DE102006039399A1 - Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs und entsprechendes Verfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit einem ein Einspritzsystem aufweisenden Dieselmotor und mindestens einem Elektromotor. Es ist vorgesehen, dass das Einspritzsystem als einspritzdruckbegrenztes Einspritzsystem (4) mit einem unterhalb einer Druckgrenze von 140 Megapascal liegenden Einspritzdruck ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens mit einem ein Einspritzsystem aufweisenden Dieselmotor und mindestens einem Elektromotor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb anzutreiben, der einen Dieselmotor und mindestens einen Elektromotor aufweist. Der Dieselmotor wird bevorzugt in einem möglichst verbrauchsarmen und/oder schadstoffemissionsarmen Betriebsbereich betrieben. Je nach Konstruktion des Hybridantriebs und weiterer Fahrzeugkomponenten des Kraftfahrzeugs kann das Fahrzeug entweder mittels des Dieselmotors oder mittels des Elektromotors oder unter Verwendung der Drehmomente beider Motoren angetrieben werden. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise mit einem elektrischen Speicher ausgerüstet, der in bestimmten Fahrsituationen aufgeladen wird und den Elektromotor in anderen Fahrsituationen mit elektrischer Energie versorgt. Der Dieselmotor arbeitet bei hohen Lasten mit hohem Wirkungsgrad. Der Kraftstoffverbrauch ist im stationären oder quasistationären Betrieb relativ gering, wobei in diesem Betriebsmodus gleichzeitig eine möglichst niedrige Emission angestrebt wird. Durch den Einsatz des Elektromotors wird das Drehmoment bei geringen Drehzahlen, wie zum Beispiel beim Anfahren, deutlich erhöht. Da es sich bei dem Hybridantrieb mit Dieselmotor und Elektromotor um eine Kombination zweier kostenintensiver Techniken handelt, sollte das Hybridkonzept solche Maßnahmen umfassen, die den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen weiter senken, ohne die hohen Anschaffungskosten des Hybridantriebs deutlich weiter zu erhöhen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Hybridantrieb weist ein Einspritzsystem auf, das als einspritzdruckbegrenztes Einspritzsystem mit einem unterhalb einer Druckgrenze von 140 Megapascal (140 MPa) liegenden Einspritzdruck ausgebildet ist. Das einspritzdruckbegrenzte Einspritzsystem kann dabei zum Beispiel ein Pumpe-Düse-, ein Pumpe-Leitung-Düse- oder ein Common-Rail-System sein. Durch die Reduzierung des Einspritzdrucks auf einen Wert unterhalb der Druckgrenze von 140 MPa (1400 bar) ergibt sich eine kleinere Druckbelastung der Komponenten des einspritzdruckbegrenzten Einspritzsystems gegenüber einem Einspritzsystem, das für einen höheren Einspritzdruck ausgelegt ist. Durch den Betrieb des Dieselmotors im stationären oder quasistationären Betrieb in einem Betriebsbereich hoher Lasten ergibt sich trotz der Begrenzung des Einspritzdrucks ein geringer Kraftstoffverbrauch bei relativ niedriger Schadstoffemission. Weiterhin können die Kosten für den Hybridantrieb bei Verwendung eines einspritzdruckbegrenzten Einspritzsystems deutlich reduziert werden. Durch Bremsen mittels einer als Generator ausgebildeten elektrischen Maschine (Rekuperation) lässt sich eine weitere Energieeinsparung erreichen.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass der Hybridantrieb als ein Parallelhybridantrieb ausgebildet ist. In einem solchen Falle wirkt der Dieselmotor und mindestens ein Elektromotor zumindest temporär jeweils mit einem Drehmoment auf die Antriebsräder des Fahrzeugs. Dabei ist es angestrebt, den Dieselmotor in einen optimalen Betriebspunkt (mit niedrigem Kraftstoffverbrauch und geringsten Schadstoffemissionen) zu betreiben und den Elektromotor in den für diesen günstigen Betriebssituationen zu nutzen. Grundsätzlich sind zwei Hybridkonzepte zu unterscheiden: Der Mild-Hybrid und der Vollhybrid. Beim Mild-Hybrid dient der Elektromotor nur zur Unterstützung des Dieselmotors. Beim Vollhybrid werden beide Antriebsmaschinen (Dieselmotor und Elektromotor) gleichwertig und vorzugsweise in den für sie günstigen Betriebssituationen zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet. Beim Mild-Hybrid wird der Dieselmotor insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich, wie zum Beispiel beim Anfahren, durch den Elektromotor unterstützt. Dies geschieht zum Beispiel bei der bekannten Start-Stopp-Funktion für den Stadtverkehr. Beim Vollhybrid wird das Kraftfahrzeug im Niedriglastbereich ausschließlich oder fast ausschließlich mit dem Elektromotor angetrieben und bei hohen Lasten ausschließlich oder fast ausschließlich mit dem Dieselmotor.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein dem Dieselmotor zugeordnetes Ladesystem mit mindestens einem Lader, insbesondere einem Abgasturbolader, vorgesehen. Derartige Lader (Aufladegeräte) sind für Dieselmotoren und andere Verbrennungsmotoren bekannt. Sie erhöhen durch Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffs benötigten Luft den Luftdurchsatz des Verbrennungsmotors (hier Dieselmotor) und ermöglichen eine höhere Leistungsdichte. Derartige Lader sind als mechanische Lader, Abgasturbolader und Druckwellenlader bekannt.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass der Lader als Waste-Gate-Turbolader ausgebildet ist. Ein Turbolader mit einer einfachen und preisgünstigen Waste-Gate-Ladedruckregelung ist bekannt.
  • Mit Vorteil ist ein dem Dieselmotor zugeordnetes Abgasrückführsystem mit mindestens einem, insbesondere als Flatterventil ausgebildeten Abgasrückführungsventil vorgesehen. Ein derartiges Abgasrückführsystem wird zur Absenkung der Stickstoffemissionen in den Abgasen genutzt. Durch Zumischen von bereits verbrannten Abgas zur Frischluft wird die Verbrennungs- Spitzentemperatur gesenkt. Dazu wird dem Abgas des Dieselmotors ein definierter Teilstrom entnommen und dem Frischluftstrom über das Abgasrückführungsventil zugeführt. Die Steuerung der Abgasrückführung geschieht zum Beispiel durch pneumatische oder mechanische Systeme, die in Abhängigkeit von Drehzahl, Saugrohrdruck und Motortemperatur die Rückführmenge dosiert. Ist das Abgasrückführungsventil als Flatterventil ausgebildet, so handelt es sich dabei um eine einfache Klappenvorrichtung zur Regulierung des aus dem Abgas entnommenen Teilstroms.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein, dem Elektromotor zugeordneter Kondensator als elektrischer Speicher vorgesehen. Neben einem als Batterie oder Akkumulator ausgebildeter elektrischer Speicher kann dem Elektromotor ein Kondensator als elektrischer Speicher zugeordnet sein, der kurzfristig eine hohe elektrische Stromdichte bereitstellt, und damit ein kurzfristiges Spitzen-Drehmoment des Elektromotors ermöglicht. Ein solches Spitzen-Drehmoment ist insbesondere bei einer Boost-Funktion erwünscht. Durch die Boost-Funktion des Hybridantriebs kann insbesondere ein Drehmoment-Einbruch bei Turboladern bei einer Drehmomentanforderung (Turbo-Loch) kompensiert werden.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass ein dem Dieselmotor zugeordneter Generator als Startergenerator zum Starten des Dieselmotors ausgebildet ist. Durch einen Startergenerator, der als Starter und als Generator dient, entfällt eines der sonst üblichen Bauteile einer Lichtmaschine oder eines Anlassers.
  • Ferner ist eine dem Dieselmotor zugeordnete Abgaseinrichtung mit mindestens einem selbstregenerierenden Partikelfilter vorgesehen. Der selbstregenerierende Partikelfilter ist zum Beispiel ein CRT-Partikelfilter (Continuously-Regenerating-Trag) oder ein anderer selbstregenerierender Partikelfilter, der keine zusätzlichen motorischen Maßnahmen zu seiner Reinigung verlangt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines vorstehend erwähnten Hybridantriebs, mit mindestens einem ein Einspritzsystem aufweisenden Dieselmotor und mindestens einem Elektromotor. Es ist vorgesehen, dass das Einspritzsystem als einspritzdruckbegrenztes Einspritzsystem ausgebildet ist, das Kraftstoff mit einem Einspritzdruck unterhalb einer Druckgrenze von 140 Megapascal einspritzt. Durch die Begrenzungen des Einspritzdrucks ergeben sich deutlich geringere Belastungen des einspritzdruckbegrenzten Einspritzsystems. Dadurch kann dieses günstiger hergestellt werden. Obwohl auch ein serieller Betrieb des Dieselmotors und des Elektromotors möglich ist, wird der Hybridantrieb vorzugsweise in parallelen Modus betrieben. In einem solchen Falle wirkt der Dieselmotor und mindestens ein Elektromotor jeweils mit einem Drehmoment auf die Antriebsräder des Fahrzeugs. Dabei ist angestrebt, den Dieselmotor möglichst bei hoher Last in einem stationären oder einem quasistationären Betrieb zu betreiben. Dazu kann der Antrieb mittels Dieselmotor durch den Antrieb mittels Elektromotor ergänzt werden (Mild-Hybrid) oder jede der beiden Antriebsformen (Antrieb mittels Dieselmotor beziehungsweise Elektromotor) gleichwertig sein (Vollhybrid). Durch die Kombination eines Dieselbetriebs bei hohen Lasten mit der Einspritzdruckbegrenzung kann erreicht werden, dass auch mit einem robusten und preisgünstigen Dieselmotor ein geringerer Kraftstoffverbrauch bei möglichst niedriger Schadstoffemission erreicht wird.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass der Elektromotor bei zusätzlichem Drehmomentbedarf, insbesondere bei temporärem Drehmomentbedarf, zu dem Dieselmotor unterstützend zugeschaltet wird. Diese Ergänzung des Drehmomentes des Dieselmotors durch das Drehmoment des Elektromotors ist als Boost-Funktion bekannt und im unteren Drehzahlbereich besonders effektiv.
  • Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der Dieselmotor durch einen Lader, insbesondere einen als Waste-Gate-Turbolader ausgebildeten Lader aufgeladen wird. Beim Aufladen wird der Luftdurchsatz der zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigten Luft durch Verdichtung erhöht, sodass eine höhere Leistungsdichte des Dieselmotors erreicht wird. Eine einfache Form der Laderdruckregelung ist bei der bekannten Waste-Gate-Ladedruckregelung realisiert.
  • Schließlich ist vorgesehen, dass ein Teil der Abgase des Dieselmotors rückgeführt wird. Dabei wird der Frischluft des Dieselmotors bereits verbranntes Abgas zugemischt. Dies führt zur Absenkung der Verbrennungs-Spitzentemperatur. Dies ist ein wirkungsvolles Mittel zur Absenkung der Stickstoffemissionen. Zur Abgasrückführung wird dem Abgas des Motors ein definierter Teilstrom entnommen und über ein gesteuertes Ventil – das Abgasrückführungsventil – der Frischluft zugeführt. Die Steuerung der Abgasrückführung geschieht zum Beispiel in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem Saugrohrdruck und der Motortemperatur. Ein besonders einfach ausgeführtes Abgasrückführungsventil ist das Flatterventil. Bei dem Flatterventil handelt es sich um eine Klappenvorrichtung zur Luftregulierung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • Die Figur einen erfindungsgemäßen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • Die Figur zeigt einen Hybridantrieb 1 eines nicht näher dargestellten, als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftfahrzeugs. Der Hybridantrieb weist einen Dieselmotor 2 sowie einen Elektromotor 3 auf. Dem Dieselmotor 2 ist ein einspritzdruckbegrenztes Einspritzsystem 4 zugeordnet. Der Dieselmotor 2 wird über das einspritzdruckbegrenzte Einspritzsystem 4 mit Dieselkraftstoff aus einem Tank 5 versorgt. Ein als Waste-Gate-Turbolader 6 ausgebildetere Lader 7 versorgt den Dieselmotor 2 mit Luft. Der Aufbau des als Waste-Gate-Turbolader 6 ausgebildeten Abgasturboladers mit Turbine, Verdichter und gemeinsamer Welle, sowie die strömungstechnische Gesamtverschaltung mit dem Dieselmotor 2 ist hier nicht dargestellt. Ein Teil der Abgase des Dieselmotors 2 wird über ein Abgasrückführsystem 8 der Frischluft (Pfeil 9) zugemischt. Zur Regulierung weist das Abgasrückführsystem 8 ein als Flatterventil 10 ausgebildetes Abgasrückführungsventil 11 auf. Das restliche Abgas gelangt in einer Abgaseinrichtung 12 mit einem selbstregenerierenden Partikelfilter 13. Unter dem selbstregenerierenden Partikelfilter 10 ist ein CRT-Partikelfilter zu verstehen (Continuously-Regenerating-Trap). Die Abgaseinrichtung weist weitere, nicht dargestellte Komponenten, wie Leitungen und einen Endtopf auf.
  • Der Dieselmotor 2 und der Elektromotor 3 sind über ein Planetengetriebe 14 miteinander kuppelbar. Ferner ist mit dem Planetengetriebe 14 ein Generator 15 verbunden, der ebenfalls zum Hybridantrieb 1 gehört und an einer Leistungselektronik-Einheit 16 elektrisch angeschlossen ist. Der Elektromotor 3 steht ebenfalls mit der genannten Leistungselektronik-Einheit 16 elektrisch in Verbindung. Ein als Batterie 17 (wiederaufladbarer Akkumulator) ausgebildeter elektrischer Speicher 18 ist an die Leistungselektronik-Einheit 16 angeschlossen. Die Abtriebswelle des Elektromotors 3 steht mit einem Differenzial 19 in Verbindung, das zu den Antriebsrädern 20 des Personenkraftwagens führt. Der Einfachheit halber ist nur ein Antriebsrad 20 dargestellt. Die Anordnung zeigt einen als Parallelhybridantrieb 21 ausgebildeten Hybridantrieb 1.
  • Das Abgasrückführsystem 8 ist durch eine einfache Regelung gekennzeichnet, die insbesondere keine Lambda-Sonde, keine Luftmassenmessung mittels Heißfilm-Luftmassenmessung (HFM), kein stufenlos verstellbares Abgasrückführungsventil und keine zusätzlich geregelte Kühlung aufweist. Zur Minderung der Rußemissionen wird ein selbstregenerierender Partikelfilter 13 verwand, der keine zusätzlichen motorischen Maßnahmen zu seiner Reinigung verlangt. Alternativ zur Verwendung eines selbstregenerierenden Partikelfilters 13 ist insbesondere ein PM-Katalysator vorgesehen. Der hier dargestellte Hybridantrieb 1 wird zum Beispiel von mindestens einer nicht dargestellten Steuer-/Regeleinrichtung koordiniert und als Mild-Hybrid oder als Vollhybrid betrieben. Zusätzlich zu dem als Batterie 17 ausgebildeten elektrischen Speicher 18 kann dem Elektromotor 3 auch mindestens ein nicht dargestellter Kondensator zugeordnet sein, der einen hinreichend hohen Stromfluss zur Erzeugung eines Anfahrmomentes durch den Elektromotor 3 aufbringt. Durch eine solche Anordnung kann insbesondere das für einen Abgasturbolader (zum Beispiel Waste-Gate-Turbolader 6) typische, kurzfristige Ausbleiben eines Drehmoments (Turboloch) kompensiert werden. Weiterhin kann der Elektromotor den Verbrennungsmotor bei Beschleunigungsvorgängen unterstützen. Der Generator 15 kann beim Bremsen des Kraftfahrzeugs zur Energierückgewinnung (Rekuperation) genutzt werden und lädt den elektrischen Speicher 18 (Batterie 17 und/oder Kondensator) auf. Die dargestellte Anordnung ermöglicht es weiterhin, den Lastzustand des Dieselmotors 2 durch Zuschalten des Elektromotors 3 in einem Bereich eines hohen Wirkungsgrades zu verschieben. Wird der Hybridantrieb 1 als Vollhybrid genutzt, wird der Hybridantrieb 1 im Niedriglastbereich – soweit es der Ladezustand des elektrischen Speichers 18 zulässt – ausschließlich mittels Elektromotor 3 betrieben. Alternativ zur Verwendung eines Planetengetriebes 14 kann der Elektromotor 3 direkt in den Antriebsstrang des Dieselmotors 2 integriert werden.

Claims (12)

  1. Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit einem ein Einspritzsystem aufweisenden Dieselmotor und mindestens einem Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem als einspritzdruckbegrenztes Einspritzsystem (4) mit einem unterhalb einer Druckgrenze von 140 Megapascal liegenden Einspritzdruck ausgebildet ist.
  2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb (1) als ein Parallelhybridantrieb (21) ausgebildet ist.
  3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein dem Dieselmotor (2) zugeordnetes Ladesystem mit mindestens einem Lader (7), insbesondere einem Abgasturbolader.
  4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (7) als Waste-Gate-Turbolader (6) ausgebildet ist.
  5. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein den Dieselmotor (2) zugeordnetes Abgasrückführsystem (8) mit mindestens einem, insbesondere als Flatterventil (10) ausgebildeten Abgasrückführungsventil (11).
  6. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen, dem Elektromotor (3) zugeordneten Kondensator als elektrischer Speicher (18).
  7. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Dieselmotor (2) zugeordneter Generator (15) als Startergenerator zum Starten des Dieselmotors (2) ausgebildet ist.
  8. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dem Dieselmotor (2) zugeordnete Abgaseinrichtung (12) mit mindestens einem selbstregenerierenden Partikelfilter (13).
  9. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem ein Einspritzsystem aufweisenden Dieselmotor und mindestens einem Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem als einspritzdruckbegrenztes Einspritzsystem ausgebildet ist, das Kraftstoff mit einem Einspritzdruck unterhalb einer Druckgrenze von 140 Megapascal einspritzt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor bei zusätzlichem Drehmomentbedarf, insbesondere bei temporärem Drehmomentbedarf, zu dem Dieselmotor unterstützend zugeschaltet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselmotor durch einen Lader, insbesondere einen als Waste-Gate-Turbolader ausgebildeten Lader aufgeladen wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abgase des Dieselmotors rückgeführt wird.
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