat neben einem Ausgangstrieb für den Luftpresser und einem ersten Eingangstrieb für die bedarfsweise Kupplung mit dem Hauptantriebsmotor noch einen zweiten Eingangstrieb, der bedarfsweise in Antriebsverbindung mit dem Elektromotor für den Luftpresser steht.

Im leistungsverzweigten Getriebe sind Kuppeleinrichtungen vorgesehen, mittels welchen bei Stillstand oder auch schon bei sehr niedrigen Drehzahlen des Hauptantriebsmotors, die unter einem vorbestimmten Mindest-Drehzahlwert liegen, automatisch eine Umschaltung der Antriebsverbindung des Kompressors vom Hauptantriebsmotor auf den Elektromotor durchgeführt wird, wenn der Luftpresser betriebsnotwendige Funktionen im Fahrzeug aufrecht erhalten soll. Der Elektromotor muß dann jedoch nicht bereits eingeschaltet sein, sondern braucht durch geeignete Steuermittel erst aktiviert zu werden, wenn z.B. komprimierte Luft für Luftverbraucher angefordert wird. Das kann dann notwendig sein, wenn ein vorher aufgefüllter Luftspeicher für die Versorgung von z.B. pneumatischen Bremseinrichtungen oder von Fahrzeug-Niveauregeleinrichtungen nicht ausreichend groß für eine längere Betriebsdauer ist. Wird als Stromquelle statt einer Batterie eine Brennstoffzelle eingesetzt, die z.B. das gesamte Bordnetz des Fahrzeuges mit elektrischer Energie versorgen kann, dann ist es besonders vorteilhaft, mittels des Luftpressers auch die für den Betrieb der einzelnen Zellen der Brennstoffzelle und/oder für einen etwaigen Reformer notwendige sauerstoffhaltige Prozeßluft bereitzustellen. Die Brennstoffzelle kann dabei auch in einem Brennstoffzellensystem angeordnet sein, das auch mit einem üblichen Gaserzeugungssystem ausgerüstet sein kann, bei dem ein Reformer vorgesehen ist, in welchem ein wasserstoffreiches Reformat aus einem Brennmittel gewonnen wird. Dabei liefert die Brennstoffzelle zugleich den elektrischen Strom für den Antrieb des Elektromotor, der anstatt des Hauptantriebsmotors den Luftpresser antreibt, so daß anders als bei einer Batterie als Stromquelle Dauerbetrieb des Bordnetzes und auch des Luftpressers möglich ist.

Erfindungsgemäß ist das leistungsverzweigte Getriebe als Teil des Schaltgetriebes oder Automatikgetriebes ausgebildet, das vorteilhaft im Antriebsstrang zwischen dem Hauptantriebsmotor und den Fahrzeugrädern integriert ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine Prinzipskizze einer Anordnung gemäß der Erfindung und
2 eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung mit einem zusätzlichen Luftpresser.
1 zeigt ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug, insbesondere ein Personen- oder Nutzfahrzeug für Straßen- oder Schienenbetrieb, welches einen Hauptantriebsmotor 1 aufweist, der als Verbrennungsmotor oder als elektrischer Fahrmotor ausgebildet ist. Der Hauptantriebsmotor 1 kann über einen Antriebsstrang mit eingeschaltetem Getriebe 2 und ggf. Kupplung mit einem Paar von Fahrzeugrädern 3 in Antriebsverbindung gebracht werden. Das Getriebe 2 ist als ein leistungsverzweigtes Getriebe 2 ausgebildet, das über einen ersten Eingangstrieb 4 mit dem Hauptantriebsmotor 1 und über einen zweiten Eingangstrieb 5 mit einem zusätzlichen Antriebsmotor, insbesondere mit einem Elektromotor 6 in Antriebsverbindung steht. Das leistungsverzweigte Getriebe 2 kann zudem mit einem ersten Ausgangstrieb 7 versehen sein, der mit den Fahrzeugrädern 3 gekuppelt ist. Außerdem weist das leistungsverzweigte Getriebe 2 einen zweiten Ausgangstrieb 8 auf, über den ein Luftpresser 9 angetrieben wird. Der Luftpresser 9 saugt über einen Ansaugstutzen 10 atmosphärische Luft mit. Sauerstoffanteil aus der Umgebung an und gibt sie verdichtet über eine Druckluftleitung 11 als Prozeßluft zur Zuführung von Sauerstoff für den Stromerzeugungsprozeß an eine als Stromquelle dienende Brennstoffzelle 12 ab. Zudem kann die komprimierte Luft über Abzweigleitungen 11.1 und 11.2 für die Druckluftversorgung von pneumatischen Bremseinrichtungen 13 und Luftfedereinrichtungen bzw. Niveausteuereinrichtungen 14 dienen, mittels welcher die Fahrzeugräder 3 gebremst bzw. das Fahrzeugfederungssystem betrieben werden können.
Die Brennstoffzelle 12 erzeugt bedarfsgesteuert elektrischen Strom, der einem elektrischen Steuersystem 15 zugeführt wird. Das Steuersystem 15 dient der Steuerung des Elektromotors 6, des Hauptantriebsmotors 1 und des leistungsverzweigten Getriebes 2 und kann auch weitere elektrische Steuereinrichtungen oder Verbraucher, wie Lichter 16, Sitzheizungen 17, Entfrosteranlagen 18, Klima- und Belüftungseinrichtungen 19 sowie andere elektrische Verbraucher und auch die Brennstoffzelle 12 sowie eine insbesondere dem Anfahren der Brennstoffzelle 12 dienende Batterie 20 versorgen, steuern und laden.
Die Steuerung des Luftpressers 9 erfolgt bei diesem Aufbau in der Weise, daß im üblichen Fahrbetrieb des Fahrzeuges bei laufendem Hauptantriebsmotor 1 der Luftpresser 9 über das leistungsverzweigte Getriebe 2 angetrieben wird und die notwendigen Luftverbraucher (Brennstoffzelle 12, Bremseinrichtung 13, Niveausteuereinrichtung 14) mit der erforderlichen Luftmenge speist. Wird jedoch der Hauptantriebsmotor 1 abgeschaltet oder läuft derselbe mit einer unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegenden Drehzahl, die eine Bereitstellung der erforderlichen Luftmenge nicht mehr sicherstellt, wird der Elektromotor 6 in Betrieb gesetzt. Der Elektromotor 6 treibt dann unmittelbar über das leistungsverzweigte Getriebe 2 den Luftpresser 9 an, wobei der sonstige Antriebsstrang gegenüber dem Elektromotor 6 entkuppelt ist. Jedoch kann in Sonder- oder Notfällen der Elektromotor 6 auch für den zusätzlichen oder ggf. bei entkuppeltem Hauptantriebsmotor 1 für den alleinigen Antrieb der Fahrzeugräder 3 herangezogen werden. Die Bereitstellung der elektrischen Energie für den zusätzlichen Antriebsmotor 6 erfolgt aus der Brennstoffzelle 12, die vorzugsweise das gesamte elektrische Bordnetz des Fahrzeuges speist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Luftpresser bei zu hohen Drehzahlen des Antriebsmotors ebenfalls unabhängig vom Antriebsmotor mit dem Elektromotor 6 zu betreiben. Dadurch kann der Verbrauch verbessert werden. Besonders große Einsparpotentiale ergeben sich wenn der Luftpresser in der Schubphase vom Antriebsmotor als eine Art „Motorbremse" angetrieben wird, so daß in dieser Phase kein Kraftstoff für die Bereitstellung der Druckluft verbraucht wird. In der Zugphase kann anschließend der Luftpresser 9 im Bedarfsfall durch den Elektromotor 6 angetrieben werden. Dabei kann wahlweise im Zugbetrieb der Antrieb durch den Antriebsmotor 1 oder den Elektromotor 6 erfolgen.
Der Luftpresser liefert vorzugsweise die Druckluft für die Bremsanlage, die Luftfederung und/oder die Niveauregulierung des Fahrzeugs. Vorzugsweise wird im Normalfall der Antrieb des Luftpressers 9 durch den Antriebsmotor 1 und bei zu geringer Drehzahl des Antriebsmotors 1 bzw. bei Stillstand durch den Elektromotor 6.
Insgesamt ergibt sich somit ein energieoptimierter Betrieb des Luftpressers 9, der im Fahrbetrieb vom ohnehin laufenden Hauptantriebsmotor 1 und nur bei Stillstand oder bei zu langsamem Lauf desselben im Bedarfsfall mittels eines zusätzlichen Antriebsmotors 6, der geringere Verluste als der leerlaufende Hauptantriebsmotor 1 aufweist, angetrieben wird.
Neben dem Luftpresser 9 kann ein zusätzlicher, vorzugsweise elektromotorisch angetriebener Luftpresser 9.1 vorgesehen sein. Dies ist in 2 durch den gestrichelt gezeichneten Luftpresser 9.1 schematisch dargestellt. Gleiche Komponenten wie in 1 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Durch den zusätzlichen Luftpresser 9.1 kann eine Zweikreisigkeit der Drucklufterzeugung sichergestellt werden. Bei Ausfall eines Luftpressers 9 oder 9.1 kann der andere Luftpresser 9.1 oder 9 das Druckluftsystem mit Druckluft versorgen. Der Luftpresser 9 und der zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 können fallweise bezüglich der Druckluftleitung 11 in Reihe geschaltet sein. Vorzugsweise ist dann in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Luftpressern ein Rückschlagventil vorgesehen.
Günstig ist, einen zusätzlichen Elektromotor für den Antrieb des Luftpressers 9.1 vorzusehen. Der Antrieb kann jedoch auch durch eine geeignete Antriebsverbindung, etwa einen vorzugsweise abkuppelbaren Riementrieb oder dergleichen, über den Elektromotor 6 erfolgen. Dieser zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 kann vorzugsweise unabhängig von Luftpresser 9 zugeschaltet werden. Damit wird eine zweikreisige Drucklufterzeugung ermöglicht. Vorteilhaft ist, daß dieser zusätzliche Luftpresser 9.1 bedarfsorientiert zugeschaltet werden kann, etwa bei einem zusätzlichen Bedarf an Druckluft zum Bremsen oder etwa beim Betätigen von mit Druckluft versorgten Hubmechanismen des Fahrzeugs.
Bei stehendem Antriebsmotor 1 kann dieser zusätzliche Luftpresser 9.1 z.B. abhängig von der Bordspannung und/oder der Fahreranforderung und/oder dem Druckniveau der Druckluftanlage zugeschaltet werden.
Diese Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung hat den Vorteil, daß eine zweikreisige Drucklufterzeugung bei Ausfall einer Druckluftquelle eine Drucklufterzeugung des Fahrzeugs, etwa im Notbetrieb, sicherstellen kann. Weiterhin ist eine hohe Luftpresserförderleistung über den elektromotorisch angetriebenen Luftpresser 9.1 bereits bei geringen Motordrehzahlen des Hauptantriebsmotors 1 bzw. auch ohne Antriebsmotorbetrieb möglich.
Die Auslegung des vom Antriebsmotors angetriebenen, vorzugsweise bedarfs- und leistungsoptimierten Luftpressers 9 erfolgt zweckmäßigerweise entsprechend dem bei Normalfahreinsätzen zu erwartenden Druckluftverbrauch und kann daher z.B. über die Hauptfahranteile eines Fahrzeugs energieoptimiert erfolgen. Bei Zusatzbedarf über diesen zu erwartenden Druckluftverbrauch hinaus kann der zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 zugeschaltet werden und so eine ausreichende Druckluftversorgung sicherstellen, etwa bei einer Talfahrt mit hohem Druckluftverbrauch beim Bremsen.
Vorteilhaft ist, bei auftretendem Zusatzbedarf im Fahrzeug-Standbetrieb, etwa bei Aufsattel- oder Pritschvorgängen bei Nutzfahrzeugen, den zusätzlichen elektromotorisch angetriebenen Luftpresser 9.1 zuzuschalten. Wahlweise erlaubt der zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 bei ausreichender Spannungsversorgung auch derartige Arbeiten ohne laufenden Motor. Dies vermindert die Lärmentwicklung des Fahrzeugs sowie etwaige Abgasemissionen durch den Hauptantriebsmotor 1.
Der zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 kann bereits beim Start schnell verfügbar sein, indem dieser etwa bei der Zündschlüsselstellung "Zündung ein" bereits mit hoher Konstantdrehzahl zugeschaltet wird. Das lästige Motorengeräusch bei hoher Motordrehzahl des Hauptantriebsmotors 1 zum Füllen der Druckluftanlage entfällt damit.
Für eine schnelle Startbereitschaft kann der zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 bereits vor Fahrantritt über eine Zeitschaltung zur Befüllung des Wegfahr-Druckniveaus eingeschaltet werden. Dies kann zur Geräuschminimierung mit geringer Drehzahl des Luftpressers erfolgen. Die schnelle Startbereitschaft kann in dieser Weise auch über den Luftpresser 9 erreicht werden, wenn dieser elektromotorisch angetrieben ist. Das Druckluftsystem des Fahrzeugs ist dann bereits beim Starten des Hauptantriebsmotors 1 gefüllt und betriebsbereit.

Claims

Fahrzeug, insbesondere Personen- oder Nutzfahrzeug, mit einem Hauptantriebsmotor, mit einem durch einen Elektromotor antreibbaren Luftpresser und mit einer elektrischen Stromquelle, aus welcher der Elektromotor gespeist wird, wobei der Luftpresser wahlweise mit dem Hauptantriebsmotor oder mit dem Elektromotor in Antriebsverbindung steht, wobei der Luftpresser an einen Ausgangstrieb eines leistungsverzweigten Getriebes angeschlossen ist, wobei das leistungsverzweigte Getriebe zwei Eingangstriebe aufweist, und wobei wahlweise ein erster Eingangstriebmit dem Hauptantriebsmotor und ein zweiter Eingangstrieb mit dem Elektromotor in Antriebsverbindung zu bringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungsverzweigte Getriebe (2) Teil eines im Antriebsstrang vorgesehenen Schalt- oder Automatikgetriebes ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungsverzweigte Getriebe (2) in den Triebstrang zwischen dem Hauptantriebsmotor (1) und den Fahrzeugrädern (3) integriert ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) bei Stillstand und/oder bei Drehzahlen des Hauptantriebsmotors (1), die unterhalb einer Mindestdrehzahl liegen, aus der Stromquelle (12) gespeist ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) aus einer Brennstoffzelle (12) elektrisch gespeist ist.
Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpresser (9) Umgebungsluft komprimiert, die den Zellen der Brennstoffzelle (12) und/oder einem Reformer als sauerstofftragende Prozeßluft zugeführt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher elektromotorisch angetriebener Luftpresser (9.1) vorgesehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Luftpresser (9.1) mit dem Luftpresser (9) bezüglich der Druckluftleitung (11) in Serie geschaltet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Druckluft-Verbindungsleitung zwischen dem zusätzlichen Luftpresser (9.1) und dem Luftpresser (9) ein Rückschlagventil vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpresser (9) wahlweise von dem Hauptantriebsmotor (1) oder dem Elektromotor (6) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Luftpressers (9) im Normalbetrieb durch den Antriebsmotor (1) und bei geringer Drehzahl oder bei Stillstand des Antriebsmotors (1) durch den Elektromotor (6) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Luftpressers (9) im Schubbetrieb durch den Antriebsmotor (1) und im Zugbetrieb wahlweise durch den Antriebsmotor (1) oder den Elektromotor (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bedarfsabhängig ein zusätzlicher elektromotorisch angetriebener Luftpresser (9.1) zugeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Luftpresser (9.1) bei erhöhtem Druckluftbedarf im Fahrbetrieb zusätzlich zum Luftpresser (9) zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Luftpresser (9.1) bei stehendem und/oder bei leerlaufendem Hauptantriebsmotor (1) beim Auftreten von Druckluftbedarf automatisch zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Luftpresser (9.1) im Startbetrieb des Fahrzeugs zum Füllen der Druckluftanlage zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Luftpresser (9.1) vor Inbetriebnahme des Fahrzeugs zum Füllen der Druckluftanlage zugeschaltet wird.