DE102007004456A1 - Drive unit for e.g. passenger car, has drive to which compressed combustible natural gas is provided as fuel, and hydraulic or pneumatic drive provided with pressurized fluid, where common pressure tank is provided for gas and fluid - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug und insbesondere für einen Pkw. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Pkw mit einer derartigen Antriebseinheit.The The invention relates to a drive unit for a motor vehicle and in particular for a car Invention a car with such a drive unit.
Hybridfahrzeuge, das heißt Fahrzeuge mit zwei Antrieben, benötigen für jeden Antrieb eine separate Energiequelle. Besitzt das Kraftfahrzeug beispielsweise als Antrieb eine Brennkraftmaschine und eine elektrische Maschine, muss sowohl ein Kraftstofftank als auch eine Stromquelle, z. B. eine Brennstoffzelle, bereitgestellt werden. Dies macht Hybridfahrzeuge aufwändiger in ihrer Konstruktion.Hybrid vehicles that means vehicles with two drives a separate source of energy for each drive. has the motor vehicle, for example, as a drive an internal combustion engine and an electric machine, both a fuel tank needs also a power source, eg. As a fuel cell provided become. This makes hybrid vehicles more complex in their Construction.
Die
Die
Es ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung, ein baulich vereinfachtes Hybridfahrzeug bereitzustellen.It is an object of an embodiment of the invention, a to provide structurally simplified hybrid vehicle.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere Ausführungsformen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.The Solution to this problem is the characteristics of the independent Claims. Advantageous developments and further embodiments result with the features of the dependent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit zwei Antrieben. Ein erster Antrieb besteht in einer Brennkraftmaschine und wird mit einem komprimierten brennbaren Gas betrieben. Der zweite Antrieb ist ein hydraulischer oder ein pneumatischer Antrieb, sodass ihm ein Druckfluid zugeordnet ist. Für die zwei Antriebe ist ein gemeinsamer Druckbehälter vorgesehen, also ein Druckbehälter sowohl für das komprimierte Gas als auch für das Druckfluid. Der Druckbehälter ist im Regelfall ausgelegt, Arbeitsdrücke von bis zu 350 bar zu ermöglichen.One The first aspect of the invention relates to a drive unit for a motor vehicle with two drives. A first drive exists in an internal combustion engine and is powered by a compressed combustible gas operated. The second drive is a hydraulic or a pneumatic one Drive, so it is associated with a pressurized fluid. For the two drives a common pressure vessel is provided So a pressure vessel for both the compressed Gas as well as for the pressurized fluid. The pressure vessel is usually designed, working pressures of up to 350 to allow bar.
Der vorgeschlagene Hybridantrieb hat zunächst einen ersten Antrieb, der ein komprimiertes brennbares Gas, beispielsweise komprimiertes Erdgas, als Energiequelle vorsieht. Es handelt sich bei dem ersten Antrieb somit um einen CNG-(englisch: compressed natural gas)Antrieb, der typischerweise eine große Reichweite von beispielsweise 300 km oder mehr hat.Of the proposed hybrid drive initially has a first Drive, which is a compressed combustible gas, for example, compressed Natural gas, as an energy source. It is the first one Drive thus a CNG (compressed natural gas) drive, typically a long range of, for example Has 300 km or more.
Der erste Antrieb wird durch einen zweiten Antrieb ergänzt. Der zweite Antrieb ist ein hydraulischer oder ein pneumatischer Antrieb, der einen geringeren Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu einem Fahrzeug ermöglicht, das nur einen CNG-Antrieb besitzt. Dies liegt daran, dass der zweite Antrieb beim Bremsen aufgeladen wird und somit Bremsenergie für den Antrieb des Fahrzeuges nutzbar machen kann, wodurch sich optimierte Energieverbrauchswerte einstellen.Of the first drive is supplemented by a second drive. The second drive is a hydraulic or a pneumatic one Drive, compared to a lower fuel consumption a vehicle that has only one CNG drive. This is because the second drive is charged during braking is and thus braking energy for the drive of the vehicle can harness, resulting in optimized energy consumption to adjust.
Mit dem zweiten Antrieb lässt sich weiterhin ein besonders sportliches Fahrzeug mit exzellenten Beschleunigungswerten schaffen. Dies liegt daran, dass das Druckfluid und der zweite Antrieb typischerweise eine hohe Energiedichte und eine hohe Energieumsetzungsrate (d. h. Energieaufladung bzw. -entladung) ermöglichen. Bei hydraulischen Antrieben zum Beispiel ist im Gegensatz zu elektrischen batteriegestützten Antrieben die Energieumsetzungsrate praktisch nur durch die Ventildimensionierung und die Motordimensionierung limitiert, nicht aber von z. B. chemischen Umwandlungsprozessen in der Batterie abhängig. Relativ kleine hydraulische Antriebseinheiten haben hierbei bereits sehr hohe Leistungsdichten, die deutlich größer sind als diejenigen von Elektromaschinen.With the second drive can still be a special create a sporty vehicle with excellent acceleration values. This is because the pressurized fluid and the second drive typically a high energy density and a high energy conversion rate (i.e. H. Energieaufladung or discharge). For hydraulic Propulsion, for example, is unlike electric battery-based Actuated the energy conversion rate practically only by the valve sizing and the motor dimensioning limited, but not of z. B. chemical Conversion processes in the battery dependent. Relative small hydraulic drive units already have a lot here high power densities, which are significantly larger as those of electric machines.
Die Wahl eines zweiten Antriebs mit derart hoher Energiedichte und Energieumsetzungsrate erlaubt es, ihn wahlweise
- a) zur Optimierung der Fahreigenschaften des betreffenden Fahrzeugs heranzuziehen, die zunächst vom ersten Antrieb bestimmt sind. Dadurch können temporär erhöhte Fahrzeugbeschleunigungswerte erzielt werden, die Fahrleistung oder der Zugkraft verbessert werden.
- b) zur Energieverbrauchsminimierung heranzuziehen, indem der erste Antrieb in bestimmten Fahrsituationen wie z. B. einem Beschleunigungsvorgang teilweise oder gänzlich abgestellt wird.
- a) to optimize the driving characteristics of the vehicle in question, which are initially determined by the first drive. As a result, temporarily increased vehicle acceleration values can be achieved, the driving performance or the tractive force can be improved.
- b) to minimize energy consumption by the first drive in certain driving situations such. B. an acceleration process is partially or completely turned off.
Selbstverständlich lassen sich diese beiden Mög lichkeiten auch in Kombination nutzen.Of course These two possibilities can also be combined use.
Im Fall eines hydraulischen Antriebs besitzt die Antriebseinheit weiterhin einen Druckausgleichsbehälter, sodass das Druckfluid von einem Bereich hohen Drucks zu einem Bereich niedrigeren Drucks strömen kann. Beim pneumatischen Antrieb dient die umgebende Luft als Reservoir, sodass kein zusätzlicher Druckausgleichsbehälter erforderlich ist.in the Case of a hydraulic drive, the drive unit still has a surge tank so that the pressurized fluid from flow in a region of high pressure to a region of lower pressure can. In the pneumatic drive, the surrounding air serves as a reservoir, so no additional pressure equalization tank is required.
Der zweite Antrieb ist im Wesentlichen ein Hilfsantrieb, das heißt, dass für den Fall, dass ein Fahrzeug ausschließlich mit ihm angetrieben wird, die Reichweite des Fahrzeugs deutlich kleiner ist als diejenige, die sich bei ausschließlicher Benutzung des CNG-Antriebs einstellt. Der CNG-Antrieb kann bei einem Mittelklassefahrzeug beispielsweise eine Reichweite von 300 km oder mehr ermöglichen, wohingegen der hydraulische oder pneumatische Antrieb lediglich eine Reichweite von maximal 50 km ermöglicht. Dies wird über das dem Druckfluid zur Verfügung stehende Volumen eingestellt, das hierzu kleiner als 30 l sein kann.The second drive is essentially an auxiliary drive, that is, in the event that a vehicle is exclusively powered by it, the range of the vehicle is significantly smaller than that in exclusive use of the CNG drive. For example, in a mid-range vehicle, the CNG drive can provide a range of 300 km or more, whereas the hydraulic or pneumatic drive only provides a maximum range of 50 km. This is adjusted by the volume available to the pressure fluid, which may be less than 30 l for this purpose.
Die vorgeschriebene Antriebseinheit sieht nur einen einzigen Druckbehälter bzw. -speicher vor, der wegen der Erfüllung hoher sicherheitstechnischer Anforderungen aufwändig herzustellen und teuer ist. Damit wird der vorgeschlagene Hybridantrieb sicherer, baulich vereinfacht, in der Herstellung einfacher und werden seine Herstellungskosten gesenkt.The prescribed drive unit sees only a single pressure vessel or memory before, because of the fulfillment of high safety Requirements to produce complex and expensive. In order to the proposed hybrid drive is safer, structurally simplified, in production easier and its manufacturing costs lowered.
Wird der Druckbehälter beim Betanken mit einem komprimierten Gas für den ersten Antrieb befüllt, so wird bei dieser Bauweise der Antriebseinheit der Hydraulik- bzw. Pneumatikspeicher, das heißt derjenige Teil des Druckbehälters, der für das Druckfluid vorgesehen ist, automatisch mit aufgeladen, d. h. steht damit automatisch unter Druck. Ein separates Aufladen dieses Speichers entfällt damit. Eine Pumpe zum Bereitstellen des entsprechenden Drucks des Druckfluids ist damit nicht erforderlich, wodurch die Antriebseinheit weiter vereinfacht und auch preiswerter wird.Becomes the pressure vessel when refueling with a compressed Gas filled for the first drive, so is at this construction of the drive unit of the hydraulic or pneumatic storage, that is the part of the pressure vessel, the for the pressurized fluid is provided automatically with charged, d. H. is thus automatically under pressure. A separate recharge this memory is eliminated. A pump to provide the corresponding pressure of the pressurized fluid is thus not required, thereby the drive unit is further simplified and also cheaper.
Bei einer Ausführungsform ist eine Membran für das separate Vorhalten von komprimiertem Gas und Druckfluid im Druckbehälter vorgesehen. Die Membran sorgt für eine Trennung von komprimiertem Gas und Druckfluid. Hierzu ist sie für diese beiden Medien undurchlässig ausgebildet. Da die beiden Medien einen vergleichbaren Druck haben, muss die Membran keinen nennenswerten Druckunterschied zwischen ihnen ausgleichen, sodass keine besonderen Anforderungen bzgl. ihrer mechanischen Belastbarkeit bestehen. Durch ihre Elastizität passt sie sich der jeweiligen Füllmenge der Medien im Druckbehälter an.at an embodiment is a membrane for the separate provision of compressed gas and pressurized fluid in the pressure vessel intended. The membrane ensures separation of compressed gas and pressurized fluid. For this she is for these two media impermeable trained. Because the two media have a comparable Pressure, the diaphragm does not have a significant pressure difference between compensate them, so no special requirements regarding their mechanical load capacity exist. Due to their elasticity it adapts to the respective capacity of the media in the pressure vessel at.
In einer Ausführungsform ist der Membran eine an der Innenwand des Druckbehälters angeordnete Halterung zugeordnet. Handelt es sich beispielsweise um einen zylindrischen Druckbehälter, so liegt eine ringförmige Halterung an der Innenwand des Druckbehälters an. Die Halterung wird im Regelfall fest mit dem Druckbehälter verbunden sein und in ihrem kreisförmigen Inneren die flexible Membran aufnehmen. Die Halterung sorgt für eine Abdichtung der beiden Bereiche auf beiden Seiten der Membran und damit für eine Trennung der beiden Medien. Wird auf der einen Seite der Membran ein komprimiertes Gas eingelassen, so stellt sich bedingt durch die Membranwölbung beim Druckfluid, z. B. der Hydraulikflüssigkeit, derselbe Druck ein. Die Folge ist, dass nach einem Betanken mit komprimiertem Gas, z. B. Erdgas, der Hydraulik- oder Pneumatikantrieb sofort zur Verfügung steht. Eine separate Pumpe zum Komprimieren des Druckfluids wird damit eingespart.In In one embodiment, the membrane is one on the inner wall associated with the pressure vessel arranged holder. These For example, it is a cylindrical pressure vessel, so an annular holder is located on the inner wall of the pressure vessel at. The holder is usually fixed to the pressure vessel be connected and flexible in their circular interior Pick up the membrane. The bracket ensures a seal of the both areas on both sides of the membrane and thus for a separation of the two media. Will be on one side of the membrane a compressed gas admitted, so it turns conditional the membrane curvature in the pressurized fluid, z. B. the hydraulic fluid, the same pressure. The consequence is that after refueling with compressed gas, z. As natural gas, the hydraulic or pneumatic drive immediately available. A separate pump for compressing of the pressure fluid is thus saved.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Druckbehälter eine erste Öffnung für das komprimierte Gas und eine zweite Öffnung für das Druckfluid in eine ballonförmige Membran. Die beiden Medien gelangen somit über verschiedene Öffnungen in den Druckbehälter, wobei die Öffnung der ballonförmigen Membran in eine der beiden Öffnungen eingepasst ist. Ist die ballonförmige Membran beispielsweise mit dem Druckfluid für den Hydraulik- oder Pneumatikantrieb gefüllt und wird in den restlichen Bereich des Druckbehälters das komprimierte brennbare Gas eingelassen, so wird der Membraninhalt ebenfalls einem Druck ausgesetzt. In diesem Fall steht der Hydraulik- oder Pneumatikantrieb sofort zur Verfügung, ohne dass das Druckfluid erst separat komprimiert wird. Eine separate Pumpe zum Komprimieren des Druckfluids wird daher nicht benötigt.In a further embodiment has the pressure vessel a first opening for the compressed gas and a second opening for the pressurized fluid in one balloon-shaped membrane. The two media thus arrive over different openings in the pressure vessel, wherein the opening of the balloon-shaped membrane in a the two openings is fitted. Is the balloon-shaped Membrane, for example, with the pressurized fluid for the hydraulic or pneumatic drive is filled and will be in the rest Area of the pressure vessel the compressed combustible gas let in, the membrane contents are also subjected to pressure. In this case, the hydraulic or pneumatic drive stands immediately available without the compressed fluid first compressed separately becomes. A separate pump for compressing the pressurized fluid will therefore not needed.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Druckbehälter in seinem Inneren einen weiteren Behälter, an dessen Innenwand sich die (Membran-)Halterung längsverschiebbar anschmiegt. Der zusätzliche Behälter kann aus Edelstahl und damit hinreichend glatt gefertigt sein, um ein entsprechendes Gleiten der Halterung zu ermöglichen. Er ermöglicht die Wahl eines weniger flexiblen Membranmaterials, bei dem die Raumeinteilung im Druckbehälter einerseits durch die Membranwölbung und zusätzlich durch eine Längsverschiebung der Halterung erfolgt. Im Grenzfall ist auch die Wahl einer weitgehend starren Membran vor stellbar, sodass die Raumeinteilung nahezu vollständig über die Längsverschiebung der Halterung erfolgt. Das Anschmiegen der Halterung an die Innenwand des zusätzlichen Behälters gewährleistet hierbei die erforderliche Trennung von Druckfluid und komprimiertem Gas.In a further embodiment has the pressure vessel in its interior another container, on its inner wall the (membrane) holder clings longitudinally displaceable. The additional container can be made of stainless steel and be made sufficiently smooth to a corresponding sliding to allow the holder. He allows the Choice of a less flexible membrane material, in which the room layout in the pressure vessel on the one hand by the membrane curvature and additionally by a longitudinal displacement of Bracket is made. In the limiting case, the choice of a largely rigid membrane before adjustable, so that the room layout almost completely over the longitudinal displacement of the holder takes place. The nestling the holder to the inner wall of the additional container ensures the required separation of pressure fluid and compressed gas.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die An triebseinheit einen ersten Drucksensor für das komprimierte Gas, einen zweiten Drucksensor für das Druckfluid sowie ein regelbares Ventil in einer Druckfluidleitung zwischen dem Druckbehälter und einem (Druck-)Ausgleichsbehälter. Eine Regeleinheit regelt den Durchfluss des Druckfluids durch das Ventil in Abhängigkeit der Messwerte des ersten und des zweiten Drucksensors.In Another embodiment has the drive unit to a first pressure sensor for the compressed gas, a second pressure sensor for the pressurized fluid and a controllable Valve in a pressurized fluid line between the pressure vessel and a (pressure) surge tank. A control unit regulates the flow of pressurized fluid through the valve in dependence the measured values of the first and the second pressure sensor.
Die Regelung nimmt als Eingabewerte Daten auf, die aktuelle oder zukünftige Fahrzeug- und Verkehrssituationen abbilden und die dem Fahrzeug zur Verfügung stehen bzw. bereitgestellt werden. Diese Daten sind entweder fahrzeuginterne Daten oder sie stammen aus intelligenten Systemen mit Anbindung nach außen, z. B. über Navigation an das Fahrzeugumfeld. Beispiele sind die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die erwartete bzw. optimale Wegstrecke und die Fahrweise des Fahrers (z. B. Stellung von Gaspedal oder Bremse, Fahrprogramm eines Automatikfahrzeugs), Fahrleistungseinschränkungen z. B. in Form von Geschwindigkeitslimits oder Emissionslimits etc. und die Antriebsdaten (Systembereitschaft, Antriebsleistung, gespeicherte Energie, verfügbare Energie/Antriebsleistung etc. Anhand dieser Daten wird eine für das gewählte Fahrprofil bzw. -programm eine optimale Energienutzung der verfügbaren Antriebseinheiten errechnet und die jeweilige Antriebseinheit mit entsprechenden Signalen angesteuert. Hierbei wird auch das oben genannte Ventil unter Verwendung der Messwerte der Drucksensoren geregelt. Stetige Auswertung der Sensor-, Antriebs- und. Umfelddaten ermöglichen hierbei ein stetiges Optimieren und Anpassen der Steuerung, bzw. bei Einsatz einer adaptiven selbstlernenden Regelung auch über größere Zeiträume stetiges Optimieren der Regelung, um zum Beispiel Alterungs- bzw. Verschleißprozesse auszugleichen oder typische fahrer- bzw. situationsbedingte Besonderheiten besser zu berücksichtigen.The control receives as input values data that depict current or future vehicle and traffic situations and that are available or made available to the vehicle. These data are either in-vehicle data or come from intelligent systems with external connection, eg. B. via navigation to the vehicle environment. Examples are the speed, the Be Acceleration, the expected or optimal distance and the driving style of the driver (eg position of accelerator or brake, driving program of an automatic vehicle), driving restrictions z. B. in the form of speed limits or emission limits, etc. and the drive data (system readiness, drive power, stored energy, available energy / drive power, etc. Based on these data is calculated for the selected driving profile or program optimal energy use of the available drive units and the respective The above-mentioned valve is also regulated using the measured values of the pressure sensors Constant evaluation of the sensor, drive and surrounding data enables constant optimization and adjustment of the control, or when using adaptive self-learning control continuous optimization of the control even over longer periods of time, for example to compensate for aging or wear processes or to take better account of typical driver or situational characteristics.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Pkw, mit einer Antriebseinheit nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen.One second aspect of the invention relates to a motor vehicle, in particular a passenger car, with a drive unit according to one of the embodiments described above.
Das Kraftfahrzeug mit dieser Antriebseinheit hat in einer Ausführungsform als primäre Maschine den ersten Antrieb. Der zweite Antrieb, also der Hydraulik- oder Pneumatikantrieb, ist lediglich als Hilfsantrieb gedacht. Die Reichweite des Kraftfahrzeugs bei ausschließlicher Benutzung des zweiten Antriebs bzw. Hilfsantriebs beträgt maximal 50 km.The Motor vehicle with this drive unit has in one embodiment as the primary machine the first drive. The second drive, So the hydraulic or pneumatic drive is only as an auxiliary drive thought. The range of the motor vehicle with exclusive Use of the second drive or auxiliary drive is maximum 50 km.
Für die oben genannte Regeleinheit kann eine separate elektronische Regeleinheit vorgesehen sein, die nur die Stellung des Ventils in der Druckfluidleitung zwischen Druckbehälter und Ausgleichsbehälter regelt. Alternativ kann hierfür eine Logikeinheit eines Antiblockiersystems oder kann der Bordcomputer gewählt werden.For The above control unit can be a separate electronic Be provided control unit, which only the position of the valve in the pressure fluid line between pressure vessel and expansion tank regulates. Alternatively, this can be a logic unit of a Antilock braking system or the on-board computer can be selected become.
Weitere Merkmale und Vorteile der beanspruchten Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erkennbar, die nachfolgend als nicht beschränkende Beispiele angegeben sind. Hierbei soll die Benutzung von Bezugszeichen in den Figuren nicht dahingehend verstanden werden, dass die Bezugszeichen den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken sollen. Es zeigen:Further Features and advantages of the claimed invention will be apparent from the following detailed description with reference to the attached Drawings recognizable below as non-limiting Examples are given. Here, the use of reference numerals in the figures not to be understood that the reference numerals limit the scope of the claimed invention should. Show it:
Bei
den Figuren, die allgemein mit gleichen Bezugszeichen gleiche Gegenstände
bezeichnen, zeigt
Insofern steht nach dem Betanken des Fahrzeugs der Hydraulikantrieb ohne weiteres Zutun zur Verfügung.insofar is after refueling the vehicle, the hydraulic drive without further action available.
Im
praktischen Einsatz wird das Strömen des Druckfluids
Obwohl vorstehend konkrete Ausführungsformen beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass die Beschrei bung dieser Ausführungsformen nicht zum Zweck hat, die Erfindung in der angegebenen Form zu beschränken. Die Erfindung soll vielmehr alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen umfassen, die in den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung fallen.Even though concrete embodiments have been described above, The person skilled in the art will recognize that the description of these embodiments does not have the purpose to limit the invention in the form specified. Rather, the invention is intended to be all modifications, equivalents and include alternatives that are within the scope of the claimed claims Fall invention.
- 11
- Antriebseinheitdrive unit
- 22
- erster Antriebfirst drive
- 33
- Druckbehälterpressure vessel
- 44
- Kfz-RadAutomotive wheel
- 55
- zweiter Antrieb/Hydraulikantriebsecond Drive / hydraulic drive
- 66
- DruckfluidleitungPressure fluid line
- 77
- Ausgleichsbehältersurge tank
- 99
- VentilValve
- 1010
- Drucksensorpressure sensor
- 1111
- Drucksensorpressure sensor
- 1212
- erste Öffnungfirst opening
- 1313
- komprimiertes Gascompressed gas
- 1414
- zweite Öffnungsecond opening
- 1515
- Druckfluidpressure fluid
- 1616
- Membranmembrane
- 1717
- Halterungbracket
- 1818
- Innenwandinner wall
- 1919
- Behältercontainer
- 2020
- Innenwandinner wall
- 2121
- Regeleinheitcontrol unit
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- - DE 10201930 A1 [0004] - DE 10201930 A1 [0004]
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