DE102006045937A1 - Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine in Hybridausführung - Google Patents

Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine in Hybridausführung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridantrieb, ausgestattet mit einer kleinen aufgeladenen Brennkraftmaschine, der gleichzeitig die Rekuperation der Bremms- und die der Abgasenergie ermöglicht. Das Aufladesystem basiert auf der Expansion jener komprimierten Systemluft, die durch diese Rekuperationsprozesse gleichzeitig mit E-Strom produziert und gespeichert wird. Der steuerbare Druckaufbau und die Kühlung der Ladeluft entstehen auf diese Weise zur gleichen Zeit direkt im Turbolader. Eine zusätzliche Kühlung und Regulation der Ladeluft zwischen dem Turbolader und der Brennkraftmaschine ist nicht mehr erforderlich. Dadurch leistet die innovative Brennkraftmaschine ein konstantes Drehmoment, erbringt eine wesentlich höhere spezifische Leistung und erreicht einen signifikant höheren Wirkungsgrad sowie eine deutliche Reduktion von Kraftstoffverbrauch und schädlicher Abgasemission als die klassische Turbomaschine. Das Funktionsprinzip der Turboaufladung: Die Systemluft L<SUB>HK</SUB> aus den Strukturtanks expandiert über das digitale Proportionsregelventil PRV<SUB>PC</SUB> (LL-Druck Regulation) und die Einführungsdüse EDK zur Expansionszone EZ, kühlt dabei kräftig ab und treibt dabei ein Turbinenrad an. Die Schaufeln der Kompressionszonen KZ saugen die Außenluft L<SUB>A</SUB> über ein Dosierungsventil DV (LL-Temperatur Regulation) und komprimieren sie. Im Spiralkanal des Turboladers mischt sich die gekühlte expandierte Luft mit erwärmter komprimierter Luft in steuerbaren Anteilen (die Ladeluft LL). ...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb, ausgestattet mit einer kleinen aufgeladenen Brennkraftmaschine. Der innovative Hybridantrieb ermöglicht zwei zur gleichen Zeit stattfindende Rekuperationsprozesse: Die Rekuperation der Brems- und die der Abgasenergie. Das Aufladesystem basiert auf der Expansion jener komprimierten Systemluft, welche in einem Hybridprozess gleichzeitig mit E-Strom produziert und gespeichert wird. Der steuerbare Druckaufbau und die Kühlung der Ladeluft entstehen auf diese Weise zur gleichen Zeit direkt im Turbolader, – wenn nötig unter der Temperatur der Umgebungsluft. Dank der niedrigen Temperatur wird die Ladeluft in hohem Maße verdichtet. Eine zusätzliche Kühlung und Regulation der Ladeluft zwischen dem Turbolader und der Brennkraftmaschine sind nicht mehr erforderlich. Dadurch leistet die innovative Brennkraftmaschine ein konstantes Drehmoment, erbringt eine wesentlich höhere spezifische Leistung und erreicht einen signifikant höheren Wirkungsgrad als die klassische Turbomaschine.
  • Einzelne Funktionen, die bei bisherigen Antriebsarten entweder von Brennkraftmaschinen abgeleitet sind (z.B. Servo, Klima, etc.) oder bei herkömmlichen Hybridantrieben einen ungleich höheren E-Stromverbrauch bedingen, werden beim innovativen Antrieb durch ein und dieselbe komprimierte Systemluft gewährleistet.
  • Der verbesserte Wirkungsgrad des innovativen Hybridsystems ermöglicht sowohl im Stadt- als auch im Überlandverkehr gleichzeitig eine wesentlich sportlichere Fahrleistung, vermindertes Systemgewicht, geringeren Raumaufwand, ein optimiertes momentanes Ansprechverhalten, sowie eine deutliche Reduktion von Kraftstoffverbrauch und schädlicher Abgasemission.
  • Stand der Technik
  • A) Hybridantrieb
  • Eine Kombination von verschiedenen Antriebsarten, zumeist als Kombination aus Verbrennungsmotor und einem zusätzlichen Elektroantrieb, bezeichnet man als Hybridantrieb. Während bei Stadt- oder Staufahrten automatisch die Umschaltung auf Elektroantrieb erfolgt, kommt bei höheren Geschwindigkeiten (Autobahn, Landstraßen) wieder der leistungsstärkere Verbrennungsantrieb zum Einsatz. Für den Elektroantrieb, d.h. die Versorgung des E-Motors mit Strom, sorgt im Hybridfahrzeug eine leistungsfähige Batterie. Diese wird über einen oder mehrere Elektromotoren/Generatoren entweder vom Verbrennungsmotor oder vom Brems-Rekuperationssystem durchgeladen.
  • Hier jedoch unterscheiden sich die Systeme. Während „Mild-Hybride" nur von etwas mehr als der Verdoppelung der Batteriekapazität bei stark erhöhter Abgabeleistung ausgehen, ist diese bei „Voll-Hybrid" erheblich, natürlich zu Lasten des Gewichts.
  • Die zukunftsweisenden Vorteile des Hybridantriebs liegen klar auf der Hand: Hohe Effizienz des Elektroantriebs im Staubetrieb und Stadtverkehr, bedingt durch die Rekuperation der Bremsenergie, eine niedrigere Emission bei Stadtfahrten, und die mit aktuellen Modellen erreichbare Kraftstoffeinsparung von bis zu 15 Prozent (häufiger Stadtverkehr). Unausgereifte Konstruktionen der heutigen Hybridantriebssysteme zeigen mehrere Nachteile wie z.B.: höheres Leergewicht aufgrund der schweren Batterien und Elektrosysteme, eine wesentlich aufwendigere Motorkonstruktion und Komplexität, zusätzlich einen höheren Bedarf an elektrischem Stromverbrauch (wegen etlicher Funktionen, die bei klassischen Antriebsarten von Verbrennungsmaschinen abgeleitet sind (z.B. Servo, Klima, usw.)), eine schwächere Leistung bei der Überlandfahrt durch einen reinen Verbrennungsantrieb (Landstrasse, Autobahn), hohe Anschaffungskosten usw.
  • Die heute Verwendung findenden Hybridantriebssysteme müssen allerdings als unausgereift gelten. So weisen sie noch immer eine Reihe von Nachteilen auf, etwa ein durch schwere Batterien und Elektrosysteme verursachtes höheres Leergewicht, eine wesentlich aufwendigere und komplexe Motorkonstruktion, sowie einen deutlich höheren Strombedarf etwa durch Servo, Klima und einige andere Funktionen, die bei klassischen Antriebsarten von Verbrennungsmaschinen abgeleitet sind. Als weitere schwerwiegende Nachteile sind die schwächere Leistung des reinen Verbrennungsantriebs bei Überlandfahrten (Landstrasse, Autobahn) und vor allem auch die hohen Anschaffungskosten zu nennen.
  • Trotz des geplanten Einsatzes von klassischen Turbomotoren, lässt die gegenwärtige Entwicklung einen Trend hin zu zunehmendem Gewicht und deshalb auch leistungsschwächere Maschinen erwarten, was den Einsatz von Hybridautos zumindest im Überlandverkehr unattraktiv macht.
  • Will man die genannten Nachteile der bisherigen Entwicklung ausschalten bzw. nachhaltig korrigieren, so gilt es vor allem ein Hybridsystem so weiter zu entwickeln, dass alle Vorteile des physikalischen Prinzips (Rekuperation der Bewegungsenergie, Verringerung der Abgasemission, Reduktion des Kraftstoffverbrauchs) voll genutzt werden. Auf diese Weise verhindert man einen weiteren Anstieg des Gesamtgewichts des Systems und schafft so die Voraussetzung für einen unkomplizierten und einfachen Einbau des Systems in die Autos unserer Zeit.
  • Charakteristisch für die kleinen, auf diesem innovierten Turbosystem basierenden Triebwerke ist eine signifikant höhere Leistung, Sportlichkeit, Fahrkomfort und Sparsamkeit.
  • B) Turboaufladung
  • Die klassischen Turbosysteme sind ausnahmslos auf eine zusätzliche Ladeluftkühlung angewiesen. Die niedrigste erzielbare Ladelufttemperatur und somit auch der Leistungs- und Wirkungsgrad hängen demnach entscheidend von der Temperatur der Außenluft ab. Bei gegenwärtigen Turbosystemen werden 100% der angesaugten Luft, welche die Brennkraftmaschine für die Verbrennung der entsprechenden Kraftstoffmengen benötigt, durch Turbolader komprimiert (z.B. Abgas oder mechanisch auf 2-3 bar). Wegen der bei der Kompression entstehenden Erwärmung (z.B. 100-150°C) muss die Ladeluft, um eine entsprechende Verdichtung zu erreichen, anschließend gekühlt werden. Weil die Temperaturdifferenz zwischen der als Kühlmittel dienenden Außenluft und der Ladeluft selbst nicht wirklich groß ist, liegt die Temperatur der Ladeluft stets deutlich über der der Außenluft. Dies hat zur Folge, dass Dichte und Stromgeschwindigkeit der Ladeluft proportional kleiner sind als erwartet. Wegen der gleichzeitigen Produktion und Einspeisung der Ladeluft bei Last- oder Drehzahländerung erfordert eine Abstimmung der Parameter viel Zeit, was diese Systeme träge macht.
  • In der Druckschrift DE 10 2004 037 763 A1 („ARTS") ist ein Turbosystem beschrieben, das in einem Turbolader durch gesteuerte Expansion der komprimierten Luft den gleichzeitigen Ablauf von Druckaufbau und Ladeluftkühlung ermöglicht, – dies unter der Temperatur der Außenluft. Hierfür ist eine Hochdruckluft-Produktionsanlage unentbehrlich. Die Energie, die für die Produktion der notwendigen hoch komprimierten Luft (REC) nötig ist, wird zum größten Teil mittels Expansionsantrieb des Turboladers zurückgeholt (Kompressions-Expansions-Rekuperationskette). Das physikalische Prinzip dieses Verfahrens ermöglicht es, die Ladeluft direkt im Turbolader ohne jegliche zusätzliche Kühlung zu produzieren und auf diese Weise den Ladeluftdruck momentan aufzubauen. Die Regulation dieses Aufladesystems basiert auf einer Expansionsanlage, die aus mehreren Regulationsventilen und einem Steuerungsverteiler besteht: Über den Steuerungsverteiler speist ein Turbolader aufgeteilte Expansionsluft über zwei Leitungen (REC-K, REC-B) ein. Dabei sind zwei mögliche Varianten von Turbolader beschrieben:
    • (1) ein Abgasturbolader, angetrieben hauptsächlich von hoch komprimierter Luft, allerdings mit Unterstützung durch das Abgas
    • (2) ein so genannter Direkt-Turbolader, ausschließlich von hoch komprimierter Luft (REC), angetrieben.
  • Da bereits ein geringer Anteil der hoch komprimierten Luft über ausreichende Antriebsenergie verfügt, um einen Turbolader anzutreiben, erweist sich die Variante des Abgasturboladers (1) als absolut verzichtbar.
  • Die Zuführung der komprimierten Luft in Turbolader über zwei getrennte Eingänge macht den Konstruktionsaufbau zudem wesentlich komplizierter und damit auch ungleich teuerer. Mit dieser Zweikanal-Regulationstechnik hält man den Ladeluftdruck im Turbolader rein mechanisch am vorgegebenen Sollwert (Balancepositionierung des Kolbens im Steuerungsverteiler). Eine zusätzliche Erschwernis ergibt sich dadurch, dass im zwischen Turbolader und Brennkraftmaschine gelegenen Luftsammler kein konstanter, sondern ein pulsierender Luftdruck herrscht. Nach Eingabe eines elektronischen Gaspedals steuert ein Computer über die Regulationsventile sowohl den Druckaufbau als auch die exakte Dosierung der komprimierten Luft (REC) und auch die notwendige Menge des Kraftstoffs zur_stöchiometrischen Verbrennung. Diese Regulationstechnik erfordert neben der präzisen Abstimmung der gesamten Parameterkette zusätzlich eine absolut neue Computersteuerung, was die Integration dieses Aufladesystems in heutige Motormanagements kompliziert macht.
  • Um all die genannten Nachteile und Unzulänglichkeiten des gegenwärtigen Stands der Technik zu beheben, bedarf es der Weiterentwicklung von Steuerungssystem und Turbolader mit der Maßgabe, alle Vorteile des physikalischen Prinzips (Expansionsenergie, Kühlungspotenzial, Unabhängigkeit vom Arbeitszustand der Maschine, Unabhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, stöchiometrische Dosierung) mit der Zielsetzung einer kontinuierlichen Turboaufladung zu nutzen. Ein solches Aufladesystem lässt sich wesentlich leichter in zeitgemäße Brennkraftmaschinen und ihre Motormanagements integrieren, mit dem Ergebnis, dass ein konstantes Drehmoment und ein geringerer Kraftstoffverbrauch bei programmierbarer höherer Leistung und geringem Hubraum leichter erreicht werden.
  • Deswegen ist die Turboaufladung bei der Innovation eine Weiterentwicklungsphase der „DTL" („Direkt-Turboaufladung” aus der Innovation DE 10 2004 037 763 A1 „ARTS"), wobei bereits letztere ausschließlich auf komprimierter Luft basiert.
  • Beschreibung
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1. gelöst. Das innovative Hybridantrieb-Aufladesystem wird im Weiteren auch als „HARTS" bezeichnet („Hybrid Air-Recuperated Turbo-Charging System").
  • Im ersten Teil der Beschreibung wird das innovative „HARTS" Hybridsystem gemäß „Index-1 Hybridantrieb” für die Zeichnungen 1 bis 5 erklärt. Das Hybridsystem stellt die Produktionsbasis für die Versorgung aller notwendigen Systeme des Fahrzeugs mit E-Strom und Systemluft dar. Index-1 Hybridantrieb
    Figure 00040001
  • Die Zeichnungen auf den Seiten 1, 2, 3, 4 und 5 erläutern den innovativen Hybridantrieb. Im primären Antriebsstrang wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine M über einen Antriebsverteiler AV mit dem Getriebe und den sekundären Strängen von links und rechts gekoppelt. Der Antriebsverteiler AV – er gewährleistet den gemeinsamen differenzierten Einsatz der Antriebskomponenten – besteht aus Reduktionszahnrädern, welche die Drehmomente zwischen den sekundären Strängen und dem primären Arbeitsstrang verteilen. Er befindet sich zwischen dem Kupplungssystem der Brennkraftmaschine KM und dem des Getriebes KG. Bei der Variante „Vollhybrid" wird im Primärzahnrad ein permanenter Elektromotor/Generator EM/G-3 integriert (siehe Zeichnungen Seite 4).
  • „Rechts" von der Brennkraftmaschine M ist über eine Mikrokupplung k2 ein Systemluft-Reku-perations-Strang gekoppelt, der aus einem Elektromotor/Generator EM/G-2 (Antrieb + Stromerzeuger + Kompressorantrieb) und einem Minikompressor HK besteht. Die Produktion der komprimierten Luft (entweder direkt durch Einsatz von EM/G-2 oder mittels Rekuperation der Bremsenergie) wird durch die Ankoppelung der zusätzlichen Mikrokupplung kMK (gesteuert über den minimalen Grenzwert des Systemdrucks im Strukturtank LT, Drucksensor Sd) zwischen dem Elektromotor/Generator EM/G-2 und dem Minikompressor HK, in Gang gesetzt. Die komprimierte Luft wird über Luftkühler LK und Bypass-Regelventil VB in den Strukturtanks LT gespeichert (Systemluft LHK, z.B. 10 bar). Mit dem steuerbaren Bypass-Regelventil VB wird die Temperatur der produzierten Systemluft an die Umgebungstemperatur angepasst. Auf diese Weise kann die Wärme der komprimierten Luft als Heizung genutzt werden. Im Falle eines unzureichenden Vorrats an Systemluft LHK im Strukturtank LT sorgt das Bypass-Regelventil VB über die Bypass-Leitung DL für die direkte Versorgung der Turbolader (siehe auch Fahrtsituation (2) Generatorbetrieb-Notlauf).
  • „Links" von der Brennkraftmaschine M wird über eine Mikrokupplung k1 ein Abgasrekuperation-Strang gekoppelt, der aus einem Elektromotor/Generator EM/G-1 (Stromerzeuger + Antrieb) und einer Abgasturbine AT besteht. Der Abgasstrom der Brennkraftmaschine entwickelt in der Abgasturbine AT ein Drehmoment, welches durch einen Reduktions-mechanismus RAT und eine zusätzliche Mikrokupplung kAT im Elektromotor/Generator EM/G-1 E-Strom produziert. Da bei dieser Funktion die Reaktionszeit keine Rolle spielt, kann die Abgasturbine AT größer als bei einem gewöhnlichen Abgasturbolader sein und damit einen höheren Wirkungsgrad erzielen. Der Wirkungsgrad wird durch Kühlung der Ausgangsseite der Abgasturbine AT und durch Tiefdruck im Auspuffrohr einer Bernoulli-Auspuffanlage BA wesentlich verbessert (Zeichnungen Seite 5).
  • Eine kombinierte Auspuff-Spoileranlage BA besteht aus einer einstellbaren Flügelklappe, die einen düsenförmigen Lufttunnel bildet. Dieser ist mit dem Ausgang des Auspuffrohrs verbunden. Die Strömung des Fahrtwindes zwischen Lufttunnelwand und Flügelklappe hat zwei bedeutsame Wirkungen: Das Entstehen einer nach unten gerichteten Auftriebskraft („Boden-haftung") und eines Tiefdrucks im Abgasrohr (zusätzliche „Abgasexpansion" durch hydro-dynamisches Paradoxon).
  • Die Zeichnungen Seite 3, stellt die Funktionsweise das innovative Hybridsystem bei den häufigsten Fahrtsituationen dar. Alle Funktionen und „Ressourcen” (E-Strom und Systemluft) werden bei jeglicher Fahrtsituation von einem Hybrid-Antrieb-Management HAM gesteuert und kontrolliert.
    • – Fahrtsituation (1)-Start/Stop; durch Ankoppelung der Kupplung KM und Mikrokupplung k1 (oder k2), startet der Elektromotor EM/G-1 (oder EM/G-2) die Brennkraftmaschine M. Durch gleichzeitige Ankoppelung der Mikrokupplung kAT kann optional die Turbine AT, angetrieben von EM/G-1, einen Tiefdruck im Abgasrohr erzeugen und damit die Initialisierung des Brennkraftprozess verbessern.
    • – Fahrtsituation (2)-Generatorbetrieb-Notlauf; in einer hypothetischen Situation nach dem Start empfindet das System den vorrätigen E-Strom in der Batterie und die Systemluft im Strukturtank LT als unzureichend. Die Brennkraftmaschine lädt die „Ressourcen" (E-Strom, Systemluft) wieder auf die minimal zulässigen Sollwerte (alle Kupplungen außer Hauptantriebkupplung KG werden angekoppelt) auf. Das Turbosystem der Brennkraftmaschine wird über eine Zusatzleitung direkt von dem Minikompressor mit der Systemluft versorgt. Selbstverständlich wird ein Generatorbetrieb im vergleichbaren „Ressourcen-Ausfall" während der normalen Straßenfahrt (Hauptantriebkupplung KG – angekoppelt) möglich.
    • – Fahrtsituation (3)-Elektrisches Fahren; Durch Ankoppelung der Mikrokupplungen k1, k2 und KG treiben bei Mildhybrid nur die Elektromotoren EM/G1-1 und EM/G-2 den Wagen an während die Brennkraftmaschine ausgeschaltet bleibt. Bei „Mildhybrid" sind nur kurze Strecken in der Stadt-, Staufahrt oder Manövrierung zu erwarten. Ein „Vollhybrid" kann dank zusätzlichen Elektromotor EM/G-3 und grösserer Batterie längere Strecken schaffen, leider auf Kosten des Zusatzgewichts.
    • – Fahrtsituation (4)-Abgasrekuperation; Während der normalen Straßenfahrt wird die Energie des Abgases über Abgasturbine AT und Elektromotor/Generator EM/G-1 in E-Strom umgewandelt (Mikrokupplung kAT angekoppelt). Durch Kühlung der Abgase an der Ausgangsseite der Abgasturbine wird außer der kinetischen auch thermische Energie der Abgase für Rekuperation der Abgasenergie wirkungsvoll ausgenutzt. Optional, über einen Bernoulli-Auspuff, das durch das Hydrodynamische Paradoxon einen Unterdruck im Abgasstrang produziert, kann die Wirkung der Abgasrekuperation zusätzlich verbessert werden. Der produzierte E-Strom wird gelegentlich über Elektromotor/Generator EM/G-2 für den Zusatzantrieb des Wagens (Mikrokupplung k2 angekoppelt) und Produktion der Systemluft LHK (Mikrokupplung kMK angekoppelt) eingesetzt. Dabei bestimmt vor allem eine Priorität der Batterie- und Systemluftaufladung die „Gelegenheit".
    • – Fahrtsituation (5)-Boosten-A; Bei jeder Beschleunigung des Fahrzeugs assistieren die Elektromotoren EM/G-1 und EM/G-2 durch Ankoppelung der Mikrokupplungen k1 dem Hauptantrieb der Brennkraftmaschine.
    • – Fahrtsituation (6)-Boosten-B; Wie bei Fahrtsituation (5) nur lediglich mit Systemluftproduktion (Drucksensor Sd am Strukturtank meldet ein Tiffdruckstand). In diesem Fall wird die Mikrokupplung k2 entkoppelt, die Mikrokupplung kMK angekoppelt und die Elektromotor/Generator EM/G-2 treibt die Minikompressor HK
    • – Fahrtsituation (7)-Bremsrekuperation-A; Beim Bremsen des Wagens (Nur über die Betätigung der Bremspedale!) wird die Kupplung KM der Brennkraftmaschine entkoppelt und die übrige Mikrokupplung angekoppelt. Durch angekoppelte Getriebenkupplung KG überträgt sich die Energie der gebremsten Fahrzeugmasse an den Elektrogenerator EM/G-1,EM/G-2 und den Minikompressor HK und produziert E-Strom und Systemluft LHK. Damit der Generierte E-Strom im „Korelation" mit der bestimmten Bremsstärke bleibt, gleicht der Hybrid-Antrieb-Management HAM den Druck an der Bremspedale mit der Produktionsleistung der Elektrogeneratoren EM/G-1,EM/G-2 verhältnismäßig aus.
    • – Fahrtsituation (8)-Bremsrekuperation-B; Bei der Entlastung der Gaspedale werden die Mikrokupplungen k1 und k2 angekoppelt. Um einen sanften Fahrtübergang zu ermöglichen wird der E-Strom über Generatorbetrieb der EM/G-1 und EM/G-2 produziert (Produktion der Systemluft fällt aus!). Weil diese Fahrtsituation meistens bei einer Abhangfahrt passiert, bezeichnet es die Hybridtechnik mit dem Begriff „Segeln".
  • Es ist besonderes wichtig, das die Reaktion des Hybridsystems bei jeder Fahrtsituation rechtzeitig, sanft und für Insassen unbemerkt bleibt. Diese Aufgabe regelt Hybrid-Antrieb-Management HAM durch den „Synchronisierungs-Prozess". Ein Umdrehungssensor Su liefert die Angaben über Umdrehungszahlen der Zahnräder im Antriebsverteiler AV. Um bei einer bestimmten Fahrtsituation, ganz sanft mitwirken zu können, werden die Elektromotoren/Generatoren EM/G-1 und EM/G-2 im Passivlauf momentan an entsprechende Umdrehungszahl geschleudert und danach über Mikrokupplungen „aktiv" angekoppelt. Deswegen, setzt die Innovation „HARTS" auf kleinere hochdrehbare Elektromotor/Generatoren EM/G-1 und EM/G-2 mit geringen Rotationsmassen ein.
  • Im zweiten Teil der Beschreibung wird das innovative „HARTS" Turbosystem gemäß Index-2_Turboaufladung für Zeichnungen 6 bis 12 erklärt. Die innovative Aufladung nutzt die Systemluft LHK, die im oben erklärten Hybridprozess produziert würde. Index-2_Turboaufladung
    LHK – Systemluft (aus Strukturtank ca.10-30 % Massenanteil, z.B. 10bar)
    LA – Außenluft (aus Umgebung; ca. 70-90% Massenanteil)
    LE – Expandierende Systemluft (Im Turbolader!!)
    LK – Komprimierte Außenluft (Im Turbolader!!)
    LL – Ladeluft
    PRVPC – Proportionalregelventil (Mode-Druckregelung)
    PRVFC – Proportionalregelventil (Mode-Luftmengedosierung)
    EDK – Einführungsdüse-Systemluft
    Sd – Drucksensor
    LMM – Luftmassenmesser (integrierten Temperatursensor)
    St – Temperatursensor
    EZ – Expansionszone der Doppelturbine
    KZ – Kompressionszone der Doppelturbine
    DV – Dosierungsventil der Außenluft
    LF – Luftfilter
    1 – EK-Turbine
    2 – Turbinenwelle
    3 – Spiralgehäuse
    4 – Lagergehäuse
    5 – Kugellager (z.B. x2)
    6 – Semmering
    7 – Mutterschraube
    8 – Ölpumpe
    9 – Deckel-Lagergehäuse
    10 – Ölfilter
    11 – Deckel-Ölfilter
    12 – Dichtungen (O-Ringe)
    13 – I-Schrauben (z.B. x6)
  • Wie schon erwähnt, ist die innovative Turboaufladung eine Weiterentwicklung der Direktturboaufladung (DTL) aus Druckschrift DE 10 2004 037 763 A1 . Ein vereinfachtes Funktionsdiagramm an der Zeichnungen Seite 6 stellt das Funktionsprinzip der innovativen Turboaufladung „HARTS" dar. Ganz vereinfacht, der Turbolader besteht aus einer EK-Turbine und wie gewöhnlich einem Spiralgehäuse. Der Begriff „EK-Turbine" bezieht sich auf den gleichzeitigen Doppelprozess bei der Produktion zweier Luftkomponenten LE + LK der Ladeluft LL: Expansion der Systemluft LHK in Zone EZ und Kompression der Außenluft LA in Zone KZ.
  • Die Systemluft LHK aus dem Strukturtank strömt über ein Proportionalregelventil PRVPC (Druckregelung) in die Expansionszone EZ der EK-Turbine. Expansionsenergie der LHK treibt die EK-Turbine in Rotation (expandierende LHK = Komponente LE), damit die Schaufeln der Kompressionszone KZ die Außenluft über das Dosierungsventil DV ansaugen und zusätzlich komprimieren (komprimierende LA = Komponente LK). Durch Mischung der „kalten" Luftkomponenten LE und „warmen" LK im Spiralkanal des Turboladers entsteht die gekühlte Ladeluft LL. Die Rekuperation der abgegebenen Kompressionsenergie der LHK in der Energie des Turboantriebs macht den Prozess sehr effektiv.
  • Die Steuerung der Produktionsparameter der Ladeluft LL im Vergleich mit Druckschrift DE 10 2004 037 763 A1 (ARTS – nur Druck der Ladeluft direkt steuerbar – Stand der Technik!) wurde radikal geändert. Bei der Innovativen Turboaufladung „HARTS" werden der Druck und die Temperatur der Ladeluft LL direkt steuerbar. Weil die Druckregelung durch Betätigung der Gaspedale über ein digitales Proportionalregelventil PRVPC eine gewöhnliche Rolle bei der Laststeuerung spielt, hat die Temperatursteuerung eine doppelt anspruchvolle Aufgabe: Die Anpassung des Turbosystems an die Umgebungskonditionen und Moderierung des negativen Einflusses der Teillastfahrt. Dabei macht es die innovative Turboaufladung möglich durch ein riesiges Kühlungspotential der Ladeluft ein unvergleichbar höheres Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine gegenüber klassischen Turbos zu erreichen.
  • Bei der Konstruktion der Brennkraftmaschinen wird nämlich ein Verdichtungsverhältnis immer auf einen Volllastwert bei bestimmter Umgebungstemperatur gesetzt. Als Folge wird bei einer Teillast eine kleinere Menge der Ladeluft auf einen niedrigen Druck und eine niedrige Temperatur über den Kolben der Brennkraftmaschine komprimiert. Ein Verdichtungsverhältnis das bei der Konstruktion z.B. auf 10 festgesetzt wurde, fällt bei 50% der Teillast faktisch auf einen „Realwert" von 5. Damit wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine viel kleiner, was den Kraftstoffsverbrauch und die Abgasemission verschlimmert. Man hat versucht bei mehreren Innovationen rein konstruktiv diese Probleme mit dem variablen Verdichtungsverhältnis zu lösen. Die innovative Turboaufladung HARTS bittet durch Temperatursteuerung der Ladeluft über Dosierungsventil DV eine reine thermodynamische Moderierung des Problems. Bei jeder aufgeladenen Brennkraftmaschine wird die „Teillast" durch den Ladeluftdruck definiert. Über Definitionsleitung LAST zwischen Proportionalregelventil PRVPC und Dosierungsventil DV, überträgt sich der vorgegebene Ladeluftdruck am Öffnungs-Mechanismus (optional; rein Pneumatisch, elektropneumatisch oder rein elektromagnetisch) der Ventilklappe des Dosierungsventils DV. Je größer der Druck, desto kleiner die Öffnung der Ventilklappe des Dosierungsventils DV und umgekehrt. Über die Dosierung der angesaugten Außenluft wird die Temperatur der Ladeluft geregelt. Die Ladeluft wird bei größerer Last bzw. kleineren Öffnung der Ventilklappe DV dank größerem Anteil der expandierenden Systemluft kalt und dicht. Bei kleinerer Last bzw. größerer Öffnung der Ventilklappe DV wird die Temperatur der Ladeluft auch höher. Durch die höhere Temperatur der Ladeluft bei Teillast wird auch die Temperatur und der Druck in der Brennkraftmaschine trotz niedriger Ladeluftdichte am Ende der Kolbenkommpression höher. Der „Realwert" des Verdichtungsverhältnisse wird erhöht und damit der Wirkungsgrad des Brennkraftprozesses bei der Teillast. Nicht weniger interessant, wird gleichzeitig die Einspeisung der Systemluft LHK viel kleiner, was zu einer weiteren Verbesserung der energetischen Bilanz führt.
  • Während unterschiedlichen Jahreszeiten weicht die Außenlufttemperatur LA von einem vorgegebenen Berechnungswert sehr stark ab. Dafür wird die Ursprungsposition der Ventilklappe DV bzw. die Außentemperatur, Maschinentemperatur und die Temperatur der Systemluft über das Luftmanagement elektronisch geregelt (Einfluss-Sommer/Winter).
  • Die Zeichnung Seite 7, 7, stellt Variante-1 der innovativen Turboaufladung dar, die mit einer EK-Turbine 1 in zweiseitiger Ausführung vorgesehen wird. Die Einführung der Systemluft LHK und der Ansaugkanal der Außenluft LA sind an den Gegenseiten des Turboladers.
  • Ein digitales Proportionalregelventil PRVPC leitet die Systemluft LHK aus Strukturtanks LT über einen Ringruhmkanal im Turboladergehäuse zur Expansionszone EZ der EK-Turbine ein. Die fließende Systemluft expandiert an die Schaufeln in Expansionszone EZ der EK-Turbine und kühlt sich dabei kräftig (Luft LE). Die kinetische Energie der expandierenden Luft LE treibt die EK-Turbine in Rotation an. Durch diese Rotation saugen die Schaufeln der Kompressionszone KZ die Außenluft LA über ein Dosierungsventil DV und komprimieren sie. Infolge dieser Kompression wird die Luft LA erwärmt (bezeichnet als LK). Im schmalen, düsenförmigen Rundrumspalt, am Ausgang aus Expansionszone EZ, trifft die düsende gekühlte Luft LE die erwärmte Luft LK aus Kompressionszone KZ und zieht sie im Spiralkanal des Turboladers mit (Druckgradient + Hydrodynamisches Paradoxon). Anschließend mischt sich die gekühlte Luft LE mit erwärmter Luft LK in steuerbaren Anteilen (Ladeluft LL). Die zwei wichtigen Parameterwerte der Ladeluft LL, der Druck und die Temperatur werden über ein digitales Proportionalregelventil PRVPC (Druck) und Drosselregelungsventil DV (Temperatur) gesteuert.
  • - Regulation des Ladeluftdrucks:
  • Die „Ladeluft-Druckregulation" hat bei einer Turbomaschine die gleiche Bedeutung wie „Lastregulation" und wird durch die Position der elektronische Gaspedale EGP eingegeben. Das Signal wird vom Luftmanagement zum digitalen Proportionalregelventil PRVPC als Ladeluftdruck-Sollwert geleitet. Durch das Rücksignal des Luftdrucksensors Sd, im Auslauf des Turboladers, gleicht das digitale Proportionalregelventil PRVPC den richtigen Ladeluftdruck-Sollwert automatisch ein. Die Druckpulsierung, die in Luftkrümmer wegen der zyklischen Einnahme der Ladeluft LL von der Brennkraftmaschine entsteht, wird softwaremäßig von digitalem Proportionalregelventil mit einem Durchschnittswert übersetzt. Am Ausgang des Turboladers ist ein Luftmassenmesser LMM vorgesehen, der Produktionsdaten (Druck, Temperatur und Massendurchsatz der Ladeluft) an das Luftmanagement liefert.
  • - Regulation der Ladelufttemperatur:
  • Das Drosselregelungsventil DV steuert die Einspeisung der Außenluft LA am Saugeingang des Turboladers. Die Ergebnistemperatur der produzierten Gasmischung ist von dem Druck und den Temperaturen der beteiligten Gaskomponenten abhängig. Dementsprechend wird durch Dosierung der Außenluft LA der prozentuelle Anteil der Luftkomponente LK als Wärmeträger in der gemischten Ladeluft LL an bestehende Temperaturstände angepasst. Je kleiner die Öffnung der Ventilklappe DV desto weniger Außenluft wird von Schaufeln in der Kompressionszone KZ der EK-Turbine angesaugt, der Verbrauch der Systemluft LHK steigt, die Ladeluft LL wird kühler und dichter. Damit wird eine direkte Kontrolle über die Endtemperatur des Kompressionsprozess in der Brennkraftmaschine geleistet. Neben einer Verbesserung des Wirkungsgrades und Leistungsaufbaus macht es die Temperaturregelung der Ladeluft LL möglich bei einem Brennkraftprozess eine anklopfende Verbrennung und NOX Emission zu vermeiden. Damit ist auch klar, dass der Verbrauch der Systemluft LHK für Turboaufladung im Winter sinkt und im Sommer steigt.
  • Die Zeichnung Seite 8, 8, stellt Variante-2 die innovative Turboaufladung dar, die mit einer EK-Turbine in einseitiger Ausführung vorgesehen wird. Die Einführungsdüse EDK der Systemluft sowie der Ansaugkanal der Außenluft befinden sich an derselben Seite des Turboladers. Funktionsmäßig sind beide Varianten fast identisch. Die Systemluft LHK bläst über die Einführungsdüse EDK, die an der Rotationsachse des Ansaugkanals liegt, direkt an der Zentralnase der EK-Turbine ein. Die Aufteilung der Systemluft LHK über das Turbinenrad wird wesentlich verbessert. Die Variante-2 leistet an zwei Stellen das hydrodynamische Paradoxon; einmal an der Saugseite des Turboladers und zweitemal am Ausgang aus Zone EZ im Übergangsgalt zum Spiralkanal. Die Umwandlung der kinetischen Energie der düsenden Luft im Turbinenantrieb hat bei dieser Variante eine höhere Effizienz. Außerdem, bietet diese Variante eine noch geringere Bauweise. Komplikationen entstehen beim Einbau der Einführungsdüse EDK durch das Drosselregelungsventil DV. In weiteren Punkten entspricht die Beschreibung der Variante-2 völlig der Beschreibung Variante-1.
  • Eine kleine Bauweise und ein geringes Gewicht des innovativen Turboladers macht die konstruktive Integration des Aufladungssystems im Luftfiltergehäuse möglich.
  • Die Zeichnungen Seite 9 und 10 stellen das Prototypkonzept des innovativen Turboladers (Variante-2; einseitige EK-Turbine) dar. Eine EK-Turbine 1, festgekoppelt mit einer Rotationswelle 2, wird zwischen ein Spiralgehäuse 3 und ein Lagergehäuse 4 integriert. Im Spiralgehäuse 3 sich ein Saugrohrkanal und ein Spiralkanal. Eine Einführungsdüse für die Systemluft EDK die axial im Saugrohrkanal liegt, wird optional entweder am Spiralgehäuse 3 befestigt oder im Dosierungsventil DV integriert. Rotationswelle 2 ist über zwei Kugellager 5 axial im Lagergehäuse 4 integriert. Der Spalt zwischen dem Lagergehäuse 4 und der Rotationswelle 2 an der Turbinenseite wird mit einem Semmering 6 dicht gemacht. Eine Mutterschraube 7, zieht über eine spirale Ölpumpe 8 das Welle-Lagersystem fest zusammen. Der Raum zwischen dem Lagergehäuse 4 und dem Turbolagerdeckel 9 ist für das Schmieröl vorgesehen. Eine spirale Ölpumpe 8 rotiert synchronisiert mit Rotationswelle 2, saugt das Öl über Ölfilter 10 aus dem Ölraum und schmiert damit die Kugellager 5. Über die Lochkanäle im Lagergehäuse 4 fließt das Öl wieder in den Ölraum zurück. Das Lagergehäuse 4 wird über das Spiralgehäuse 3 durch den ständigen Lauf der gekühlten Ladeluft LL im Spiralkanal gekühlt.
  • Im dritten Teil der Beschreibung wird eine weitere Anwendung der Innovation HARTS abgeleitet – der Klimatisierungsprozess. Der Klimatisierungsprozess nutzt die gleiche Systemluft LHK, die in dem oben erklärten Hybridprozess produziert wurde. (die Zeichnungen Seite 12, 12)
  • Nämlich, durch die unterschiedliche Funktionsmode des digitalen Proportionalregelventils (Stand der Technik: FESTO, ASCO, MARSH BELLOFRAM ... usw.), sind zwei Expansionsprozesse denkbar:
    • 1) Bei der Turboaufladung funktioniert digitales Proportionalregelventil PRVPC in die Druck-Steuerungsmode (PC steht für "Pressure Control")
    • 2) Bei der Klimatisierung funktioniert digitales Proportionalregelventil PRVFC in die Massenfluss-Steuerungsmode (FC steht für "Flow Control")
  • Wie schon oben im zweiten Teil bei der Turboaufladung beschrieben, strömt die Systemluft LHK über ein Proportionalregelventil PRVPC an der EK-Turbine des „Klimaladers" (ein zusätzlicher „Turbolader" wird für innovative Klimaanlage nötig!) und treibt die Rotation an. Dabei wird wegen Expansion in Zone EZ die Luft gekühlt. Die Schaufeln der Zone KZ treiben die angesaugte Außenluft in den Spiralkanal des „Klimaladers". In Spiralkanal entsteht eine kalte Mischung von angesaugter Außenluft und expandierender Luft, die zu einem klimatisierten Raum weitergeleitet wird. Das Klimamanagement regelt dosierungsweiße den Klimatisierungsprozess über den Temperatursensor ST:
    • – Proportionalregelventil PRVFC – dosiert den Anteil der Systemluft LHK (kalt)
    • – Dosierungsventil DV-dosiert den Anteil der Außen/Raumluft (warm)
  • Der vierte Teil der Beschreibung stellt ein Basisdiagram für eine Steuerungsintegration der innovativen Turboaufladung bei heutigen Motormanagements dar (die Zeichnungen Seite 11).
  • Das Luftmanagement der Turboaufladung HARTS wird softwaremäßig in bestehende Motormanagements integriert:
  • 1l stellt die Integration bei einem Motormanagement der Otto-Brennkraftmaschine dar.
  • Die Integration bei einem Motormanagement der modernen Diesel-Maschine (EDS) ist fast identisch (Zündung fällt aus!).
  • Durch die Positionseingabe der elektronischen Gaspedale EGS, bzw. der gesammelten Umgebungsdaten (Umgebungslufttemperatur, Motortemperatur usw.), berechnet das Luftmanagement entsprechende Parameter des Drucks und der Temperatur der Ladeluft. Diese Werte werden an Regulationsventile der Turboaufladung weitergeleitet. Über die Luftmassenmesser am Ausgang des Turboladers werden die realen Parameterdaten der Ladeluft (die Luftmenge, die Temperatur, der Druck) abgeleitet, welche in Folge das Motormanagement als Basis für die Berechnung entsprechender Kraftstoffmengen nutzen wird.
  • Wirkungen der HARTS – Innovation.
  • „Moderne Fahrzeuge mit günstigem Luftwiderstandsbeiwert brauchen nur ca. 30 kW für 120 km/h auf ebener Autobahn. Wenn die höhere Leistung nur zeitlich begrenzt und nicht dauerhaft eingesetzt wird, hat der Hybridantrieb mit zunehmendem Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung und -speicherung eine Zukunft. Hier sind kleine Triebwerke mit Aufladung denkbar, deren Drehmomentschwäche im unteren Bereich durch zusätzlichen Elektroantrieb verbessert wird. Der Hybridantrieb muss auch im Überlandverkehr attraktiv werden."
  • „Man muss sich offensichtlich große Mühe geben, damit diese Umschaltung vom Innenraum aus nicht bemerkt wird. Es zeichnen sich wohl zwei Methoden ab. Entweder besteht eine permanente Verbindung und der Motor dreht ohne oder mit geringerer Verdichtung (Prius) mit, oder die Zu-/Abschaltung erfolgt über eine zweite Kupplung. Dieses System vertraut auf Fortschritte in der elektronischen Regelung von Reibungskupplungen."
    Zitat: www.kfz-tech.de
  • Dieses Vorwort_zeigt in prägnanter Weise die Bedeutung der innovativen HARTS Lösung auf.
  • In der Weiterentwicklung der Innovation DE 10 2004 037 763 A1 („ARTS” – Stand der Technik), die mittels der hochkomprimierten Luft bei der Turboaufladung eine direkte Steuerung des Ladeluftdrucks unabhängig vom Arbeitszustand der Maschine einen konstanten Drehmoment und eine hohe spezifische Leistung ermöglicht hat, sorgt die Erfindung HARTS für gleichzeitige Hybridproduktion des E-Stroms und der nötigen hochkomprimierten Systemluft. Außerdem wurde Turbolader („DTL” aus DE 10 2004 037 763 A1 "-Stand der Technik) und Regulation der Ladeluft- Druck und Temperatur deutlich vereinfacht und verbessert.
  • Die innovative Turboaufladung wurde auf eine rein physikalische Leistungsbilanz begründet. Bei „heutigen" Turbosystemen wird 100% der angesaugten Luft, die die Brennkraftmaschine für die Verbrennung der entsprechenden Menge des Kraftstoffs benötigt, über einen Turbolader komprimiert (z.B. Abgas oder Mechanisch auf 2-3 bar; fast 15 kg Luft/1 L Kraftstoff !!!). Die Leistungsbilanz bei der polittropischen Komprimierung einer bestimmten Luftmenge in einer Minute zeigt deutlich alle Vorteile der Turboaufladung durch Expansion der hochkomprimierten Systemluft. Das Diagramm an der Zeichnungen Seite 13, 13.a stellt die theoretische Leistung der für die Komprimierung einer bestimmten Menge Luft in einer Minute auf einen bestimmten Druck dar. So z.B. wird nötig eine Leistung von 1,0 kW nötig, um 1 kg Luft/min (20°C) auf einen Überdruck von 1,5 bar zu komprimieren. Die gleiche Leistung reicht für Komprimierung 0,25 kg Luft/min auf einen Überdruck von 15 bar aus (Luftmenge 4-mal kleiner, der Überdruck 10-mal höher!) Die Kühlung der kleineren Menge wird danach viel effektiver dank einer viel größeren Differenz zwischen den Temperaturen der außen- und hochkomprimierten Luft.
  • Der Innovation HARTS gelingt es durch doppelartige Hybridrekuperation (Rekuperation der Abgas- und Bremsenergie) zwei wichtige Mittel zu produzieren; E-Strom und hochkomprimierte Systemluft. Der Meiste Teil der Rekuperationsenergie wird in E-Strom umgewandelt und für Zusatzantrieb benutzt. Nur ein Teil der Abgas- und Bremsenergie wird für Vorkomprimierung einer kleineren Menge Luft eingesetzt. Die hochkomprimierte Systemluft, die in den Strukturtanks gespeichert wird, sorgt danach für „kühlungslose" Turboaufladung und zusätzliche Komfortfunktionen in einem Wagen. Die optimalen Werte sollen noch aus theoretischen Berechnungen und praktischen Kenntnissen abgeleitet werden.
  • In der Straßenfahrt erweisen sich heutige Hybridsysteme wegen ihres relativ hohen Gewichtes und den vergleichsweise schwächeren Brennkraftmaschinen noch immer in puncto Wirkungsgrad modernen Turbodiesel-Motoren unterlegen. Dank der Abgasrekuperation, einem kleineren Gewicht und einer leistungsvollen Brennkraftmaschine wird beim innovierten Hybridsystem der Wirkungsgrad des Hybridsystems besonderes in der Straßenfahrt stark verbessert. Eine Bernoulli-Auspuffanlage leistet ein Tiefdruck pu im Abgasrohr und macht damit die Funktionskette der Brennkraftmaschine – Katalysator – Abgasturbine noch viel effektiver.
  • Die Zeichnungen Seite 13, 13.b, stellt in einem P-V Diagram eine theoretische Leistung der Otto-Maschine beim Innovationsprozess dar. Die Leistung der HARTS-Brennkraftmaschine wird durch die Wirkung von einem erhöhten Verdichtungsverhältnis 1, einer kühleren Ladeluft 2 und eine Abgasrekuperation 3 stark verbessert.
  • Durch eine niedrige Temperatur der Ladeluft wird nun möglich eine größere Auswahl an Konstruktionsmaterialen und eine von der Maschine unabhängige Schmierung bei der Produktion des Turboladers zu verwenden.
  • Die Luftdrucktanks werden als Versteifungselemente integriert, um die Struktursteifigkeit der Karosserie zu verbessern ohne gesamte Masse des Wagens wesentlich schwerer zu machen (z.B. jeweils in Schweller, in Bodenstruktur oder in Querträger).
  • Über Antriebsverteiler AV wirkt das innovierte Hybridsystem wie eine Antriebseinheit, die aus dem Hauptstrang mit einer kleinen aufgeladenen Brennkraftmaschine und den Nebensträngen mit zwei Elektromotor/Generatoren, einer Abgasturbine und einem Minikompressor besteht. Damit lässt sich über Getriebe-Kupplung KG innovierte Antriebseinheit an ein gewöhnliches Getriebe ankoppeln.
  • Diese innovierte Antriebseinheit ist funktionsmäßig vergleichbar mit einem konventionellen Turbomotor, der aus einer großen aufgeladenen Brennkraftmaschine (Spezifische Leistung kleiner, das Arbeitsvolumen größer!), einem Starter-Elektromotor, einer Lichtmaschine, einem Abgasturbosystem mit aufwändiger Luftkühlung und einem Klimakompressor besteht. Eine optimale Gewichtsbilanz wird aus Berechnungen des innovierten Turbosystems noch abgeleitet.
  • Wie üblich in der Hybridtechnik sind aufgrund der Gewichts- und Kosteneinsparung zwei innovative Hybridvarianten vorgestellt:
    • 1) Die Variante Mild-Hybrid stellt eindeutig einen besseren Kompromiss für eine ausgewogene Nutzung des Wagens im Stadt- und Überlandverkehr dar.
    • 2) Die Variante Voll-Hybrid, durch ein zusätzliches Elektromotor EMG-3 und eine viel größere Batterie ist dagegen nur für einen dienstlichen Teilnehmer im Stadtverkehr optimal geeignet (größeres Gewicht und Anschaffungskosten).
  • Basierend auf iterativen Berechnungen, stellt das Leistungsdiagramm (Zeichnungen Seite 14) eine kleine HARTS Otto-Brennkraftmaschine (1000 ccm) dar. Bei einer konventionellen Diesel-Turbomaschine wird es schwer unter 3000 ccm eine vergleichbare Leistung gleichzeitig mit einem niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen.
  • Die Erfindung, basierend auf bekannten physikalischen Gesetzen bringt eindeutige Vorteile:
    • – Verringerung des Gesamtgewichts des Wagens
    • – ein konstantes Drehmoment der Brennkraftmaschine, bessere Zusammenstimmung mit konstanten Drehmomenten Elektromotoren/Generatoren beim Hybridantrieb.
    • – Erhöhung der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine
    • – Verringerung des Kraftstoffsverbrauchs aufgrund gleichzeitiger Brems- und Abgasrekuperation, eines kleineren Arbeitsvolumens der Maschine, einer deutlichen Verbesserung des effektiven Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine dank einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und Teillastregulation, einer Verringerung des Gesamtgewichts und einer programmierbaren Leistung, die den Wünschen des Fahrers entspricht (Autobahn-, Strassen-, Stadt-, Stau Fahrt etc.)
    • – die Ansprechbarkeit des Turbosystems ist hervorragend, die Drehzahl und der Leistungssprung entstehen momentan!
    • – ein ausgezeichnetes „Quer-bursting" – Potential
    • – die Verringerung der NOx-Emission durch Temperatur- und Teillast-Regulation der Ladeluft.
    • – der verbesserte sportliche Straßenfahrtcharakter (dank Abgasrekuperation und Expansionsaufladung – ein besonderes Vorteil im Vergleich zu den konventionellen Hybridsystemen)
    • – die übrigen Komfortfunktionen im Wagen, wie z.B. Klima, Servo usw., sind statt elektrisch, auch pneumatisch lösbar (ein besonderes Vorteil in Vergleich zu den konventionalen Hybridsystemen)
  • LITERATUR:
    • – Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch Braunschweig; Wiesbaden: Viehweg, 1999
    • – Prakticar 3/B.Kovac Skolska knjiga Zagreb 1973
    • – Temelji automatike/J.Bozicevic Skolska knjiga Zagreb 1987
    • – Nauka o toplini/A.Kostelic Skolska knjiga Zagreb 1965
    • – Motori 1/M.Mikulicic Skolska knjiga Zagreb 1976
    • – Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik/mehrere Autoren Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co., 42781 Haan-Gruiten 1999
    • – Turbo- und Kompressormotoren Entwicklung, Technik, Typen/Hack-Langkabel Motorbuch Verlag, Postfach 103743, 70032 Stuttgart 1999
    • – DE-Fachbuch: Rautenberg, Manfred (Herausgeber): Aufladung von Verbrennungsmotoren: Entwicklung, Regelung und Stand der Technik. Braunschweig (u.A.) Viehweg, 1990 (Fortschritt der Fahrzeugtechnik; Band 6)
    • – Disertation (Dr-Ing)-Untersuchung von Verbesserungspotentialen hinsichtlich Verbrauch und Drehmoment bei Ottomotoren mit Hilfe 1-dimensionaler Simulationsrechnung/Dipl.Ing. Gert Schreiber, Technische Universität Kaiserslautern 26.01.2006
    • – Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren/Verbrennungsmotoren-Lehrbrief V7 Verfasser: Prof.Dr.-Ing.habil. E.Bach (unter Mitwirkung von Dr.-Ing. P.Pfeiffer)/Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH)
    • – Offenlegungsschrift: DE 10 2004 037 763 A1 („ARTS")

Claims (14)

  1. Ein Hybridantriebssystem, gekennzeichnet durch eine mit hochkomprimierter Systemluft aufgeladene Brennkraftmaschine und dadurch, dass in einem kombinierten Rekuperationsprozess aus der Energie, wie sie beim Bremsvorgang entsteht bzw. wie man sie durch die anfallenden Abgase gewinnt, sowohl elektrischer Strom als auch hochkomprimierte Systemluft produziert wird, womit man gleichzeitig eine Batterie aufladen als auch einen Hochdruckluft-Behälter füllen kann.
  2. Ein Hybridantriebsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die komprimierte Luft aufgeladene Brennkraftmaschine M über einen Antriebsverteiler AV im primären Antriebsstrang mit dem Getriebe und mit den sekundären Strängen über Kupplungen eingekoppelt wird.
  3. Ein Antriebsverteiler AV nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame differenzierte Einsatz der Antriebskomponenten zwischen den sekundären Strängen (mittels Minikupplungen k1 und k2) und dem primären Arbeitstrang (ein Kupplungssystem jeweils an Brennkraftmaschinenseite KM und Getriebeseite KG) durch Verteilung der Drehmomente über Reduktionszahnräder gewährleistet wird. Bei der Antriebsvariante „Mildhybrid" wirkt das „Sonnenzahnrad" optional gleichzeitig als Schwungrad. Bei der Variante „Vollhybrid" hingegen ist im „Sonnenzahnrad" ein (permanenter) Elektromotor/Generator EM/G-3 integriert.
  4. Ein sekundärer Strang, eingekoppelt über die Minikupplung k1 nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er über einen Elektromotor/Generator EM/G-1, – der wiederum an die Abgasturbine AT angekoppelt ist-, als Abgas-Rekuperationsstrang wirkt.
  5. Ein Abgasrekuperations-Prozess nach Anspruch 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass während normaler Straßenfahrt die Minikupplung k1 des Abgasrekuperations-Stranges entkoppelt wird, und damit die Abgasturbine über einen Reduktions-Mechanismus RAT und die angekoppelte Minikupplung kAT den Elektromotor/Generator EM/G-1 (in Generatormode) antreibt. Geregelt von einem Hybrid-Antriebs-Management HAM, wird der produzierte E-Strom teils in der Batterie gespeichert, teils an den Elektromotor/Generator EM/G-2 (in Elektromotormode) abgegeben. Letzterer sorgt mittels der eingekoppelten Minikupplung k2 des System-Luftrekuperations-Stranges für den Zusatzantrieb oder Systemluftproduktion. Um den Wirkungsgrad dieses Prozesses zu verbessern, wird die Abgasturbine AT gekühlt und optional mit einer kombinierten Auspuff-Spoileranlage BA verbunden.
  6. Eine kombinierte Auspuff-Spoileranlage BA nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einstellbare Flügelklappe einen düsenförmigen, mit dem Ausgang des Auspuffrohres verbundenen Spalt formt. Durch ein Hydrodynamisches Paradoxon sorgt dieser dafür, dass die Strömung des Fahrtwinds gleichzeitig sowohl eine nach unten gerichtete Kraft („Bodenhaftung") als auch einen Tiefdruck im Abgasrohr (zusätzliche „Abgasexpansion") bewirkt.
  7. Ein sekundären Strang eingekoppelt über Minikupplung k2 nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet das über einen Elektromotor/Generator EM/G-2 und angekoppelten Minikompressor HK als Systemluft-Rekuperationsstrang wirkt.
  8. Ein Systemluftproduktions-Prozess nach Anspruch 1,2 und 7, dadurch gekennzeichnet das ein Minikompressor MK über (inzwischen optional einen Reduktionsmechanismus) einen Minikupplung kMK an einem Elektromotor/Generator EM/G-2 eingekoppelt wird. Die komprimierte Systemluft wird beim bedarf im einem kombinierten Prozess produziert, geregelt von einem Hybrid-Antrieb-Management HAM, entweder beim bremsen direkt mechanisch durch gleichzeitigen Einkoppelung der Minikupplungen k2 und kMK (Bremsrekuperations-Prozess) oder beim normalen Straßenfahrt elektrisch durch Einkoppelung der Minikupplung kMK von dem Elektromotor/Generator EM/G-2.
  9. Ein Synchronisierungs-Prozess nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet das ein Umdrehungssensor Su liefert die angaben über die Umdrehungszahl der Zahnräder im Antriebsverteiler AV an Hybrid-Antrieb-Management HAM.. Damit beim eine Bestimmte Fahrtsituation ganz sanft mitwirken zu können, schaltet HAM die Elektromotoren/Generatoren EM/G-1 und EM/G-2 (Optional EM/G-3) so ein, das die im Passivlauf momentan an entsprechenden Umdrehungszahl geschleudert und danach über Mikrokupplungen „aktiv" angekoppelt werden.
  10. Das Auflade-System ist nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Systemluft über einen proportionales Druck-Regelventil PRVPC in der EK-Turbine des Turboladers expandiert und dieselbe in der Rotation antreibt. Dadurch komprimiert dieselbe EK-Turbine gleichzeitig über ein proportionales Dosierungsventil (Dosierungsklappe) DV die angesaugte Umgebungsluft. Im Spiralkanal des Turboladers mischt sich die gekühlte expandierte Systemluft mit der komprimierten Umgebungsluft. Die produzierte Ladeluft wird über einem Luftmassenmesser LMM direkt der Brennkraftmaschine zugeführt.
  11. Die Teillaststeuerung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass über einen proportionales Druck-Regelventil PRVPC der Ladeluftdruck und über ein proportionales Dosierungsventil DV,- dass in Beziehung mit dem selben Ladeluftdruck und die Außentemperatur steht, die Ladelufttemperatur gesteuert wird.
  12. Das Klima-System nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, das die komprimierten Systemluft über einen proportionales Massenfluss-Regelventil PRVFC in der EK-Turbine des „Klimaladers" expandiert und die selbe in der Rotation antreibt. Dadurch saugt dieselbe EK-Turbine gleichzeitig über ein proportionales Dosierungsventil (Dosierungsklappe) DV die Luft entweder aus dem klimatisierten Innenraum oder aus der Umgebung an. Im Spiralkanal des Turboladers mischt sich die gekühlte expandierte Systemluft mit der angesaugten Luft. Die produzierte Klimaluft wird dem klimatisierten Innenraum zugeführt.
  13. Der Turbolader ist nach Anspruch 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, das aus mehrteiligen Turboladergehäusen mit Anschluss an komprimierte Systemluft und einer EK-Turbine besteht. Die EK-Turbine wird über eine Welle in einem ölgeschmierten Kugellagersystem gelagert. Dabei wird das Ölschmierungssystem von Außenquellen unabhängig.
  14. Die EK-Turbine nach Anspruch 12 ist dadurch gekennzeichnet, dass eine EK-Turbine des Turboladers aus zwei Arbeitszonen besteht; der Expansionszone der komprimierten Systemluft EZ und der Kompressionszone KZ für angesaugte Außenluft. Dabei sind beide Zonen in radialer Richtung mit Fliegeschaufeln versehen.
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