DE102006054799B4 - Hybridantriebsstrang mit elektrisch variablem Getriebe und Verbrennungsmotorventilsteuerung - Google Patents

Hybridantriebsstrang mit elektrisch variablem Getriebe und Verbrennungsmotorventilsteuerung Download PDF

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Abstract

Hybridantriebsstrang (10) mit einem Getriebe (11), das mindestens einen darin enthaltenen Motor (56, 72) und mindestens einen darin enthaltenen differenziellen Zahnradsatz (24, 26, 28) aufweist, wobei der mindestens eine Motor (56, 72) und der mindestens eine differenzielle Zahnradsatz (24, 26, 28) selektiv dazu dienen, das Getriebe (11) in einer elektrisch variablen Betriebsart zu betreiben; einem Verbrennungsmotor (14) mit mehreren Zylindern (114A–D), von denen jeder mindestens ein Einlassventil (118A–D) und mindestens ein Auslassventil (120A–D) aufweist, die in Beziehung dazu vorgesehen sind; einer entsprechenden Mehrzahl von Kolben (122A–D), von denen jeder in jeweils einem der mehreren Zylinder (114A–D) hin und her beweglich angeordnet ist, wobei jeder der mehreren Kolben (122A–D) einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Ausstoßhub aufweist; wobei eine Ansaugbeladung durch jeweils einen der mehreren Kolben (122A–D) während des Ansaughubs des jeweils einen der mehreren Kolben (122A–D) in jeden der mehreren Zylinder (114A–D) eingezogen wird; mindestens einem Ventilbetätigungsmechanismus (128), der dazu dient, selektiv jeweils eines des mindestens einen Einlassventils (118A–D) zu öffnen und zu schließen; dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ventilbetätigungsmechanismus (128) dazu dient, das mindestens eine Einlassventil (118A–D) jedes der mehreren Zylinder (114A–D) während eines Abschnitts des Verdichtungshubs offen zu halten, wodurch der Verbrennungsmotor (14) in einer Betriebsart mit spätem Schließen des Einlassventils (118A–D) betrieben wird, und das mindestens eine Einlassventil (118A–D) und das mindestens eine Auslassventil (120A–D), die mindestens der Hälfte der mehreren Zylinder (114A–D) entsprechen, selektiv abschaltbar und im abgeschalteten Zustand geschlossen sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft hybride Antriebsstränge und insbesondere hybride Antriebsstränge mit einem elektrisch variablen Getriebe, das selektiv mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, welcher mehrere selektiv deaktivierbare Einlass- und Auslassventile und ein Betriebsverfahren mit spätem Schließen der Einlassventile aufweist.
  • Der Zweck eines Fahrzeuggetriebes besteht darin, einen neutralen, mindestens einen Rückwärts- und einen oder mehrere Vorwärtsfahrbereiche bereitzustellen, die Energie von einem Verbrennungsmotor und/oder anderen Energiequellen an die Antriebselemente weitergeben, welche die Antriebskraft von dem Fahrzeug an das Gelände liefern, über welches das Fahrzeug gefahren wird. Die Antriebselemente als solche können Vorderräder, Hinterräder oder Schienen sein, um je nach Bedarf die gewünschte Leistung zur Verfügung zu stellen.
  • Ein serielles Vortriebssystem ist ein System, bei dem die Energie einem Pfad von einem Verbrennungsmotor an eine elektrische Speichereinrichtung und dann an einen Elektromotor folgt, der Kraft ausübt, um die Antriebselemente zu drehen. In einem seriellen Vortriebssystem gibt es keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Antriebselementen.
  • Getriebe, die dafür eingerichtet sind, die Abtriebsenergie von einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor oder beiden zu empfangen, haben sich bislang hauptsächlich auf etwas gestützt, das als serielle, hybride Vortriebssysteme bezeichnet wurde. Solche Systeme sind mit Hilfsenergieeinheiten (APU's für auxiliary power units) von relativ geringer Energie für minimale Emissionen und bestmöglichen Kraftstoffverbrauch entworfen. Solche Kombinationen von kleinen APU's und sogar großen Energiespeichereinrichtungen sind jedoch nicht mit Fahrzeugen hoher Durchschnittsleistung in Einklang zu bringen oder richten sich an Arbeitszyklen, die einen kontinuierlichen, konstanten Drehzahlbetrieb erfordern. Mit einer typischen seriellen Hybridgetriebekonfiguration können steile Steigungen und dauerhaft hohe Reisedurchschnittsgeschwindigkeiten bei gewünschten hohen Effizienzen nicht erreicht werden.
  • Daher liegt die Herausforderung darin, ein Energiesystem zu schaffen, das über eine große Vielzahl von Betriebsbedingungen mit hohen Effizienzen arbeitet. Wünschenswerte elektrisch variable Getriebe sollten die Vorteile eines seriellen Hybridgetriebes bei wünschenswerten Arbeitszyklen mit niedriger Durchschnittsenergie – das heißt: Start/Stopp-Arbeitszyklen bei niedriger Geschwindigkeit – und die Vorteile eines parallelen Hybridgetriebes für Hochgeschwindigkeitsarbeitszyklen bei hoher Durchschnittsabtriebsleistung nutzen. Bei einer parallelen Anordnung werden die Energie, die von dem Verbrennungsmotor geliefert wird, und die Energie, die von der elektrischen Energiequelle geliefert wird, unabhängig mit den Antriebselementen verbunden.
  • Darüber hinaus führt ein Perfektionieren eines Konzepts, bei dem zwei Betriebsarten oder zwei integrierte Energieaufteilungszahnradstränge vorhanden sind, wobei jede Betriebsart für eine synchrone Auswahl durch den in das Fahrzeug eingebauten Computer verfügbar ist, um Energie von dem Verbrennungsmotor und/oder dem Motor/Generator an die Abtriebswelle zu übertragen, zu einem Hybridgetriebe mit einem extrem weiten Anwendungsbereich.
  • Die gewünschten vorteilhaften Ergebnisse können durch die Verwendung eines variablen, zwei Betriebsarten umfassenden, parallelen hybriden elektro-mechanischen Getriebes mit Antriebs- und Verbundverzweigung erreicht werden. Ein solches Getriebe verwendet ein Antriebselement, um Energie von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu empfangen, und ein Energieabtriebselement, um Energie zum Antreiben des Fahrzeugs zu liefern. Erste und zweite Motor/Generator-Energiecontroller sind mit einer Energiespeichereinrichtung, zum Beispiel einem Batteriepaket, verbunden, so dass die Energiespeichereinrichtungen von den ersten und zweiten Motor/Generatoren Energie empfangen können und an die ersten und zweiten Motor/Generatoren Energie liefern können. Eine Steuerungseinheit regelt den Energiefluss zwischen den Energiespeichereinrichtungen und den Motor/Generatoren sowie zwischen den ersten und zweiten Motor/Generatoren.
  • Ein variables, zwei Betriebsarten umfassendes, paralleles hybrides elektro-mechanisches Getriebe mit Antriebsverzweigung verwendet auch mindestens einen Planetenradsatz. Der Planetenradsatz weist ein inneres Zahnradelement und ein äußeres Zahnradelement auf, von denen jedes in mehrere Planetenradelemente kämmend eingreift. Das Antriebselement ist mit einem der Zahnradelemente des Planetenradsatzes wirksam verbunden, und es sind Mittel vorgesehen, um das Energieabtriebselement mit einem anderen Zahnradelement des Planetenradsatzes wirksam zu verbinden. Einer der Motor/Generatoren ist mit dem verbleibenden Zahnradelement des Planetenradsatzes verbunden, und es sind Mittel vorgesehen, um den anderen Motor/Generator wirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden.
  • Ein Betrieb in der ersten oder zweiten Betriebsart kann durch Verwendung von Drehmomentübertragungsmechanismen selektiv erreicht werden. Bislang ist in einer Betriebsart die Abtriebsdrehzahl des Getriebes im Wesentlichen proportional zu der Drehzahl eines Motor/Generators, und in der zweiten Betriebsart ist die Abtriebsdrehzahl des Getriebes im Wesentlichen proportional zu der Drehzahl beider Motor/Generatoren.
  • Bei einigen Ausführungsformen des variablen, zwei Betriebsarten umfassenden, parallelen hybriden elektro-mechanischen Getriebes mit Antriebsverzweigung wird ein zweiter Planetenradsatz verwendet. Zusätzlich können einige Ausführungsformen drei Drehmomentübertragungsmechanismen verwenden – zwei zur Auswahl der von dem Getriebe gewünschten Betriebsart und den dritten zum selektiven Trennen des Getriebes von dem Verbrennungsmotor. Bei anderen Ausführungsformen können alle drei Drehmomentübertragungsmechanismen verwendet werden, um die gewünschte Betriebsart des Getriebes zu wählen.
  • Wie Fachleute einsehen werden, wird ein Getriebesystem, das eine Energieverzweigungsanordnung verwendet, Energie von zwei Quellen empfangen. Eine Verwendung von einem oder mehreren Planetenradsätzen ermöglicht zwei oder mehr Zahnradstrange, oder Betriebsarten, durch die Energie von dem Antriebselement des Getriebes an dessen Abtriebselement geliefert werden soll.
  • Das US Patent Nr. US 5 558 589 A , das am 24. September 1996 an General Motors Corporation erteilt wurde und hierin durch Bezugnahme umfasst ist, lehrt ein variables, zwei Betriebsarten umfassendes, paralleles hybrides elektro-mechanisches Getriebe mit Antriebsverzweigung, bei welchem in der ersten Betriebsart ein ”mechanischer Punkt” existiert und in der zweiten Betriebsart zwei mechanische Punkte existieren. Das US Patent Nr. US 5 931 757 A , das am 3. August 1999 an General Motors Corporation erteilt wurde und hierin durch Bezugnahme umfasst ist, lehrt ein zwei Betriebsarten umfassendes, elektro-mechanisches Getriebe mit Verbundverzweigung mit einem mechanischen Punkt in der ersten Betriebsart und zwei mechanischen Punkten in der zweiten Betriebsart.
  • Ein mechanischer Punkt tritt auf, wenn einer der Motor/Generatoren zu irgendeinem Zeitpunkt während des Betriebs des Getriebes in der ersten oder zweiten Betriebsart stationär ist. Das Fehlen eines mechanischen Punktes ist ein Nachteil insofern, als die maximale mechanische Effizienz bei der Übertragung von Energie von dem Verbrennungsmotor an den Abtrieb auftritt, wenn sich einer der Motor/Generatoren an einem mechanischen Punkt befindet – das heißt stationär ist. Bei variablen, zwei Betriebsarten umfassenden, parallelen hybriden elektro-mechanischen Getrieben mit Antriebsverzweigung gibt es jedoch typischerweise einen Punkt in der zweiten Betriebsart, bei dem einer der Motor/Generatoren sich nicht dreht, so dass die gesamte Energie des Verbrennungsmotors mechanisch an den Abtrieb übertragen wird.
  • Zusätzliche Erhöhungen der Effizienzen beim Betrieb eines Antriebsstrangs können durch Vorsehen eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum erreicht werden, der nach dem Prinzip der Zylinderabschaltung arbeitet. Während Betriebszuständen, die ein hohes Abtriebsdrehmoment erfordern, wird jeder Zylinder eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum mit Kraftstoff und Luft versorgt, so dass der Verbrennungsmotor die Verbrennung aufrechterhalten und Drehmoment liefern kann. Während Betriebszuständen mit niedriger Geschwindigkeit, niedriger Last und/oder anderen ineffizienten Zuständen für einen Verbrennungsmotor mit vollem Hubraum können Zylinder abgeschaltet werden, um die Effizienzen des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum zu verbessern. Bei dem Betrieb eines Fahrzeugs beispielsweise, das mit einem Vierzylinder Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum ausgestattet ist, wird der Kraftstoffverbrauch durch ein Vermindern von Drosselverlusten verbessert, wenn der Verbrennungsmotor während Betriebszuständen mit relativ niedrigem Drehmoment mit nur zwei Zylindern betrieben wird. Drosselverluste, auch als Pumpverluste bekannt, sind die Extraarbeit, die der Verbrennungsmotor durchführen muss, um Luft von dem relativ niedrigen Druck an einem Ansaugkrümmer über Einlass- und Auslassventile und hinaus in die Atmosphäre zu pumpen. Die abgeschalteten Zylinder erlauben keinen Luftstrom durch ihre jeweiligen Einlass- und Auslassventile, wodurch Pumpverluste vermindert werden, indem der Verbrennungsmotor gezwungen wird, bei einem höheren Ansaugkrümmerdruck zu arbeiten. Da die abgeschalteten Zylinder keinen Luftstrom zulassen, werden zusätzliche Verluste vermieden, indem die abgeschalteten Zylinder aufgrund der Kompression und Dekompression der Luft, die in jedem abgeschalteten Zylinder zurückgehalten ist, als ”Luftfedern” betrieben werden.
  • Die US 5 899 828 A offenbart einen Hybridantriebsstrang nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In der DE 698 05 123 T2 ist ein Ventilsteuerzeiten-Regelsystem für einen Verbrennungsmotor offenbart, bei dem ein Schließzeitpunkt von Einlassventilen soweit nach spät verstellt werden kann, dass diese noch nach Beginn eines Verdichtungshubs offen sind.
  • Die US 6 953 409 B2 offenbart ein hybrides elektromechanisches Verbundverzweigungsgetriebe mit vier festen Übersetzungsverhältnissen und zwei Betriebsarten.
  • In der US 4 565 167 A ist ein Verbrennungsmotor mit einem Luftkompressor offenbart, der von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hybridantriebsstrang zu schaffen, der in weiten Leistungs- und Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichen bei optimiertem Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Hybridantriebsstränge der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorgesehen ist ein Hybridantriebsstrang, der ein Getriebe mit mindestens einem Motor und mindestens einem darin enthaltenen differenziellen Zahnradsatz aufweist. Der Motor und der differenzielle Zahnradsatz sind selektiv betätigbar, um das Getriebe in einer elektrisch variablen Betriebsart zu betreiben. Vorgesehen ist auch ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, von denen jeder mit mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil in Beziehung dazu ausgestattet ist. Zusätzlich ist eine entsprechende Anzahl von Kolben vorgesehen, von denen jeder in jeweils einem der mehreren Zylinder hin und her beweglich angeordnet ist. Jeder der mehreren Kolben weist einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Ausstoßhub auf. Das mindestens eine Einlassventil und das mindestens eine Auslassventil, die mindestens der Hälfte der mehreren Zylinder entsprechen, sind selektiv abschaltbar. Mindestens ein Ventilbetätigungsmechanismus dient dazu, jeweils eines des mindestens einen Einlassventils selektiv zu öffnen und zu schließen. Der Ventilbetätigungsmechanismus dient dazu, ein jeweiliges Einlassventil während eines Abschnitts des Verdichtungshubs im Wesentlichen offen zu halten.
  • Der Hybridantriebsstrang kann ferner ein Zubehör umfassen, und der Verbrennungsmotor kann ferner eine Kurbelwelle umfassen. Die Kurbelwelle ist mit einer Antriebswelle des Getriebes verbunden, und das Zubehör wird im Wesentlichen von der Kurbelwelle angetrieben. Zusätzlich können die jedem der mehreren Zylinder entsprechenden Einlassventile und Auslassventile selektiv abschaltbar sein, so dass der mindestens eine Motor des Getriebes dazu dient, die Kurbelwelle zu drehen und das Zubehör mit einem Minimum an Pumpverlusten anzutreiben. Der Hybridantriebsstrang kann eine elektrische Speichereinrichtung umfassen, die dazu dient, den mindestens einen Motor selektiv mit Energie zu versorgen. Der Hybridantriebsstrang kann auch mindestens eine vorprogrammierbare elektronische Steuerungseinheit umfassen, die dazu dient, das Getriebe und den Verbrennungsmotor zu steuern. Der Hybridantriebsstrang kann ferner mindestens eine Drehmomentübertragungseinrichtung umfassen, die dazu dient, einen jeweiligen des mindestens einen differenziellen Zahnradsatzes zu verriegeln, um mindestens eine feste Übersetzung innerhalb des Getriebes zu ermöglichen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 eine schematische Darstellung eines die Konzepte der vorliegenden Erfindung darstellenden Fahrzeugantriebsstrangs mit einem zwei Betriebsarten umfassenden elektro-mechanischen Verbundverzweigungsgetriebe ist, welches mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, der Zylinderabschaltung und spätes Schließen eines Einlassventils verwendet;
  • 2 eine Wahrheitstabelle der festen Übersetzungen für das in 1 gezeigte Getriebe ist; und
  • 3 eine graphische Darstellung der Umdrehungen pro Minute (RPM von rotations per minute) jedes Motor/Generators sowie des Verbrennungsmotors in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit in Meilen pro Stunde (MPH von miles per hour) ist.
  • Mit Bezug auf 1 ist ein Hybridantriebsstrang 10 gezeigt, der ein zwei Betriebsarten umfassendes elektro-mechanisches Verbundverzweigungsgetriebe 11 aufweist, das bezüglich eines Verbrennungsmotors 14 montiert ist. Das Getriebe 11 weist ein Antriebselement 12 auf, welches die Gestalt einer Welle aufweisen kann, die direkt von dem Verbrennungsmotor 14 angetrieben sein kann. Zwischen der Abtriebswelle 18 des Verbrennungsmotors 14 und dem Antriebselement 12 des Getriebes 11 kann ein transienter Drehmomentdämpfer eingebaut sein. Ein Beispiel für einen transienten Drehmomentdämpfer des Typs, der sich für die vorliegende Verwendung empfiehlt, ist im US Patent Nr. US 5 009 301 A im Detail offenbart, das am 23. April 1991 an General Motors Corporation erteilt wurde und welches durch Bezugnahme hierin vollständig umfasst ist. Der transiente Drehmomentdämpfer kann beinhalten oder verwendet werden in Verbindung mit einem Drehmomentübertragungsmechanismus 20, um eine selektive Ineingriffbringung des Verbrennungsmotors 14 mit dem Getriebe 11 zu ermöglichen, aber es wird darauf hingewiesen, dass der Drehmomentübertragungsmechanismus 20 nicht verwendet wird, um die Betriebsart, in der das Getriebe 11 arbeitet, zu andern oder zu steuern.
  • Bei der in 1 abgebildeten Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor 14 ein Verbrennungsmotor, wie zum Beispiel ein funkengezündeter oder kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor sein, der dafür eingerichtet ist, seine verfügbare Energieausgabe bei einer konstanten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (RPM) zur Verfügung zu stellen. Der Verbrennungsmotor 14 ist vorzugsweise ein Vier-Takt-Motor, bei dem es einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Ausstoßhub gibt. Der in 1 gezeigte Verbrennungsmotor 14 ist eine Vierzylinderreihenanordnung. Fachleute werden erkennen, dass andere Verbrennungsmotoren mit mehreren Zylindern, wie zum Beispiel sechs, acht, zehn oder zwölf, und auch verschiedene Anordnungen, wie zum Beispiel Reihe, V-Typ oder horizontal gegenüberliegend, verwendet werden können, während man im Umfang dessen bleibt, was beansprucht ist. Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor 14 – nach dem Starten und während der Mehrzahl seiner Eingaben – bei einer konstanten Drehzahl von ungefähr 6000 RPM arbeiten, wie durch die Kurve 22 von 3 dargestellt ist. Obwohl es sich versteht, dass die Drehzahl und der Pferdestärkenausgabe des Verbrennungsmotors 14 für die Erfindung nicht kritisch ist, wird zum Zwecke des Erzielens eines absolut klaren Verständnisses des Getriebes 11 für die Beschreibung eines beispielhaften Aufbaus ein verfügbarer Abtrieb des Verbrennungsmotors 14 von ungefähr 305 Pferdestärken angenommen. Ungeachtet der Mittel, durch die der Verbrennungsmotor 14 mit dem Antriebselement 12 des Getriebes 11 verbunden ist, ist das Antriebselement 12 mit einem Planetenradsatz 24 in dem Getriebe 11 verbunden.
  • Das Getriebe 11 verwendet drei Planetenradsätze 24, 26 und 28. Der erste Planetenradsatz 24 weist ein äußeres Zahnradelement 30 auf, welches allgemein als das Hohlrad bezeichnet werden kann, und welches ein inneres Zahnradelement 32 umgibt, welches allgemein als das Sonnenrad bezeichnet wird. Mehrere Planetenradelemente 34 sind an einem Träger 36 drehbar befestigt, so dass jedes Planetenradelement 34 in das äußere Zahnradelement 30 und das innere Zahnradelement 32 kämmend eingreift.
  • Der zweite Planetenradsatz 26 weist ebenfalls ein äußeres Zahnradelement 38 auf, welches allgemein als das Hohlrad bezeichnet wird und welches ein inneres Zahnradelement 40 umgibt, das allgemein als das Sonnenrad bezeichnet wird. Mehrere Planetenradelemente 42 sind an einem Träger 44 drehbar befestigt, so dass jedes Planetenrad 42 in das äußere Zahnradelement 38 und das innere Zahnradelement 40 kämmend eingreift.
  • Der dritte Planetenradsatz 28 weist ebenfalls ein äußeres Zahnradelement 46 auf, welches allgemein als das Hohlrad bezeichnet wird und welches ein inneres Zahnradelement 48 umgibt, das allgemein das Sonnenrad bezeichnet wird. Mehrere Planetenradelemente 50 sind an einem Träger 52 drehbar befestigt, so dass jedes Planetenrad 50 in das äußere Zahnradelement 46 und das innere Zahnradelement 48 kämmend eingreift.
  • Bei dieser Ausführungsform beträgt das Hohlrad/Sonnenrad-Zahnverhältnis des Planetenradsatzes 24 65/33; das Hohlrad/Sonnenrad-Zahnverhältnis des Planetenradsatzes 26 beträgt 65/33; und das Hohlrad/Sonnenrad-Zahnverhältnis des Planetenradsatzes 28 beträgt 94/34.
  • Während alle drei Planetenradsätze 24, 26 und 28”einfache” eigenständige Planetenradsätze sind, sind die ersten und zweiten Planetenradsätze 24 und 26 dadurch verbunden, dass das innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenradsatzes 24 beispielsweise durch ein Nabenplattenzahnrad 54 mit dem äußeren Zahnradelement 38 des zweiten Planetenradsatzes 26 verbunden ist. Das verbundene innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenradsatzes 24 und das äußere Zahnradelement 38 des zweiten Planetenradsatzes 26 sind dauerhaft mit einem ersten Motor/Generator 56 verbunden.
  • Die Planetenradsätze 24 und 26 sind ferner dadurch verbunden, dass der Träger 36 des Planetenradsatzes 24 beispielsweise durch eine Welle 60 mit dem Träger 44 des zweiten Planetenradsatzes 26 verbunden ist. Dadurch sind die Träger 36 und 44 des ersten und zweiten Planetenradsatzes 24 bzw. 26 miteinander verbunden. Die Welle 60 ist auch selektiv mit dem Träger 52 des dritten Planetenradsatzes 28 verbunden, beispielsweise durch einen Drehmomentübertragungsmechanismus 62, der, wie nachfolgend genauer erklärt wird, zur Unterstützung der Auswahl der Betriebsarten des Getriebes 11 verwendet wird.
  • Der Träger 52 des dritten Planetenradsatzes 28 ist direkt mit dem Abtriebselement 64 des Getriebes verbunden. Wenn das Getriebe 11 in einem Landfahrzeug verwendet wird, kann das Abtriebselement 64 mit den (nicht dargestellten) Fahrzeugachsen verbunden sein, die wiederum in den (ebenfalls nicht dargestellten) Antriebselementen enden können. Die Antriebselemente können entweder Vorder- oder Hinterräder des Fahrzeugs sein, bei dem sie verwendet werden, oder sie können die Antriebsräder eines Schienenfahrzeugs sein.
  • Das innere Zahnradelement 40 des zweiten Planetenradsatzes 26 ist mit dem inneren Zahnradelement 48 des dritten Planetenradsatzes 28 verbunden, beispielsweise durch eine Hohlwelle 66, die die Welle 60 umgibt. Das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenradsatzes 28 ist durch einen Drehmomentübertragungsmechanismus 70 selektiv mit Masse verbunden, die durch das Getriebegehäuse 68 dargestellt wird. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 70 wird, wie ebenfalls nachfolgend erklärt wird, ebenfalls zur Unterstützung der Auswahl der Betriebsarten des Getriebes 11 verwendet. Die Hohlwelle 66 ist auch mit einem zweiten Motor/Generator 72 dauerhaft verbunden. Alle Planetenradsätze 24, 26 und 28 sind ebenso wie die zwei Motor/Generatoren 56 und 72 um die axial angeordnete Welle 60 koaxial ausgerichtet. Es sollte beachtet werden, dass beide Motor/Generatoren 56 und 72 einen ringförmigen Aufbau aufweisen, der es ihnen ermöglicht, die drei Planetenradsätze 24, 26 und 28 zu umgeben, so dass die Planetenradsätze 24, 26 und 28 radial innerhalb der Motor/Generatoren 56 und 72 angeordnet sind. Dieser Aufbau stellt sicher, dass die Gesamtumhüllung – d. h.: die Umfangsdimension – des Getriebes 11 minimiert ist.
  • Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 73 verbindet das Sonnenrad 40 selektiv mit Masse (d. h.: mit dem Getriebegehäuse 68). Ein Drehmomentübertragungsmechanismus 75 wirkt durch selektives Verbinden des Sonnenrads 40 mit dem Träger 44 als Überbrückungskupplung, wodurch die Planetenradsätze 24, 26, die Motoren 56, 72 und der Antrieb so verriegelt werden, dass sie sich als eine Gruppe drehen. Die Drehmomentübertragungsmechanismen 62, 70, 73 und 75 sind alle Reibkupplungen.
  • Wie voranstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung des Verbrennungsmotors 14 erläutert wurde, muss auf ähnliche Weise verstanden werden, dass die Drehzahl und die Pferdestärkenausgabe der ersten und zweiten Motor/Generatoren 56 und 72 ebenfalls nicht kritisch für die Erfindung sind, aber zum Zwecke des Erzielens eines absolut klaren Verständnisses des Getriebes 11 weisen die Motor/Generatoren 56 und 72 eine dauerhafte Rate von 30 Pferdestärken und eine maximale Drehzahl von ungefähr 10200 RPM auf. Die dauerhafte Energierate beträgt ungefähr 1/10 derjenigen des Verbrennungsmotors 14 und die maximale Drehzahl beträgt ungefähr das 1,5-fache derjenigen des Verbrennungsmotors 14, obwohl diese vom Typ des Verbrennungsmotors, dem letztendlichen Zahnradschema und dem Arbeitszyklus abhängen.
  • Wie aus der vorangegangenen Beschreibung und besonders mit Bezug auf 1 ersichtlich sein sollte, empfängt das Getriebe 11 selektiv Energie von dem Verbrennungsmotor 14. Nun wird erläutert, dass das Hybridgetriebe auch Energie von einer elektrischen Speichereinrichtung 74 empfängt. Die elektrische Speichereinrichtung 74 kann aus einer oder mehreren Batterien bestehen. Anstelle der Batterien können andere elektrische Speichereinrichtungen verwendet werden, welche die Fähigkeit aufweisen, elektrische Energie zu speichern und elektrische Energie abzugeben, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu verändern. Wie in Verbindung mit der Beschreibung des Verbrennungsmotors 14 und der Motor/Generatoren 56 und 72 erläutert, versteht es sich auf ähnliche Weise, dass die Pferdestärkenausgabe der elektrischen Speichereinrichtung 74 für die Erfindung ebenfalls nicht kritisch ist, aber zum Zweck des Erzielens eines absolut klaren Verständnisses des Getriebes 11 wird für die Beschreibung einer beispielhaften Einrichtung angenommen, dass die elektrische Speichereinrichtung 74 eine Kapazität aufweist, um 75 Pferdestärken zur Verfügung zu stellen. Die Dimensionierung des Batteriepakets hängt ab von Wiederaufladungsanforderungen, regionalen Themen, wie zum Beispiel Steigung und Temperatur, und Vortriebsanforderungen, wie zum Beispiel Emissionen, Hilfskraftunterstützung und elektrischer Reichweite.
  • Die elektrische Speichereinrichtung 74 steht mit einer elektrischen Steuerungseinheit (ECU von electrical control unit) 76 durch Übertragungsleiter 78A und 78B in Verbindung. Die ECU 76 steht mit dem ersten Motor/Generator 56 durch Übertragungsleiter 78C und 78D in Verbindung, und die ECU 76 steht auf ähnliche Weise mit dem zweiten Motor/Generator 72 durch Übertragungsleiter 78E und 78F in Verbindung.
  • Wie aus dem vorherigen Absatz ersichtlich ist, kann ein bestimmtes Strukturelement, eine Komponente oder eine Anordnung an mehr als einer Stelle verwendet werden. Bei einem allgemeinen Bezug auf diesen Typ von Strukturelement, Komponente oder Anordnung wird eine allgemeine numerische Bezeichnung verwendet. Wenn jedoch eines der so bezeichneten Strukturelemente, Komponenten oder Anordnungen individuell bezeichnet werden muss, wird es mit Hilfe eines Buchstabenanhangs bezeichnet, der in Verbindung mit der numerischen Bezeichnung verwendet wird, die für die allgemeine Bezeichnung dieses Strukturelements, Komponente oder Anordnung verwendet wird. Daher gibt es mindestens sechs Übertragungsleiter, die allgemein mit dem Bezugszeichen 78 bezeichnet werden, aber die speziellen, einzelnen Übertragungsleiter werden in der Beschreibung und in den Figuren daher als 78A, 78B, 78C, 78D, 78E und 78F bezeichnet. Diese gleiche Anhangvereinbarung wird in der gesamten Beschreibung verwendet.
  • An dem Antriebselement 12 kann ein Antriebszahnrad 80 vorhanden sein. Wie dargestellt verbindet das Antriebszahnrad 80 das Antriebselement 12 starr mit dem äußeren Zahnradelement 30 des erstes Planetenradsatzes 24, und das Antriebszahnrad 80 empfangt daher Energie von dem Verbrennungsmotor 14 und/oder den Motor/Generatoren 56 und/oder 72. Das Antriebszahnrad 80 greift kämmend in ein Zwischenzahnrad 82 ein, welches wiederum kämmend in ein Übertragungszahnrad 84 eingreift, das an einem Ende einer Welle 86 gesichert ist. Das andere Ende der Welle 86 kann an einer Getriebefluidpumpe und/oder einer PTO-Einheit gesichert sein, die entweder individuell oder kollektiv mit 88 bezeichnet werden.
  • Im Betrieb verfügt der Bediener des Fahrzeugs über drei wohlbekannte primäre Einrichtungen zur Steuerung des Getriebes 11. Eine der primären Steuerungseinrichtungen ist ein wohlbekanntes (nicht dargestelltes) Fahrbereichswahlmittel, das die ECU 76 anweist, das Getriebe in den Park-, Rückwärts-, Neutral- oder Vorwärtsfahrbereich zu konfigurieren. Die zweiten und dritten primären Steuerungseinrichtungen bilden ein (nicht dargestelltes) Gaspedal und ein (ebenfalls nicht dargestelltes) Bremspedal. Die Information, die die ECU 76 von diesen drei primären Steuerungsquellen erhält, wird im Folgenden als die ”Bedieneranforderung” bezeichnet. Die ECU 76 erhält auch Informationen von den ersten und zweiten Motor/Generatoren 56 bzw. 72, dem Verbrennungsmotor 14 und der elektrischen Speichereinrichtung 74. In Ansprechen auf eine Aktion des Bedieners stellt die ECU 76 fest, was gefordert ist, und betätigt anschließend die selektiv betriebenen Komponenten des Hybridgetriebes 11 in geeigneter Weise, um auf die Bedieneranforderung zu antworten.
  • Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform stellt die ECU 76 beispielsweise fest, ob das Fahrzeug beschleunigen oder verzögern soll, wenn der Bediener einen Vorwärtsfahrbereich gewählt hat und entweder das Gaspedal oder das Bremspedal betätigt. Die ECU 76 überwacht auch den Zustand der Energiequellen und bestimmt den Abtrieb des Getriebes, der benötigt wird, um die gewünschte Beschleunigungs- oder Verzögerungsrate zu bewirken. Unter der Kontrolle der ECU 76 ist das Getriebe in der Lage, einen Bereich von Abtriebsdrehzahlen von langsam bis schnell bereitzustellen, um die Bedieneranforderung zu befriedigen.
  • Zur Bereitstellung einer vollständigen Erklärung der Arbeitsweise eines Getriebes, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung verkörpert, wird mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform eine Beschreibung der Betriebsarten bereitgestellt, welche verwendet werden, um die Abtriebsleistung und -drehzahlen zu erreichen, die notwendig sind, um die Bedieneranforderung bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Die folgende Beschreibung beschreibt daher die Betriebszustände mit voller Leistung des speziellen, mit Bezugszeichen 11 bezeichneten Getriebes.
  • Das Getriebe 11 ist, um es zu wiederholen, ein zwei Betriebsarten umfassendes elektro-mechanisches Fahrzeuggetriebe mit Verbundverzweigung. Mit anderen Worten empfangt das Abtriebselement 64 Energie durch zwei unterschiedliche Zahnradstrange innerhalb des Getriebes 11. Eine erste Betriebsart oder ein erster Zahnradstrang wird gewählt, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 70 betätigt wird, um das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenradsatzes 28 zu ”erden”. Eine zweite Betriebsart oder ein zweiter Zahnradstrang wird gewählt, wenn der Drehmomentübertragungsmechanismus 70 gelöst wird und gleichzeitig der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 betätigt wird, um die Welle 60 mit dem Träger 52 des dritten Planetenradsatzes 28 zu verbinden.
  • Fachleute werden erkennen, dass die ECU 76 dazu dient, in jeder Betriebsart einen Bereich von Abtriebsdrehzahlen von relativ langsam bis relativ schnell bereitzustellen. Diese Verbindung von zwei Betriebsarten mit einem langsamen bis schnellen Abtriebsdrehzahlbereich in jeder Betriebsart ermöglicht es dem Getriebe 11, ein Fahrzeug von einem stationären Zustand bis zu Autobahngeschwindigkeiten anzutreiben, während es die anderen Aufgaben der Erfindung erfüllt. Zusätzlich koordiniert die ECU 76 den Betrieb des Getriebes 11, um synchronisierte Schaltvorgänge zwischen den Betriebsarten zu ermöglichen. Wie angemerkt wird die Arbeitsweise der bevorzugten Ausführungsform bezüglich des Betriebs mit voller Leistung beschrieben, insofern als dieser Ansatz die allgemeinen Betriebskonzepte vollständig beschreibt.
  • In der folgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass sich die erste und zweite ”Betriebsart” auf Umstände beziehen, in denen die Getriebefunktionen durch eine Kupplung, die Kupplung 62 oder 70, und durch die gesteuerte Drehzahl und das gesteuerte Drehmoment der Motor/Generatoren 56 und 72 gesteuert werden, wie es alles im US Patent Nr. US 5 009 301 A beschrieben ist, welches am 23. April 1991 an General Motors Corporation erteilt wurde. Auch werden gewisse ”Betriebsbereiche” weiter unten beschrieben, bei denen feste Übersetzungen durch Anwenden einer zusätzlichen Kupplung erreicht werden. Diese zusätzliche Kupplung kann die Kupplung 62, 73 oder 75 sein.
  • Wenn die zusätzliche Kupplung verwendet wird, wird ein festes Antriebs- zu Abtriebsdrehzahlverhältnis erreicht, wie in der Wahrheitstabelle von 2 dargestellt (d. h., wenn zwei Kupplungsmechanismen angewendet werden). Die Umdrehungen der Motor/Generatoren 56, 72 werden dann von der internen Drehung des durch das Kuppeln definierten Mechanismus abhängen und proportional zu der Antriebsdrehzahl sein. Die Motor/Generatoren können jedoch noch als Motoren oder Generatoren funktionieren und sind jedoch vollkommen unabhängig von dem Energiefluss vom Verbrennungsmotor an den Abtrieb, wodurch beide als Motoren, als Generatoren oder als eine beliebige Kombination daraus wirken können. Dies ermöglicht beispielsweise während einer Beschleunigung bei der ersten festen Übersetzung (BEREICH 1 in 3), dass sich die Verbrennungsmotorenergie und beide Einheiten, die als Motoren wirken, welche Energie von der Energiespeichereinrichtung 74 empfangen, beim Vorantreiben des Fahrzeugs durch den Planetenradsatz 28 an das Abtriebselement 64 ergänzen.
  • Es sollte auch beachtet werden, dass die Funktion des Getriebes 11 jederzeit durch Ein- oder Ausschalten der zusätzlichen Kupplung während einer Betriebsart von einem Betrieb mit fester Übersetzung in eine Betriebsartensteuerung umgeschaltet werden kann. Die Festlegung eines Betriebs mit fester Übersetzung oder einer Betriebsartensteuerung erfolgt durch Algorithmen in der ECU 76, die das Getriebe 11 steuert.
  • Es sollte auch beachtet werden, dass die Betriebsarten die Übersetzungsverhältnisse überlappen können und die Auswahl wieder von der Eingabe des Fahrers und der Reaktion des Fahrzeugs auf diese Eingabe abhängt. Wie in 3 gezeigt, fällt BEREICH 1 in die Betriebsart I, wenn C1 und C4 (die Kupplungen 70 und 75) eingerückt sind, und BEREICH 2 fällt in die Betriebsart I, wenn C2 und C1 (die Kupplungen 62 und 70) eingerückt sind. Wie in 2 gezeigt, ist ein dritter Bereich mit fester Übersetzung in der Betriebsart II verfügbar, wenn C2 und C4 (die Kupplungen 62 und 75) eingerückt sind, und ein vierter Bereich mit fester Übersetzung ist in der Betriebsart II verfügbar, wenn C2 und C3 (die Kupplungen 62 und 73) eingerückt sind.
  • In der ersten Betriebsart und wenn die ECU 76 festgestellt hat, dass sich der Bediener aus einem stationären Zustand vorwärts bewegen und beschleunigen möchte, wird der Drehmomentübertragungsmechanismus 20 eingerückt, um den Verbrennungsmotor 14 wirksam mit dem Getriebe 11 zu verbinden, und der Drehmomentübertragungsmechanismus 20 bleibt eingerückt, während sich das Fahrzeug durch einen Geschwindigkeitsbereich vorwärts bewegt, der anschließend genauer beschrieben wird. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 wird nicht angewendet und bleibt ausgerückt. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 70 ist eingerückt. In diesem Zustand übt der Verbrennungsmotor 14 eine Antriebskraft auf das äußere Zahnradelement 30 des ersten Planetenradsatzes 24 aus, so dass sich das äußere Element 30 im Einklang mit dem Antriebselement 12 (und dadurch mit dem Verbrennungsmotor 14) dreht. Der erste Motor/Generator 56 dreht gleichzeitig das innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenradsatzes 24 und das äußere Zahnradelement 38 des zweiten Planetenradsatzes 26 in die gleiche Richtung, wodurch der Träger 36 in die gleiche Richtung getrieben wird – was eine Drehung des inneren Zahnradelements 40 des zweiten Planetenradsatzes 26 bewirkt.
  • Der zweite Motor/Generator 72 arbeitet während der ersten Betriebsart als Motor, und als solcher treibt der Motor/Generator 72 die Hohlwelle 66 in die Richtung, welche das innere Zahnradelement 48 des dritten Planetenradsatzes 28 dreht, um die Planetenräder 50 des dritten Planetenradsatzes 28 gegen das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenradsatzes 28 zu drehen. Dadurch, dass es geerdet wurde, ist das äußere Zahnradelement 46 starr, so dass der Träger 52 das Abtriebselement 64 in die Richtung antreibt, die erforderlich ist, um eine Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs zu bewirken.
  • Diese durch die Drehung des zweiten Motor/Generators 72, welcher als Motor arbeitet, bewirkte Drehung der Hohlwelle 66 dreht auch das innere Zahnradelement 40 des zweiten Planetenradsatzes 26. Weil der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 ausgerückt bleibt, sind die Träger 36 und 44 der ersten und zweiten Planetenradsätze 24 bzw. 26 frei drehbar – aber nur im Einklang, insofern als die zwei Träger 36 und 44 verbunden sind. Im Ergebnis zwingen die Drehung des äußeren Zahnradelements 30 des ersten Planetenradsatzes 24, welche durch den Verbrennungsmotor 14 bewirkt wird, und die Drehung des inneren Zahnradelements 40, welche durch den zweiten Motor/Generator 72 bewirkt wird, das innere Zahnradelement 32 des ersten Planetenradsatzes 24 und das verbundene äußere Zahnradelement 38 des zweiten Planetenradsatzes 26, den ersten Motor/Generator 56 in die Richtung und mit der Geschwindigkeit anzutreiben, welche den ersten Motor/Generator 56 dazu veranlassen, zumindest anfänglich als Generator zu dienen.
  • Mit Bezug auf 3 ist eine Kurve 22 die Aufzeichnung der Verbrennungsmotordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM) über der Geschwindigkeit in Meilen pro Stunde (MPH) des Fahrzeugs, in dem der Verbrennungsmotor 14 und das Getriebe 11 eingebaut sind. Der Einfachheit halber soll angemerkt werden, dass die Kurve 22 nicht durch sichtbare Zeichenpunkte unterbrochen ist. Eine Kurve 90 ist die Aufzeichnung der Drehzahl (RPM) des ersten Motor/Generators 56 (Einheit A), ebenfalls in Bezug auf die Geschwindigkeit (MPH) des Fahrzeugs. Diese Kurve kann leicht anhand der Tatsache unterschieden werden, dass die Zeichenpunkte als kleine Quadrate erscheinen. Eine Kurve 92 ist die Aufzeichnung der Drehzahl (RPM) des zweiten Motor/Generators 72 (Einheit B) in Bezug auf die Geschwindigkeit (MPH) des Fahrzeugs. Diese Kurve kann leicht anhand der Tatsache unterschieden werden, dass die Zeichenpunkte als kleine Pluszeichen (+) erscheinen.
  • Unter Vernachlässigung des Betriebs bei festen Übersetzungen in diesem Teil der Beschreibung erstreckt sich die erste Betriebsart des Getriebes 11 von der Abszisse, die die Drehzahl des Verbrennungsmotors (RPM) angibt, bis zur Linie 94, die parallel zu der Abszisse eingezeichnet ist und die den Übergang des Betriebs des Getriebes 11 von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart definiert. In der beschriebenen repräsentativen Ausführungsform erstreckt sich die erste Betriebsart von dem Fahrzeug im Ruhezustand bis zu einer Vorwärtsgeschwindigkeit in der Größenordnung von etwa 70 MPH. Bei Geschwindigkeiten größer als etwa 70 MPH arbeitet das Getriebe in der zweiten Betriebsart. Fachleute werden erkennen, dass diese Geschwindigkeit durch die Wahl anderer Übersetzungsverhältnisse während des Entwurfs von Getriebe 11 verändert werden kann.
  • Wie zuvor angemerkt arbeitet der zweite Motor/Generator während der gesamten ersten Betriebsart als ein Motor – d. h.: von Null bis etwa 70 MPH.
  • Einzigartig bei dieser Erfindung ist, dass die festen Übersetzungen so gewählt werden können, dass sie mit dem Betrieb der Betriebsarten überlappen, um die Beschleunigung durch eine Erhöhung der Energie, die den Abtrieb 64 erreicht, weiter zu verbessern.
  • Bei dieser Erfindung werden sowohl die Übersetzungen als auch die Betriebsarten verwendet, um die Leistung oder die Effizienz zu verbessern. Der Betrieb bis zur Linie 94 in 3 (annähernd 70 MPH) ereignet sich wie folgt: beim Starten in der Betriebsart I arbeitet der erste Motor/Generator 56 jedoch als ein Generator bis annähernd 70 MPH – dargestellt durch den Zeichenpunkt 96 auf der Kurve 90. Bei etwa 7 MPH wird die Überbrückungskupplung 75 eingerückt, während die Kupplung 70 eingerückt bleibt. Bei dieser Konfiguration arbeitet das Getriebe 11 in der ersten festen Übersetzung, wie sie durch den Planetenradsatz 28 definiert und in der Tabelle der festen Übersetzungen von 2 dargestellt ist. Wenn die Kupplung 75 eingerückt ist, drehen sich die ersten zwei Radsätze 24, 26 und die Motor/Generatoren 56, 72 mit der Antriebsdrehzahl und sie sind mit dem Sonnenrad 48 verbunden, und bei ebenfalls eingerückter Kupplung 70 wird durch den Planetenradsatz 28 eine Drehzahlverminderung geschaffen und das Drehmoment vervielfacht. Die gesamte Energie wird durch die Planetenradsätze mechanisch übertragen. Da in den Motor/Generatoren 56, 72 kein Drehmoment vorliegt, gibt es keine elektrischen Verluste, wodurch ein Betrieb mit höherer Effizienz geschaffen wird, jedoch kann bei Anwendung des vollen Drehmoments in den Motor/Generatoren 56, 72 eine deutliche Leistungssteigerung realisiert werden. Wenn beide Motoren durch die Einrichtung 75 zusammengeschlossen werden, können sie auch jegliche regenerative Energie gleichermaßen teilen, was zu einer höheren Bremsleistung mit verbesserter Kühlung führt. Nur der Planetenradsatz 28 ist aktiv, weil die Drehmomentübertragungseinrichtung (Überbrückungskupplung) 75 die Planetenradsätze 24 und 26 überbrückt. Ein Einrücken der Drehmomentübertragungseinrichtung schützt auch die Motor/Generatoren 56, 72, wenn der für die Energieverzweigungsoperation nötige Energiefluss höher ist als die Motor/Generatoren zulassen würden. Wenn das Fahrzeug daher einen Berg hinauf zieht oder schleppt, dann sind die Motoren/Generatoren geschützt.
  • Im Normalbetrieb würde bei niedrigen Geschwindigkeiten nur die Kupplung 70 eingerückt sein, aber wenn maximale Leistung gefordert ist, dann wird auch die Überbrückungskupplung 75 eingerückt. Mit der Kupplung 75 können die Motoren 56, 72 eingeschaltet werden, um eine maximal verfügbare Pferdestärke zu erreichen, und die Leistung der Motor/Generatoren 56, 72 kann vermindert werden, um die Betriebstemperaturen zu vermindern. Diese Kupplung schafft für den Verbrennungsmotor 14 und die beiden Motor/Generatoren 56, 72 auch die Möglichkeit, dass alle drei gleichzeitig das Fahrzeug für eine maximale Beschleunigung vorantreiben.
  • Zurückkehrend zu 3 ist die Überbrückungskupplung 75 bei Zeichenpunkt 97 ausgerückt. Danach wirkt der Motor/Generator 72 als Motor, und der Motor/Generator 56 wirkt als Generator bis zu dem mechanischen Punkt 98, bei dem der Motor/Generator 56 stationär ist. Dann dreht der Motor/Generator 56 die Richtung um und wirkt als Motor.
  • Die Kupplung 62 wird dann bei ungefähr 57 MPH eingerückt, was der vertikalen Linie 93 von 3 entspricht. Bei eingerückten Kupplungen 62 und 70, ist eine zweite feste Übersetzung erreicht. Alle drei Zahnradsätze 24, 26, 28 sind aktiv, und die Übersetzung beträgt 1,7:1, wie in der Tabelle der festen Übersetzungen von 2 angegeben. Für einen vollständig mechanischen Betrieb können die Motor/Generatoren 56, 72 während des Eingriffs der Kupplungen 62 und 70 abgeschaltet werden. Während der zweiten festen Übersetzung können die Motoren 56, 72 frei laufen, und es ist kein Drehmoment vorhanden. Die erste Betriebsart endet bei Linie 94 von 3, wenn die Kupplung 70 abgeschaltet wird und die Kupplung 62 für die hocheffiziente zweite Betriebsart eingerückt bleibt.
  • In der obigen Beschreibung ist die wie im US Patent US 5 009 031 A beschriebene Getriebebetriebsart I ergänzt um die Fähigkeit, in Betriebsart I anzufahren, in die feste Übersetzung 1 umzuschalten, in die Betriebsart I zurückzukehren und dann in die feste Übersetzung 2 zu schalten. Der aktuelle Betrieb in dem Fahrzeug wird durch Eingaben an die ECU 76 festgelegt. Das Getriebe kann bis zur Linie 94 von 3, wie zur Verbesserung der Effizienz, der Leistungsfähigkeit oder der Bremsleistung erforderlich, nur in der Betriebsart I oder in einer beliebigen Kombination betrieben werden.
  • Sollte jemand die hier beschriebenen Ergebnisse zu kopieren wünschen, weisen die äußeren Zahnradelemente 30 und 38 der ersten und zweiten Planetenradsätze 24 und 26 65 Zähne auf, und die inneren Zahnradelemente 32 und 40 der ersten und zweiten Planetenradsätze 24 und 26 weisen 33 Zähne auf. Das äußere Zahnradelement 46 des dritten Planetenradsatzes 28 weist 94 Zähne auf, und das innere Zahnradelement 48 des dritten Planetenradsatzes 28 weist 34 Zähne auf. Mit der zuvor beschriebenen Konfiguration des Getriebes 10 und mit der zuvor angegebenen Anzahl von Zähnen der inneren und äußeren Zahnradelemente stellt das Getriebe bei einem Betrieb in der ersten Betriebsart einen mechanischen Punkt (98) bereit. Das bedeutet, dass der erste Motor/Generator 56 bei ungefähr 50 MPH eine Drehzahl von Null aufweist, wie durch den Zeichnungspunkt 98 auf der Kurve 90 dargestellt ist. Um die Beschreibung des Betriebs der Motor/Generatoren in der beschriebenen beispielhaften Umgebung zu vervollständigen, muss man die Arbeitsweise des Getriebes in der zweiten Betriebsart betrachten.
  • Der Übergang von der ersten in die zweite Betriebsart wird durch Ausrücken des Drehmomentübertragungsmechanismus 70 und Beibehalten der Anwendung des Drehmomentübertragungsmechanismus 62 erreicht. Ähnlich dem Überlappen der zuvor beschriebenen Betriebsart I mit festen Übersetzungen, überlappt Betriebsart II mit festen Übersetzungen in der Wahrheitstabelle von 2, wie durch interne und Verbrennungsmotordrehzahlbegrenzungen bestimmt ist. Zu Beginn der zweiten Betriebsart geht der erste Motor/Generator 56 vom Betrieb als Motor über in einen Betrieb als Generator, jedoch wird dies durch die Wahlen der Planetenradübersetzung beeinflusst. Insofern als der Übergang vom Betrieb des Getriebes 11 in der ersten Betriebsart in den Betrieb in der zweiten Betriebsart bei Linie 94 erfolgt, erfolgt der Übergang des ersten Motor/Generators 56 von Motor zu Generator am Punkt 100 der Kurve 90, welcher auch den Schnittpunkt der Kurve 92 mit der Linie 94 beschreibt. Während des Betriebs des Getriebes 11 in der zweiten Betriebsart fährt der erste Motor/Generator 56 fort, als Generator zu arbeiten, während die Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 70 MPH bis etwa 88 MPH zunimmt. Bei etwa 88 MPH geht der erste Motor/Generator 56 von einem Betrieb als Generator bei einem Durchgang durch den mechanischen Punkt 106, bei dem der Motor/Generator 56 eine Drehzahl von Null aufweist, zurück in einen Betrieb als Motor. Anschließend fährt der erst Motor/Generator 56 fort, als Motor zu arbeiten.
  • Beim Beginn der zweiten Betriebsart fährt der zweite Motor/Generator 72 fort, als Motor zu arbeiten. Tatsächlich arbeitet der zweite Motor/Generator 72 als Motor, bis das Fahrzeug eine Geschwindigkeit von etwa 88 MPH erreicht, an welchem Punkt er in den Betrieb als Generator übergeht und anschließend fortfährt als Generator zu arbeiten.
  • Mit der voranstehend beschriebenen Konfiguration des Getriebes 11 und mit der zuvor angegebenen Anzahl von Zähnen der inneren und äußeren Zahnradelemente schafft das Getriebe 11 zwei mechanische Punkte beim Betrieb in der zweiten Betriebsart. Das heißt, der erste Motor/Generator 56 weist bei etwa 88 MPH eine Drehzahl von Null auf, wie durch den Punkt 106 auf der Kurve 90 gezeigt ist. Zusätzlich weist der zweite Motor/Generator 72 bei etwa 208 MPH eine Drehzahl von Null auf, wie durch Punkt den 108 auf der Kurve 92 dargestellt ist. Daher schafft das Getriebe 11 in der zweiten Betriebsart zwei mechanische Punkte.
  • Wie in der Tabelle der festen Übersetzungen von 2 dargestellt ist, sind während der zweiten Betriebsart eine dritte und eine vierte feste Übersetzung verfügbar. Die dritte feste Übersetzung kann durch das gleichzeitige Einrücken der Kupplungen 62 und 75 begründet werden, welches alle Zahnradsätze in eine 1:1 Übersetzung verriegelt, so dass der Abtrieb 64 mit derselben Drehzahl dreht wie die Antriebswelle 12.
  • Die vierte feste Übersetzung wird mit dem Einrücken der Kupplungen 62 und 73 begründet, um eine feste Übersteuerungsübersetzung von 0,74:1 zu schaffen, wie in der Tabelle der festen Übersetzungen von 2 dargestellt ist. Bei der vierten festen Übersetzung sind die ersten und zweiten Planetenradsätze 24 und 26 aktiv und die Motoren/Generatoren 56, 72 können ohne vorhandenes Drehmoment frei laufen.
  • Dementsprechend schafft das erfindungsgemäße Getriebe 11 drei mechanische Punkte und vier verfügbare feste Übersetzungen, wodurch elektrische Verluste in den Motor/Generatoren minimiert werden, während in der ersten Betriebsart durch die Überbrückungskupplung 75 schnell eine maximale Leistung zur Verfügung gestellt wird.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die genaue Lage der zuvor erwähnten mechanischen Punkte nicht nur durch die Anzahl der Zähne der inneren und äußeren Zahnradelemente der Planetenradsätze bestimmt wird, sondern auch durch die Drehzahl der Antriebswelle 12. Daher wird bei der offenbarten Anzahl der Zähne für die inneren und äußeren Zahnradelemente in der beispielhaften Ausführungsform eine Erhöhung der Drehzahl an der Antriebswelle 12 die Lage der mechanischen Punkte zu höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten hin verschieben, und umgekehrt wird eine Verminderung der Drehzahl des Antriebselements 12 die mechanischen Punkte zu niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten hin verschieben.
  • Die C4 Kupplung 75, die schematisch zwischen dem Planetenträger 44 und dem Sonnenrad 40 gezeigt ist, kann auch zum Verbinden des Hohlrads 38 und des Sonnenrads 40 angeordnet sein und wird die gleiche Verriegelungsfunktion zur Verfügung stellen. Die C3 Bremse 73 jedoch muss wie gezeigt bleiben, um die Drehung der Hohlwelle 66 zu bremsen.
  • Die Rückwärtsbetriebsart wird dadurch bewirkt, dass die ECU 76 den zweiten Motor/Generator 72 als Motor arbeiten lässt, aber seine Drehrichtung zu der Richtung, in welche der zweite Motor/Generator 72 dreht, umkehrt, wenn das Fahrzeug in der ersten Betriebsart beginnt, sich aus einer stationären Stellung nach vorne zu bewegen.
  • Das Getriebe 11 der vorliegenden Erfindung schafft eine Anpassung eines zwei Betriebsarten umfassenden elektro-mechanischen Verbundverzweigungsgetriebes, das bei Personenlastwagen besonders nützlich ist, bei denen die typische Last weniger als die Hälfte der Maximalkapazität ist. Das neuartige Getriebe verwendet eine Überbrückungskupplung und schafft vier verfügbare mechanische Punkte. Es ermöglicht, dass beim Schleppen und Ziehen die maximale Leistung schneller erreicht wird und ermöglicht die Verwendung kleinerer elektrischer Komponenten, die in Personenlastwagen kosteneffektiv eingesetzt werden können. Durch die Schaffung von festen Übersetzungen in einem elektrisch variablen Getriebe wird eine maximale Kraftstoffeinsparung bei vernünftigen Kosten erreicht.
  • Das Getriebe 11 schafft auch einen einzelnen mechanischen Punkt während des Betriebs in der ersten Betriebsart und zwei mechanische Punkte während des Betriebs in der zweiten Betriebsart. Wie durch die Kurve 109 von 3 dargestellt ist, schafft das Getriebe 11 eine kontinuierlich ansteigende Abtriebsdrehzahl über seinen gesamten Betriebsbereich. Das vorangehende Getriebe 11 verwendet drei Planetenradsätze, um den Betrieb in zwei Betriebsarten zu schaffen, wenn diese durch vier Drehmomentübertragungsmechanismen wirksam gesteuert werden. Darüber hinaus sind die drei Planetenradsätze 24, 26 und 28 sowie die beiden Motor/Generatoren 56 und 72 koaxial angeordnet, wobei die ringförmigen Motor/Generatoren 56 und 72 die drei Planetenradsätze 24, 26 und 28 umgeben, um die benötigte Umhüllung, d. h. die Umfangsabmessungen des Getriebes 11, zu minimieren.
  • Zurückkehrend zu 1 wird der Aufbau und der Betrieb des Verbrennungsmotors 14 genauer besprochen. Der Verbrennungsmotor 14 umfasst eine drehbare Kurbelwelle 112, mehrere Zylinder 114A–D, die in einem Motorblock 116 ausgebildet sind, und mehrere selektiv aktivierbare und deaktivierbare Tellerventile, nämlich Einlassventile 118A–D und Auslassventile 120A–D. Der Verbrennungsmotor umfasst auch mehrere Kolben 122A–D, von denen jeder innerhalb jeweils eines Zylinders der mehreren Zylinder 114A–D verschiebbar ist.
  • Jedes der Einlassventile 118A–D ist zwischen einer Offen-Position, in der ein Gas (z. B. Luft 124) während jedes Ansaughubs des entsprechenden Kolbens 122A–D in einen entsprechenden Zylinder 114A–D eingesaugt werden kann, und einer Geschlossen-Position beweglich, die verhindert, dass Gas in den entsprechenden Zylinder 114A–D eingesaugt wird. Jedes Auslassventil 120A–D ist zwischen einer Offen-Position, in der Abgas oder Produkte einer Verbrennung 126 von einem entsprechenden Zylinder 114A–D während jedes Ausstoßhubs des entsprechenden Kolbens 122A–D ausgestoßen werden kann, und einer Geschlossen-Position beweglich, die verhindert, dass Gas von dem entsprechenden Zylinder 114A–D ausgestoßen wird.
  • Jeder Zylinder 114A–D in dem Verbrennungsmotor 14 wird durch einen In-Betrieb-Zustand, in dem die entsprechenden Ventile 118A–D, 120A–D aktiviert sind, und einen Nicht-in-Betrieb-Zustand charakterisiert, bei dem die entsprechenden Ventile 118A–D, 120A–D deaktiviert sind.
  • Insbesondere ist jedes der Einlassventile 118A–D durch eine Feder in die Geschlossen-Position vorgespannt, und jedes der Einlassventile 118A–D umfasst einen jeweiligen Ventilbetätigungsmechanismus 128, wie zum Beispiel einen Kipphebel, der von einer Einlassnockenwelle 130 durch einen selektiv kollabierbaren Stößel betätigt wird. Wenn ein Einlassventil aktiviert ist, veranlasst der Ventilbetätigungsmechanismus 128 das Einlassventil 118A–D dazu, sich während jedes Ansaughubs seines entsprechenden Kolbens 122A–D zu öffnen, um Luft aus der Atmosphäre über einen Ansaugkrümmer 132 in den entsprechenden Zylinder 114A–D einzulassen. Wenn ein Einlassventil 118A–D aktiviert ist, öffnet und schließt es sich somit einmal alle zwei Umdrehungen (720 Grad) der Kurbelwelle 112. Wenn ein Einlassventil 118A–D deaktiviert ist, bleibt es unabhängig von der Drehung der Kurbelwelle geschlossen.
  • Auf ähnliche Weise ist jedes der Auslassventile 120A–D durch eine Feder in die Geschlossen-Position vorgespannt, und umfasst jedes der Auslassventile 120A–D einen jeweiligen Ventilbetätigungsmechanismus 128, wie zum Beispiel einen Kipphebel, der von einer Auslassnockenwelle 134 durch einen selektiv kollabierbaren Stößel betätigt wird. Wenn ein Auslassventil aktiviert ist, veranlasst der Ventilbetätigungsmechanismus 128 das Auslassventil 120A–D dazu, sich während jedes Ausstoßhubs seines entsprechenden Kolbens 122A–D zu öffnen, um Abgas 126 aus dem entsprechenden Zylinder 114A–D über einen Auslasskrümmer 135 in die Atmosphäre auszustoßen. Wenn ein Auslassventil 120A–D aktiviert ist, öffnet und schließt es sich somit einmal alle zwei Drehungen (720 Grad) der Kurbelwelle 112. Wenn ein Auslassventil 120A–D deaktiviert ist, bleibt es unabhängig von der Drehung der Kurbelwelle geschlossen.
  • Fachleute werden eine Vielzahl von Techniken und Ventiltriebkonfigurationen erkennen, die zum Erreichen einer selektiven Abschaltung der Ventile 118A–D, 120A–D angewendet werden können. Im US Patent Nr. US 6 557 518 B1 , das am 6. Mai 2003 an Albertson et al. erteilt wurde, US Patent Nr. US 6 584 942 B1 , das am 1. Juli 2003 an Albertson et al. erteilt wurde, US Patent Nr. US 6 584 951 B1 , das am 1. Juli 2003 an Patel et al. erteilt wurde, und US Patent Nr. US 6 637 387 B1 , das am 28. Oktober 2003 an Gecim et al. erteilt wurde und von denen jedes hiermit vollständig einbezogen ist, sind beispielhafte selektive Ventilabschaltungssysteme beschrieben.
  • Die Einlassnockenwelle 130 des Verbrennungsmotors 14 weist ein Profil auf, das ein spätes Schließen des Einlassventils oder LIVC (LIVC von late intake valve closure) ermöglicht. Ein LIVC-Betriebsverfahren ermöglicht es den Einlassventilen 118A–D der jeweiligen Zylinder 114A–D, für eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem unteren Totpunkt des Ansaughubs und einen Abschnitt des Verdichtungshubs des jeweiligen Kolbens 122A–D offen zu bleiben. Das jeweilige Einlassventil 118A–D bleibt für einen Abschnitt des Verdichtungshubs jedes der jeweiligen Zylinder 114A–D geöffnet, wodurch es ermöglicht, dass ein Teil der Ansaugluftbeladung bei niedrigen Verbrennungsmotordrehzahlen durch den Kolben 122A–D zurück in den Ansaugkrümmer 132 gedrückt wird. Da der Zylinder 114A–D nicht vollständig gefüllt ist, kann in dem Verbrennungsmotor 14 ein im Vergleich zu Verbrennungsmotoren, die eine herkömmliche Einlassventilzeitablaufstrategie anwenden, höheres statisches oder geometrisches Kompressionsverhältnis eingesetzt werden. Das unvollständige Füllen der Zylinder 114A–D bei niedriger Verbrennungsmotordrehzahl kann zu einem Abfallen des Drehmoments führen, welches durch das Getriebe 11 ausgeglichen werden kann, indem es ein ”Herunterdrehen” des Motor/Generators 56 ermöglicht, wenn der Verbrennungsmotor 14 aus einem Leerlaufbetriebszustand ”hochdreht”.
  • Bei höheren Verbrennungsmotordrehzahlen wird das LIVC die Spitzeneffizienz des Verbrennungsmotors 14 durch eine Erhöhung des dynamischen Kompressionsverhältnisses erhöhen. Das dynamische Kompressionsverhältnis ist das effektive Kompressionsverhältnis des Verbrennungsmotors 14 bei einer Drehzahl. Bei hohen Verbrennungsmotordrehzahlen tritt das Gas 124 mit hoher Geschwindigkeit in die Zylinder 114A–D ein und weist daher eine hohe Massenträgheit auf. Die hohe Massenträgheit des Gases 124 wird ein Füllen des Zylinders 114A–D ermöglichen, das in den Verdichtungshub des Verbrennungsmotors 14 hinein andauert. Idealerweise wird sich das Einlassventil 118A–D gerade vor der Richtungsumkehr des Gases 126 schließen. Das heißt an dem Punkt im Verdichtungshub, wenn das Gas 126 aufhört, in den Zylinder 114A–D zu strömen, und in den Ansaugkrümmer 132 umkehrt. Daher wird die Volumeneffizienz des Verbrennungsmotors 14 bei hohen Drehzahlen unter Verwendung einer LIVC-Betriebsstrategie erhöht.
  • Ein Kraftstoffeinspritzsystem 136 empfängt Kraftstoff, zum Beispiel Benzin, von einer Quelle 138 unter Druck stehenden Kraftstoffs. Das Kraftstoffeinspritzsystem 136 dient dazu, eine vorbestimmte Menge von Kraftstoff zu einem bestimmten Zeitpunkt in den Ansaugkrümmer 132 zur anschließenden Weiterleitung an einen der Zylinder 114A–D einzuspritzen. Fachleute werden erkennen, dass das Kraftstoffeinspritzsystem 136 so aufgebaut sein kann, dass es eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff direkt in die Zylinder 114A–D einspritzt, beispielsweise bei einem Dieselverbrennungsmotor mit Kompressionszündung oder einem Direkteinspritzverbrennungsmotor mit Funkenzündung.
  • Ein Zubehör 137, beispielsweise eine Servolenkungspumpe oder ein Klimaanlagenkompressor, ist mit der Kurbelwelle 112 über einen Keilriemen 139 drehbar verbunden, welcher an der dem Getriebe 11 gegenüberliegenden Seite des Motorblocks 116 angeordnet ist. Ein elektronisches Steuerungsmodul oder ECU 140 (ECU von electronic control unit) ist mit dem Verbrennungsmotor 14 wirksam verbunden, um zur individuellen Steuerung jedes der Ventile 118A–D, 120A–D jeden der Ventilbetätigungsmechanismen 128 zu steuern; d. h. das ECU 140 ist dafür eingerichtet, jedes der Ventile 118A–D, 120A–D selektiv ein- und auszuschalten. Das ECU 140 ist dafür eingerichtet, den Verbrennungsmotor 14 in einem ersten Betriebszustand zu betreiben, bei dem das ECU 140 alle Ventile 118A–D, 120A–D so steuert, dass jedes Einlassventil 118A–D aktiviert ist und sich während eines Ansaughubs des entsprechenden Kolbens 122A–D öffnet und dass jedes Auslassventil aktiviert ist und sich während eines Ausstoßhubs des entsprechenden Kolbens 122A–D während einer Drehung der Kurbelwelle öffnet. Zusätzlich weist das ECU 140 das Kraftstoffeinspritzsystem 136 an, jeden der Zylinder 114A–D mit Kraftstoff zu versorgen, um eine Verbrennung darin zu ermöglichen.
  • Das ECU 140 ist auch dafür eingerichtet, den Verbrennungsmotor 14 in einem zweiten Betriebszustand zu betreiben, bei dem alle Ventile 118A–D, 120A–D abgeschaltet sind, so dass jedes Einlassventil 118A–D und jedes Auslassventil 120A–D ohne Rücksicht auf eine Drehung der Kurbelwelle geschlossen bleibt, um alle Zylinder 114A–D am Ansaugen von Gas oder am Ausstoßen von Gas zu hindern. Dementsprechend kann sich die Kurbelwelle 112 in dem zweiten Betriebszustand ohne eine Pumpentätigkeit des Verbrennungsmotors 14 drehen; d. h. es wird keine Luft 124 in den Ansaugkrümmer 132 und die Zylinder 114A–D eingesaugt und es wird kein Abgas 126 aus den Zylindern 114A–D und dem Auslasskrümmer 135 in die Atmosphäre gepumpt. In dem zweiten Betriebszustand weist das ECU 140 das Kraftstoffeinspritzsystem 136 an, keinen Kraftstoff an die Zylinder 114A–D zu gestatten. Dieser zweite Betriebszustand ist besonders für Betriebsbedingungen geeignet, bei denen das Getriebe 11 in einem elektrischen Zustand arbeitet, d. h. die Motor/Generator-Einheiten 56 und 72 werden von der elektrischen Speichereinrichtung selektiv mit Energie versorgt und das Getriebe 11 empfängt wenig oder keine Drehmomenteingabe von dem Verbrennungsmotor 14.
  • Herkömmlicherweise würde der Verbrennungsmotor 14 während des rein elektrischen Betriebszustands des Getriebes weiterhin zünden oder in Betrieb bleiben, um Zubehör, beispielsweise das Zubehör 137 mit Antrieb zu versorgen. Durch Abschalten jedes Zylinders 114A–D des Verbrennungsmotors 14 dient das Getriebe 11 dazu, über die Kurbelwelle 112 das Zubehör 137 mit Antriebskraft zu versorgen. In diesem zweiten Betriebszustand sind die Pumpverluste klein, so dass das Getriebe 11 die Kurbelwelle 112 effizient antreiben kann. Zusätzlich kann der zweite Betriebszustand als ein Regulativ wirken, um sicherzustellen, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors 14 nicht über einen Maximalwert dreht. Sollte ein Starten des Verbrennungsmotors 14 gewünscht sein, während er in dem zweiten Zustand arbeitet, kann das ECU 140 die Wiederanschaltung der Zylinder 114A–D anweisen und das Kraftstoffeinspritzsystem 136 anweisen, die Zylinder 114A–D mit Kraftstoff zu versorgen, während sich die Kurbelwelle 112 dreht.
  • Das ECU 140 ist auch dafür eingerichtet, den Verbrennungsmotor 14 in einem dritten Betriebszustand zu betreiben, in dem die Ventile für mindestens eine Hälfte der Zylinder abgeschaltet sind und die Ventile für die verbleibenden Zylinder angeschaltet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bewirkt das ECU 140 zum Beispiel, dass die Ventile 118A, 120A für einen ersten Zylinder 114A und die Ventile 118D, 120D für einen zweiten Zylinder 114D angeschaltet sind, so dass die ersten und zweiten Zylinder 114A und 114D in Betrieb sind. Gleichzeitig veranlasst das ECU 140, dass die Ventile 118B–C, 120B–C abgeschaltet sind, so dass die Zylinder 114B–C nicht in Betrieb sind. Zusätzlich wird das ECU 140 das Kraftstoffeinspritzsystem 136 anweisen, nur die in Betrieb stehenden Zylinder 114A und 114D mit Kraftstoff zu versorgen. In einem solchen Zustand werden die Zylinder 114A und 114D mit dem Betrieb und der Erzeugung von Energie fortfahren, während die anderen Zylinder 114B–C weder Luft einsaugen noch Gas ausstoßen werden, wodurch die Pumpverluste des Verbrennungsmotors minimiert werden. Vorzugsweise wird jeder zweite Zylinder in der Zündsequenz abgeschaltet. Beispielsweise wird eine Zündsequenz oder -reihenfolge für einen typischen Vierzylinderverbrennungsmotor 14, wie er in 1 gezeigt ist, die Zylinder in der Reihenfolge 114A, 114C, 114D und schließlich 114B zünden. Um daher ein geeignetes Gleichgewicht des Verbrennungsmotors 14 aufrecht zu erhalten, sollten die Zylinder 114C und 114B oder 114A und 114D aus dem Betrieb genommen werden. Der dritte Betriebszustand ist besonders geeignet für Betriebsbedingungen mit niedriger Last, bei denen ein großer Drehmomentabtrieb des Verbrennungsmotors 14 nicht erforderlich ist.
  • Durch Verbinden eines elektrisch variablen Getriebes mit einem Verbrennungsmotor, der Zylinderabschaltung und LIVC aufweist, kann eine Vergrößerung der Betriebseffizienzen erreicht werden. Das Getriebe 11 ermöglicht darüber hinaus einen größeren Bereich für den dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, in dem es dem Drehzahlverhältnis des Getriebes 11 ermöglicht, sich sanft zu andern, so weit es nötig ist, um den dritten Betriebszustand zu ermöglichen. Darüber hinaus schafft LIVC eine erhöhte Spitzeneffizienz. Der dritte Betriebszustand des Verbrennungsmotors 14 schafft zwei verschiedene Betriebsarten, so dass es die Synergiebeziehung zwischen LIVC und dem dritten Betriebszustand ermöglicht, dass die erhöhte Spitzeneffizienz an einem Punkt erreicht werden kann, an dem alle Zylinder angeschaltet sind, und einen anderen Spitzeneffizienzpunkt, bei dem die Hälfte der Zylinder abgeschaltet ist. Das Getriebe 11 hält den Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors 14 nahe bei einem dieser Spitzeneffizienzpunkte und schafft sanfte Übergänge von einem Punkt zum anderen.
  • Zusammengefasst weist ein Hybridantriebsstrang ein elektrisch variables Getriebe und einen Verbrennungsmotor auf. Das Getriebe ist in der Lage, eine kontinuierlich veränderbare Betriebsart bereitzustellen. Der Verbrennungsmotor ist zu einer Hubraumveränderung fähig, indem mindestens die Hälfte der darin enthaltenen Zylinder abschaltbar sind. Zusätzlich arbeitet der Verbrennungsmotor mit einer Strategie zum späten Schließen der Einlassventile, um die Spitzeneffizienz des Verbrennungsmotors zu erhöhen.

Claims (15)

  1. Hybridantriebsstrang (10) mit einem Getriebe (11), das mindestens einen darin enthaltenen Motor (56, 72) und mindestens einen darin enthaltenen differenziellen Zahnradsatz (24, 26, 28) aufweist, wobei der mindestens eine Motor (56, 72) und der mindestens eine differenzielle Zahnradsatz (24, 26, 28) selektiv dazu dienen, das Getriebe (11) in einer elektrisch variablen Betriebsart zu betreiben; einem Verbrennungsmotor (14) mit mehreren Zylindern (114A–D), von denen jeder mindestens ein Einlassventil (118A–D) und mindestens ein Auslassventil (120A–D) aufweist, die in Beziehung dazu vorgesehen sind; einer entsprechenden Mehrzahl von Kolben (122A–D), von denen jeder in jeweils einem der mehreren Zylinder (114A–D) hin und her beweglich angeordnet ist, wobei jeder der mehreren Kolben (122A–D) einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Ausstoßhub aufweist; wobei eine Ansaugbeladung durch jeweils einen der mehreren Kolben (122A–D) während des Ansaughubs des jeweils einen der mehreren Kolben (122A–D) in jeden der mehreren Zylinder (114A–D) eingezogen wird; mindestens einem Ventilbetätigungsmechanismus (128), der dazu dient, selektiv jeweils eines des mindestens einen Einlassventils (118A–D) zu öffnen und zu schließen; dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ventilbetätigungsmechanismus (128) dazu dient, das mindestens eine Einlassventil (118A–D) jedes der mehreren Zylinder (114A–D) während eines Abschnitts des Verdichtungshubs offen zu halten, wodurch der Verbrennungsmotor (14) in einer Betriebsart mit spätem Schließen des Einlassventils (118A–D) betrieben wird, und das mindestens eine Einlassventil (118A–D) und das mindestens eine Auslassventil (120A–D), die mindestens der Hälfte der mehreren Zylinder (114A–D) entsprechen, selektiv abschaltbar und im abgeschalteten Zustand geschlossen sind.
  2. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Zubehör (137); wobei der Verbrennungsmotor (14) ferner eine Kurbelwelle (112) umfasst, die mit einer Antriebswelle (12) des Getriebes (11) verbunden ist; und wobei das Zubehör (137) durch die Kurbelwelle (112) angetrieben wird.
  3. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einlassventil (118A–D) und das mindestens eine Auslassventil (120A–D), die jedem der mehreren Zylindern (114A–D) entsprechen, selektiv abschaltbar sind, so dass mindestens ein Motor (56, 72) des Getriebes (11) zum Drehen der Kurbelwelle (112) und zum Antreiben des Zubehörs (137) mit einem Minimum an Pumpverlusten in der Lage ist.
  4. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektrische Speichereinrichtung (74), die dazu dient, den mindestens einen Motor (56, 72) selektiv mit Energie zu versorgen.
  5. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (11) und der Verbrennungsmotor (14) durch mindestens eine vorprogrammierbare elektronische Steuerungseinheit (76, 140) gesteuert ist.
  6. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Drehmomentübertragungseinrichtung (62, 70, 73, 75); wobei jede der mindestens einen Drehmomentübertragungseinrichtung (62, 70, 73, 75) dazu dient, einen jeweiligen des mindestens einen differenziellen Zahnradsatzes (24, 26, 28) selektiv zu verriegeln, um mindestens ein festes Übersetzungsverhältnis innerhalb des Getriebes (11) zu ermöglichen.
  7. Hybridantriebsstrang (10) mit einem Getriebe (11) mit einer darin enthaltenen ersten und zweiten Motor/Generator-Einheit (56, 72), wobei mindestens eine der ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72) dazu dient, mindestens einen differenziellen Zahnradsatz (24, 26, 28) selektiv in Eingriff zu bringen, um eine kontinuierlich veränderliche Betriebsart zu bewirken; einem Verbrennungsmotor (14) mit mehreren Zylindern (114A–D), von denen jeder mindestens ein Einlassventil (118A–D) und mindestens ein Auslassventil (120A–D) aufweist, die in Bezug dazu vorgesehen sind; einer entsprechenden Mehrzahl von Kolben (122A–D), von denen jeder in jeweils einem der mehreren Zylinder (114A–D) hin und her beweglich angeordnet ist, wobei jeder der mehreren Kolben (122A–D) einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Ausstoßhub aufweist; mindestens einem Ventilbetätigungsmechanismus (128), der dazu dient, ein jeweiliges des mindestens einen Einlassventils (118A–D) selektiv zu öffnen und zu schließen; dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ventilbetätigungsmechanismus (128) dazu dient, das mindestens eine Einlassventil (118A–D) jedes der mehreren Zylinder (114A–D) während eines Abschnitts des Verdichtungshubs offen zu halten, wodurch der Verbrennungsmotor (14) in einer Betriebsart mit spätem Schließen des Einlassventils (118A–D) betrieben wird, und das mindestens eine Einlassventil (118A–D) und das mindestens eine Auslassventil (120A–D), die mindestens der Hälfte der mehreren Zylinder (114A–D) entsprechen, selektiv abschaltbar und im abgeschalteten Zustand geschlossen sind.
  8. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Zubehör (137); wobei der Verbrennungsmotor (14) ferner eine Kurbelwelle (112) umfasst, die mit einer Antriebswelle (12) des Getriebes (11) verbunden ist; und wobei das Zubehör (137) durch die Kurbelwelle (112) angetrieben wird.
  9. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einlassventil (118A–D) und das mindestens eine Auslassventil (120A–D), die jedem der mehreren Zylinder (114A–D) entsprechen, selektiv abschaltbar sind, so dass mindestens eine der ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72) des Getriebes (11) dazu in der Lage ist, die Kurbelwelle (112) zu drehen und das Zubehör (137) mit minimalen Pumpverlusten anzutreiben.
  10. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine elektrische Speichereinrichtung (74), die dazu dient, die ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72) selektiv mit Energie zu versorgen; und wobei die elektrische Speichereinrichtung (74) dazu dient, von jeder der ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72) selektiv Energie zu empfangen.
  11. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (11) und der Verbrennungsmotor (14) durch mindestens eine vorprogrammierbare elektronische Steuerungseinheit (76, 140) gesteuert ist.
  12. Hybridantriebsstrang (10), umfassend: ein Getriebe (11) mit einem Antriebselement (12), einem Abtriebselement (64) und ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72); eine Energiespeichereinrichtung (74) zum Austauschen von elektrischer Energie mit den ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72); eine elektronische Steuerungseinheit (76) zum Regeln des elektrischen Energieaustausches zwischen der Energiespeichereinrichtung (74) und den ersten und zweiten Motor/Generatoren (56, 72) und auch zum Regeln des elektrischen Energieaustausches zwischen den ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72); wobei das Getriebe (11) drei Planetenradsätze (24, 26, 28) umfasst, von denen jeder ein erstes (30, 38, 46), ein zweites (32, 40, 48) und ein drittes (34, 42, 50) Element aufweist; wobei eines der Elemente (32, 38) der Planetenradsätze (24, 26, 28) mit dem ersten Motor/Generator (56) verbunden ist und ein anderes der Elemente (40, 48) der Planetenradsätze (24, 26, 28) mit der zweiten Motor/Generator-Einheit (72) verbunden ist; wobei das Getriebe (11) vier Drehmomentübertragungsmechanismen (62, 70, 73, 75) umfasst, die Elemente der Planetenradsätze (24, 26, 28) mit anderen Elementen der Planetenradsätze (24, 26, 28) und mit Masse selektiv verbinden, wobei einer der Drehmomentübertragungsmechanismen (75) als Überbrückungskupplung wirkt, um zwei der Planetenradsätze (24, 26) in einem 1:1-Verhältnis zu verriegeln; und erste und zweite Verbindungselemente (60, 66), die dauerhaft Elemente der Planetenradsätze (24, 26, 28) verbinden; wobei die vier Drehmomentübertragungsmechanismen (62, 70, 73, 75) selektiv paarweise in Eingriff gebracht werden können, um vier feste Übersetzungen zwischen dem Antriebselement (12) und dem Abtriebselement (64) zu schaffen, wenn in den ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72) kein Drehmoment vorhanden ist; wobei ein Verbrennungsmotor (14) mit dem Antriebselement (12) des Getriebes (11) verbunden ist; wobei der Verbrennungsmotor (14) mehrere Zylinder (114A–D) aufweist, von denen jeder mindestens ein Einlassventil (118A–D) und mindestens ein Auslassventil (120A–D) aufweist, die in Bezug dazu vorgesehen sind; eine entsprechende Mehrzahl von Kolben (122A–D), von denen jeder in jeweils einem der mehreren Zylinder (114A–D) hin und her beweglich angeordnet ist; mindestens einen Ventilbetätigungsmechanismus (128), der dazu dient, ein jeweiliges des mindestens einen Einlassventils (118A–D) selektiv zu öffnen und zu schließen; dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ventilbetätigungsmechanismus (128) dazu dient, das mindestens eine Einlassventil (118A–D) jedes der mehreren Zylinder (114A–D) während eines Abschnitts des Verdichtungshubs offen zu halten, wodurch der Verbrennungsmotor (14) in einer Betriebsart mit spätem Schließen des Einlassventils (118A–D) betrieben wird, und das mindestens eine Einlassventil (118A–D) und das mindestens eine Auslassventil (120A–D), die mindestens der Hälfte der mehreren Zylinder (114A–D) entsprechen, selektiv abschaltbar und im abgeschalteten Zustand geschlossen sind.
  13. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mehreren Kolben (122A–D) einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Ausstoßhub aufweist und wobei das mindestens eine Einlassventil (118A–D) jedes der mehreren Zylinder (114A–D) während eines Abschnitts des Verdichtungshubs offen bleibt.
  14. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Zubehör (137); wobei der Verbrennungsmotor (14) ferner eine Kurbelwelle (112) umfasst, die mit dem Antriebselement (12) des Getriebes (11) verbunden ist; und wobei das Zubehör (137) durch die Kurbelwelle (112) angetrieben wird.
  15. Hybridantriebsstrang (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Einlassventil (118A–D) und das mindestens eine Auslassventil (120A–D), die jedem der mehreren Zylinder (114A–D) entsprechen, selektiv abschaltbar sind, so dass mindestens eine der ersten und zweiten Motor/Generator-Einheiten (56, 72) des Getriebes (11) dazu in der Lage ist, die Kurbelwelle (112) zu drehen und das Zubehör (137) mit minimalen Pumpverlusten anzutreiben.
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