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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem automatisierten Getriebe, wobei das automatisierte Getriebe zumindest ein Kupplungselement umfasst.
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Der dem Fachmann bekannte Segelmodus eines Kraftfahrzeugs oder Hybridfahrzeugs besteht darin, dass die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in Rollphasen genutzt wird, um eine möglichst hohe Rollgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten und somit eine möglichst hohe Rolldistanz zu erreichen. Dabei wird beispielsweise gemäß der Schrift
DE 10 2008 029 453 A1 der Motor des Fahrzeugs vom restlichen Antriebsstrang entkoppelt, um die bremsende Wirkung des Schleppmoments des Motors zu reduzieren. Die an eine Rollphase anschließende Zugphase kann infolge der erhaltenen Rollgeschwindigkeit bzw. erzielten Rolldistanz zu einem späteren Zeitpunkt einsetzen und/oder mit geringerer Motorleistung erfolgen. Daraus erwächst ein Potential zur Einsparung von Kraftstoff.
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Der Kraftstoffverbrauch kann während des Segelns weiterhin reduziert werden, indem der Motor nicht nur – anstatt bei hoher Drehzahl geschleppt zu werden – vom Antriebsstrang entkoppelt und befeuert im Motorleerlauf betrieben wird, sondern auch vollständig abgestellt wird und bei einer sich anschließenden Zugphase wieder zugestartet wird. In diesem Fall werden die über den Motorriementrieb versorgten elektrischen Verbraucher wie etwa der Generator oder der Klimakompressor jedoch nicht mehr gespeist. Deshalb sind im Vergleich zu einem konventionellen Fahrzeugbordnetz Stützmaßnahmen für das elektrische Bordnetz beispielsweise durch zusätzliche elektrische Energiespeicher und Anpassungen des Energiemanagements erforderlich. Außerdem ist bei beiden Varianten des Segelbetriebs, d. h. mit befeuertem Verbrennungsmotor im Leerlauf oder mit stillstehendem Motor, keine Rekuperation möglich. Dies bedeutet, dass die kinetische Energie des Fahrzeugs auch nicht teilweise nutzbar ist, um elektrische Energie ins Bordnetz zu speisen und gegebenenfalls elektrische Energiespeicher zu laden.
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In der Schrift
EP 2 269 882 A2 wird das Fahrzeugsegeln in Verbindung mit einem sogenannten Gleitmodus beschrieben. Hierbei liegt ein Segeln nach dem Stand der Technik nach strenger Auslegung eigentlich nicht vor, da der Verbrennungsmotor während des „Segelns“ befeuert wird und ein geringeres Antriebsmoment über eine mit Schlupf betriebene Kupplung auf die Antriebsachse überträgt und das Fahrzeug somit in einen „Gleitmodus“ überführt. Dadurch wird die Segelphase verlängert.
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Eine alternative Variante zur Einsparung von Kraftstoff während Fahrzeugrollphasen ist die sogenannte Rekuperation mit Schubabschaltung. Hierbei wird die Kraftstoffzufuhr des Motors während einer Rollphase unterbrochen. Der Motor bleibt mit dem Antriebsstrang gekoppelt und wird unbefeuert geschleppt. Dieser Betrieb wird auch als Betrieb mit Motorbremse bezeichnet. Dadurch kann bei hoher Drehzahl am Motor ein hohes Drehmoment beispielsweise vom Generator ohne Kraftstoffverbrauch in elektrische Leistung gewandelt werden, wodurch die Bremswirkung des Motors zusätzlich erhöht wird. Falls die in elektrische Leistung umgesetzte kinetische Energie zur Ladung von elektrischen Energiespeichern im Bordnetz des Fahrzeugs genutzt wird, spricht man auch von Rekuperation.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem automatisierten Getriebe anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem automatisierten Getriebe gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist bei einer Verzögerung des Fahrzeugs das zumindest eine Kupplungselement mit Schlupf betreibbar, über das zumindest eine Kupplungselement eine Schleppleistung auf den Verbrennungsmotor übertragbar und der Verbrennungsmotor mit der über das zumindest eine Kupplungselement übertragenen Schleppleistung bei Schubabschaltung schleppbar.
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Unter Schubabschaltung ist in dem vorliegenden Dokument zu verstehen, dass die Kraftstoffzufuhr des Verbrennungsmotors unterbrochen ist, wenn über das Gaspedal keine Leistungsanforderung an den Motor gestellt ist. Mit anderen Worten ist dies dann der Fall, wenn das Fahrpedal oder Gaspedal nicht betätigt wird. Derartige Fahrphasen werden auch als Schubphase bezeichnet. Im Gegensatz dazu stehen Zugphasen, in denen eine Leistungsanforderung an den Motor gestellt wird.
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In einer Schubphase verzögert das fahrende Fahrzeug aufgrund des Fahrwiderstands, der sich aus dem Luftwiderstand, dem Rollwiderstand und fahrzeuginternen Reibwiderständen zusammensetzt. Zu letzterem Reibwiderstand zählt beispielsweise die Motorbremse des geschleppten, schubabgeschalteten Motors. Der über die Motorbremse generierte Verlust wird in diesem Dokument als Schleppverlustleistung bezeichnet.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Schleppverlustleistung dadurch minimiert wird, dass über das Kupplungselement ein deutlich geringerer Anteil der kinetischen Energie des Fahrzeugs als Schleppenergie auf den Motor übertragen wird als bei vollständigem Kraftschluss zwischen Getriebe und Motor. Der in Wärme umgesetzte Anteil der Schleppleistung des Verbrennungsmotors entspricht der Schleppverlustleistung. Die Schleppverlustleistung steigt mit der Drehzahl des Motors an. Die Motorbremse wird also in geringerem Maße eingesetzt, so dass die kinetische Energie des Fahrzeugs analog zum Segelbetrieb in eine höhere Rollreichweite während einer Schubphase umsetzbar ist als im reinen Schleppbetrieb. Eine folgende Zugphase setzt später ein und/oder erfordert eine geringere Beschleunigung des Fahrzeugs und geht deshalb mit geringerem Kraftstoffverbrauch einher.
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Im Sinne des vorliegenden Dokuments können als automatisierte Getriebe beispielsweise ein Doppelkupplungsgetriebe, ein automatisiertes Schaltgetriebe, ein stufenloses Getriebe oder ein Wandlerautomatikgetriebe zur Anwendung kommen.
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Im Falle eines Wandlerautomatikgetriebes mit einer hydraulischen Kupplung, einem Drehmomentwandler und einer Wandlerüberbrückungskupplung ist unter dem erfindungsgemäßen Kupplungselement die Wandlerüberbrückungskupplung zu verstehen. Bei einem Wandlerautomatikgetriebe eingesetzte Lammellenschaltkupplungen stellen im Sinne dieser Erfindung stets einen Kraftschluss im Getriebe her.
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Dagegen verfügt ein Doppelkupplungsgetriebe über zwei Kupplungen, die je nach Ausführung als zwei trockenlaufende Reibscheibenkupplungen oder als zwei nasslaufende Lamellenkupplungen ausgeführt sein können. Bei einem Doppelkupplungsgetriebe entspricht das erfindungsgemäße Kupplungselement einer Reibscheibenkupplung oder einer Lamellenkupplung. In diesem Falle können auch zwei Kupplungselemente mit Schlupf betreibbar sein.
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Ein automatisiertes Schaltgetriebe verfügt meist über eine trockenlaufende Reibscheibenkupplung. Das erfindungsgemäße Kupplungselement entspricht in diesem Falle der Reibscheibenkupplung.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Motor bei geringer Drehzahl schleppbar ist. Der Motor dreht unbefeuert und bei geringer Drehzahl, so dass die vom Motor in Reibwärme umgesetzte Verlustleistung gering ist, aber trotzdem ein Drehmoment an der Kurbelwelle abgreifbar ist. Aus diesem Grund kann dieser Fahrbetrieb auch als Segelschleppbetrieb bezeichnet werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schlupf des zumindest einen Kupplungselements von einer Regelungseinheit regelbar. Die auf den Verbrennungsmotor übertragene Schleppleistung ist von der Regelungseinheit einstellbar.
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Die auf den Motor in Form von einer Schleppdrehzahl und eines Schleppmoment übertragene Schleppleistung ist regelbar. Dies bietet den Vorteil, dass die auf den Motor übertragene Schleppleistung als Regelgröße minimierbar ist, um die Reichweite im Segelschleppbetrieb zu erhöhen, wobei die an der Motorwelle vom Riementrieb abgegriffene mechanische Leistung als eine Stellgröße fungiert.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Fahrzeug einen Generator und Zusatzaggregate auf, die über einen Riemen betreibbar sind. Der Verbrennungsmotor umfasst einen Riementrieb, wobei das Schleppmoment den Riemen bei der Schleppdrehzahl treibt, um den Generator und die Zusatzaggregate zu betreiben. Dadurch wird mechanische Leistung von der Kurbelwelle durch den Riementrieb abgegriffen, so dass ein Teil der Schleppleistung über den Motor auf die Zusatzaggregate übertragen wird. Der andere Teil der Schleppleistung wird vom geschleppten Motor als Schleppverlustleistung in Wärme umgesetzt.
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Über den Riementrieb sind verschiedene Zusatzaggregate mit mechanischer Leistung versorgbar. Insbesondere der Generator ist somit betreibbar, so dass das Bordnetz des Fahrzeugs mit einer hohen Anzahl an sicherheits- und komfortrelevanten Verbrauchern mit elektrischer Leistung deckbar ist.
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Gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist von der Regelungseinheit eine Schleppdrehzahl des Verbrennungsmotors und in ein Schleppmoment des Verbrennungsmotors durch die übertragene Schleppleistung einstellbar. Im befeuerten Zustand weist der Verbrennungsmotor ein Leerlaufdrehzahlband auf, wobei die Schleppdrehzahl im Bereich des Leerlaufdrehzahlbandes oder unterhalb des Leerlaufdrehzahlbandes in Richtung kleinerer Drehzahlen liegt.
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Damit ist gewährleistet, dass während des Segelschleppbetriebes mechanische Leistung an die Zusatzaggregate in einer maximalen Höhe übertragbar ist, die in etwa der maximalen Höhe der angeforderten Leistung dieser Zusatzaggregate im befeuerten Leerlauf des Motors entspricht. Dies ist von Vorteil, da eine Schleppdrehzahl, die den Leerlaufdrehzahlbereich nicht übersteigt, einerseits eine geringe Schleppverlustleistung sicherstellt und andererseits eine zuverlässige Versorgung der Zusatzaggregate gewährleistet.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Generator einen elektrischen Energiespeicher lädt, den das das Fahrzeug umfasst.
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Auf diese Weise kann Bremsenergie des Fahrzeugs zurückgewonnen werden, falls die Leistungsanforderung der Zusatzaggregate das Leistungsangebot des Motors im Segelschleppbetrieb unterschreitet. Auf diese Weise ermöglicht der Segelschleppbetrieb auch die Möglichkeit zur Rekuperation, wie sie dem Fachmann vom herkömmlichen Schleppbetrieb bekannt ist.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Nach dem Stand der Technik ist der Segelbetrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei wird, falls der Fahrer das Gaspedal nicht betätigt, der Kraftfluss zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe geöffnet. In der Folge wird das Fahrzeug nicht durch die hohe Schleppverlustleistung des Verbrennungsmotors im Schubbetrieb abgebremst. Das Fahrzeug erhält den größten Teil seiner kinetischen Energie, die bei einer einsetzenden Betätigung des Gaspedals nicht wieder aufgebracht werden muss. Das hierdurch erzielbare Einsparpotenzial beträgt je nach Fahrweise und Fahrzyklus ca. 5–10%. Während der Öffnung des Kraftschlusses läuft der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang entkoppelt im Leerlauf und treibt Nebenaggregate wie Klimakompressor, Generator, Unterdruckpumpe, Wasserpumpe, etc. über den Riementrieb unter Kraftstoffverbrauch.
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Alternativ kann der Motor wie bei den verbreiteten Motor-Start-Stopp-Funktionen während der Kraftschlussöffnung beim Segeln abgestellt werden, wodurch zusätzlich Kraftstoff gespart werden kann. Um Nebenaggregate in diesem Betriebszustand zu versorgen, wird die Funktionalität des konventionellen 14 Volt-Bordnetzes erweitert, um Verbraucher elektrisch zu versorgen. Außerdem werden dadurch das Bordnetz und die Verbraucher gegen einen Spannungseinbruch beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors geschützt.
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In beiden Varianten des Segelbetriebs wird keine kinetische Energie im Fahrzeug rekuperiert. Außerdem müssen während des Segelns Fahrzeugfunktionen durch Motorleerlauf mit Kraftstoffzufuhr oder aufwändige Bordnetzstützungsmaßnahmen sichergestellt werden.
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Als Verbesserungsmaßnahme wird für Fahrzeuge mit Automatikgetriebe vorgeschlagen, im Segelbetrieb durch einen Teilschluss der Wandlerüberbrückungskupplung des Automatikgetriebes den Verbrennungsmotor bei einer einstellbaren Mindestdrehzahl ohne Kraftstoffzufuhr zu schleppen. Durch den regelbaren Teilschluss an der Wandlerüberbrückungkupplung wird ein Schlupf zwischen der Motorwelle und der Antriebswelle bewirkt, so dass der Verbrennungsmotor geschleppt wird, um Nebenaggregate zu treiben. Mit modernen Wandlerüberbrückungskupplungen ist ein schlupfgeregelter Betrieb umsetzbar. Die dabei an der Wandlerüberbrückungskupplung auftretende Verlustleistung durch hohen Schlupf bei gleichzeitig geringer Drehzahl und geringem Drehmomentübertrag liegt im Bereich der Verlustleistungsauslegung moderner, nasser Wandlerüberbrückungskupplungen. Im konventionellen Betrieb einer Wandlerüberbrückungskupplung tritt Verlustleistung jedoch üblicherweise bei einem Betriebspunkt auf, der durch die Übertragung von hohem Drehmoment bei geringem Schlupf gekennzeichnet ist. Die Generierung von Verlustleistung bei unterschiedlichen Betriebspunkten steht weder dem Funktionsprinzip der Wandlerüberbrückungskupplung, noch dem verbreiteten Ölkreislauf-Kühlkonzept entgegen. Lediglich die durch den Segelbetrieb zusätzlich an der Wandlerüberbrückungskupplung generierte Verlustleistung infolge der vermehrten Nutzung muss bei der Auslegung der Kupplung hinsichtlich Haltbarkeit und Langlebigkeit berücksichtigt werden. An der Umsetzung des Segelbetriebs mit einer über eine schlupfgeregelte Wandlerüberbrückungskupplung an den Verbrennungsmotor übertragenen Schleppleistung ist besonders vorteilhaft, dass im Segelbetrieb die Nebenaggregate und der Generator ohne Kraftstoffzufuhr betreibbar sind und das Bordnetz nicht durch über eine gewöhnliche Starterbatterie hinausgehende weitere Energiequellen gestützt werden muss. Aufgrund der Verlustleistung eines Verbrennungsmotors beim Schleppen, die bei steigender Motordrehzahl überproportional ansteigt, ist die Vernichtung an kinetischer Energie des Fahrzeugs für die Reichweite des Segelbetriebs nicht sehr signifikant. Um das Bordnetz zu stützen und Verbraucher zu versorgen, ist eine niedrige Motordrehzahl unterhalb der Motorleerlaufdrehzahl ausreichend. Dadurch wird der positive Effekt erzielt, dass das Fahrzeug bei geringer Verlustleistung über die Wandlerüberbrückungskupplung und geringer Verlustleistung durch das Motorschleppen „weit“ zu segeln vermag, ohne dass zusätzliche, aufwändige Stützmaßnahmen des elektrischen Bordnetzes notwendig sind.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit beschreibt das Ausführungsbeispiel ein Fahrzeug mit Wandlerautomatikgetriebe als automatisiertem Getriebe. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1 Antriebsstrang mit Wandlerüberbrückungskupplung
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2 Schleppverlustleistung eines unbefeuerten Verbrennungsmotors
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Die 1 zeigt den Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem Wandlerautomatikgetriebe (2). Der Verbrennungsmotor weist eine Riemenscheibe für einen kraftschlüssigen Riementrieb (5) auf. Dieser kann als Keilrippenriemen ausgeführt sein. Über den Riementrieb kann der drehende Motor mehrere Aggregate treiben. Hierzu zählen beispielsweise ein Generator (7) und ein Klimakompressor (6). Weitere Zusatzaggregate können in den Riementrieb integriert sein, z.B. eine Wasserpumpe, eine Lenkhilfepumpe oder Lüfter.
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Das Wandlerautmomatikgetriebe verfügt über eine hydraulische Kupplung (8) zwischen einem vom Motor getriebenen Schaufelrad, dem Pumpenrad, und einem anzutreibenden Schaufelrad des Getriebes, dem Turbinenrad. Dem Turbinenrad sind mehrere Sätze von Planetengetrieben nachgeordnet. Mit Lamellenkupplungen (9) und Freiläufen werden einzelne Teile der Planetensätze des Getriebes festgebremst, um einen bestimmten Gang einzulegen. Außerdem umfasst die hydraulische Kupplung einen hydrodynamischen Wandler, der als Drehmomentwandler (8) bezeichnet wird. Der Wandler besteht aus einem im Wesentlichen zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad befindlichen weiteren Schaufelrad, dem Leitrad, das beim Anfahren zu einer verbesserten Kraftübertragung auf das stehende Turbinenrad führt. Der Wandler verfügt über eine schlupfgeregelte Überbrückungskupplung (10), die bei höheren Gängen das Pumpenrad mit dem Turbinenrad zu einer Einheit verbindet, so dass bei geschlossener Wandlerüberbrückungskupplung der Schlupf zwischen diesen beiden Schaufelrädern unterbunden wird, um den Wirkungsgrad des Getriebes zu erhöhen. Vom Getriebe wird die Kraft auf eine Antriebswelle geleitet, die mit dem Getriebe (3) der Hinterachse (4) verbunden ist. Die Schlupfregelung der Überbrückungskupplung kann beispielsweise von einem Getriebesteuergerät als Regelungseinheit (11) ausgeführt werden.
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2 zeigt die Schleppverlustleistung P eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Mit Schleppleistung wird die Leistung bezeichnet, die von außen aufgewendet werden muss, um den Verbrennungsmotor unbefeuert zu drehen. Die Schleppverlustleistung steigt exponentiell mit der Motordrehzahl an, wobei die Schleppverlustleistung dem Zusammenhang P = M·n·1/9549 gehorcht.
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Falls der Fahrer des Fahrzeugs das Gas komplett zurücknimmt, befindet sich das Fahrzeug im Schubbetrieb. Im konventionellen Schubbetrieb wird der Motor geschoben, d. h. bei einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Antriebswelle und der Motorkurbelwelle über das Getriebe wird der Motor gegen seine innere Reibung und Massenträgheit unter Aufwendung der kinetischen Energie des Fahrzeugs gedreht. Da das Fahrzeug dabei abgebremst wird, wird dieses Motorschleppen im Schubbetrieb auch als Motorbremse bezeichnet. Während des Motorschleppens wird zur Kraftstoffeinsparung die Kraftstoffzufuhr unterbrochen. Der unbefeuerte Schleppbetrieb des Motors im Schub ist dem Fachmann als Schubabschaltung bekannt.
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Bei modernen Fahrzeugen kann die Ausgangsleistung des Generators im Schubbetrieb des Fahrzeugs erhöht werden, so dass ein erhöhtes Drehmoment durch den Generator vom Motor abgenommen wird. Dadurch wird die Bremskraft der Motorbremse geringfügig erhöht. Die zusätzlich vom Generator bereitgestellte elektrische Leistung kann zur Ladung eines elektrischen Energiespeichers im Fahrzeug während des Schleppbetriebs genutzt werden. Im Regelfall handelt es sich dabei um eine Bordnetzbatterie in Blei-Säure-Technologie bei einer Nennspannungslage von 12 Volt. Diese als Rekuperation bezeichnete Rückgewinnung kinetischer Energie des Fahrzeugs trägt zur Kraftstoffeinsparung dadurch bei, dass in Zugphasen des Fahrzeugs mit Kraftstoffzufuhr im Mittel geringere Leistungsanforderungen durch den Generator gestellt werden. Das Bordnetz ist zumindest teilweise mit der rekuperierten Energie versorgbar. Der Rekuperationsbetrieb ist in 2 als Bereich A bezeichnet.
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Der Punkt B in 2 beschreibt eine andere Form des Schubbetriebs des Kraftfahrzeugs, die der Kraftstoffeinsparung dienen soll. Dieser Betrieb ist auch als Segelbetrieb bezeichnet und steht dem Funktionsprinzip der Rekuperation entgegen. Beim Segelbetrieb wird der Motor vom restlichen Antriebsstrang getrennt. Dadurch wird der Motor nicht geschleppt, durch die kinetische Energie des Fahrzeugs wird keine Drehung des Motors induziert. Deshalb wird vom Motor auch keine Schleppverlustleistung generiert, die Motorbremse ist unwirksam. Das Fahrzeug erhält somit einen Großteil der kinetischen Energie durch antriebsloses Rollen während der Schubphase. Bei einer sich an die Schubphase anschließenden Zugphase entsteht ein Potential zur Kraftstoffeinsparung, da die in der Schubphase nicht abgebaute kinetische Energie des Fahrzeugs durch Kraftstoffeinsatz nicht erneut aufzubauen ist. Während des Segelbetriebs wird der Verbrennungsmotor im Leerlauf betrieben. Ferner versorgt der Motor über den Riementrieb die Zusatzaggregate. Insbesondere elektrische Verbraucher und das Bordnetz des Fahrzeugs sind über den Generator versorgbar. Je nach Lastanforderung des Generators die Leerlaufdrehzahl des Motors und das Leerlaufdrehmoment geregelt. Üblicherweise ist die Leerlaufdrehzahl in einem Leerlaufdrehzahlband von etwa 500–1000 Umdrehungen pro Minute.
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Ein zusätzliches Potential zur Einsparung von Kraftstoff entsteht, wenn im Segelbetrieb der Verbrennungsmotor im Leerlauf betrieben und abgestellt wird. Dadurch steht der Motor still. In 2 ist dies als Punkt C bezeichnet. Allerdings erfordert der unbefeuerte Segelbetrieb C im Vergleich zum befeuerten Segelbetrieb B zusätzliche Maßnahmen, um die Zusatzaggregate und das Bordnetz des Fahrzeugs mit elektrischer Leistung zu versorgen. Komforteinschränkungen beispielsweise bei der Klimatisierung der Fahrgastzelle oder gar mögliche Funktionseinschränkungen von z.B. sicherheitsrelevanten Fahrwerkssystemen sind nicht hinnehmbar. Deshalb sind bordnetzstabilisierende Maßnahmen erforderlich. Dies kann etwa zur Bordnetzbatterie ein zusätzlich verbauter Energiespeicher sein oder die Integration eines Generators in die Antriebswelle. Außerdem ist ein automatisierter Neustart des Verbrennungsmotors notwendig.
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Sowohl im Segelbetrieb B als auch im Segelbetrieb C ist keine Rekuperation möglich. Denn im befeuerten Segelbetrieb B ist die Batterie lediglich unter Kraftstoffaufwand ladbar, im unbefeuerten Segelbetrieb C verfügt der Generator über kein Eingangsmoment.
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In 2 ist als Bereich D eine weitere Fahrzeugbetriebsvariante beschrieben, die mit dem in 1 beschriebenen Antriebsstrang umsetzbar ist. Dabei bleibt im Schubbetrieb der Motor zunächst kraftschlüssig mit dem restlichen Antriebsstrang verbunden, das heißt vom Getriebe ist ein Gang ausgewählt und eingelegt. Die Überbrückungskupplung wird jedoch geöffnet, so dass das Turbinenrad mit dem Pumpenrad nicht fest verbunden ist. Über den einstellbaren Schlupf der Wandlerüberbrückungskupplung ist das Moment des Turbinenrades teilweise auf das Pumpenrad übertragbar, wobei die Drehzahl des Turbinenrads die Drehzahl des Pumpenrades übersteigt. Somit wird auf den Motor eine geringe Schleppleistung bei einer geringen Drehzahl übertragen. Auf diese Weise kann der Motor unbefeuert geschleppt werden, wobei die Drehzahl durch die Schlupfregelung der Wandlerüberbrückungskupplung als Regelgröße einstellbar ist. Schlupfgeregelte Wandlerüberbrückungskupplungen sind Teil des Standes der Getriebetechnik. Da gemäß 2 bei geringer Drehzahl des Motors die Schleppverlustleistung im Bereich D sehr gering ist, wird die kinetische Energie des Fahrzeugs bei mit niedriger Drehzahl geschlepptem Motor mit geringer Motorbremskraft zum kraftstoffverbrauchsfreien Rollen des Fahrzeugs genutzt. Da dies dem Prinzip eines Segelbetriebs entspricht, kann die vorgestellte Betriebsart deshalb als Segelschleppbetrieb bezeichnet werden.
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Mit dem Segelschleppbetrieb sind zahlreiche Vorteile verbunden: Die Ausnutzung der geringen Motorbremskraft bei niedriger Motordrehzahl beim Schleppen beeinflusst die Effektivität des Segeln nur geringfügig. Da jedoch der Motor ohne Kraftstoffverbrauch dreht, können über den Riementrieb die Zusatzaggregate weiterhin versorgt werden. Aufwändige Maßnahmen zur Stützung der elektrischen Versorgung des Fahrzeugs sind nicht notwendig.
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Ein moderner Fahrzeuggenerator weist je nach Bauart eine maximale Ausgangsleistung von 2–3 kW auf. Bei einem Wirkungsgrad des Generators von 80% ergibt sich eine maximale Leistungsaufnahme von 2,5 bis 3,75 kW. Die maximale Leistungsaufnahme von modernen Klimakompressoren bewegt sich etwa bei 5 kW. Für den beispielhaften Fall, dass während des Segelschleppens der Generator und der Klimakompressor z.B. eine Leistung in der Höhe eines Drittels der maximalen Leistung anfordern, müssen vom geschleppten Motor etwa 3 kW Leistung auf die Zusatzaggregate übertragen werden. Falls der Motor bei 800 Umdrehungen pro Minute geschleppt wird, korreliert dies mit einem Drehmoment von etwa 35 Nm. Bei einem beispielhaft angenommenen Vierzylindermotor mit maximal abgegebener Leistung von 80 kW beträgt bei der Schleppdrehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute die Schleppverlustleistung etwa 1,5 kW. Die gesamte, über die Wandlerüberbrückungskupplung auf den Verbrennungsmotor zu übertragende Schleppleistung bei einer Motordrehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute, wobei der Motor 3 kW Leistung an Nebenaggregate abgibt, beträgt also insgesamt etwa 4,5 kW. Das dem Motor aufzuprägende Drehmoment ergibt sich also gemäß P = M·n·1/9549 zu etwa 50 Nm. Nach dem Stand der Technik werden Wandlerüberbrückungskupplungen für einen Schlupf Δn zwischen Pumpenrad und Turbinenrad bei Nenndrehmoment des Verbrennungsmotors ausgelegt. Dieser beträgt für gängige Modelle im Dauerbetrieb ca. 70 Umdrehungen pro Minute bei einem Nenndrehmoment von ca. 600 Nm. Die über der Wandlerüberbrückungskupplung entstehende und mit einer Ölkühlung als Wärme abzuführende Verlustleistung beträgt gemäß Pv = M·Δn·1/9549 also etwa 4,3 kW. Der maximal bei einer derartig ausgelegten Wandlerüberbrückungskupplung auftretende Schlupf bei dem beispielhaften Drehmoment von 50 Nm des Segelschleppbetriebs beträgt also etwa 820 Umdrehungen pro Minute zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad. Das Turbinenrad weist also – bei der beispielhaften Schleppdrehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute und auf Basis der Auslegung für Dauerbetrieb – maximal etwa 1600 Umdrehungen pro Minute auf. Falls beispielsweise der 5. Gang, der einem Übersetzungsverhältnis von etwa 0,9:1 entspricht, eingelegt ist, rotiert die Hinterachse bei einem Übersetzungsverhältnis des Hinterachsgetriebes von 3:1 mit etwa 600 Umdrehungen pro Minute. Bei einer Reifengröße von 195/50 R15 ergibt sich daraus eine Fahrzeuggeschwindigkeit im Segelschleppbetrieb von etwa 65 km/h. Bei einer höheren Fahrzeuggeschwindigkeit ist entweder eine höhere Drehzahl oder ein höheres Drehmoment auf den geschleppten Motor zu übertragen, um die Verlustleistung über die Wandlerüberbrückungskupplung zu begrenzen. Daraus resultiert ein erhöhter Energieverlust bei erhöhter Drehzahl gemäß 2 oder eine erhöhte Rekuperationsleistung bei einer Erhöhung des Drehmoments im Riementrieb. Diesem höheren Energieverlust kann durch eine Optimierung der Auslegung der Wandlerüberbrückungskupplung auf Kurzzeitbetrieb mit höherem Schlupf begegnet werden. Dies könnte beispielsweise durch eine Erhöhung der Kühlleistung umgesetzt werden.
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Beispielsweise im Kurzstreckenbetrieb kann die Erwärmung des Getriebeöls durch das Segelschleppen jedoch auch vorteilhaft sein. Durch das Segelschleppen kommt es zu einer schnelleren Ölaufheizung, wodurch der Wirkungsgrad des Getriebes über eine Kurzstrecke erhöht wird. Der Segelschleppbetrieb ist dann als Einflussparameter zur Steuerung bzw. Regelung der Getriebeölaufheizung nutzbar.
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Insgesamt vereint der Segelschleppbetrieb den Vorteil des Schleppbetriebs mit Schubabschaltung und Rekuperation mit dem Vorteil des unbefeuerten Segelbetriebs. Einerseits ergibt sich durch die geringe Motordrehzahl eine hohe Segelreichweite, andererseits werden die Nebenaggregate und das Bordnetz über den geschleppten Motor mit mechanischer bzw. elektrischer Leistung versorgt.
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Bezugszeichenliste
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- n
- Motordrehzahl (in 1/min)
- PV
- Schleppverlustleistung (in kW)
- P
- Schleppleistung (in kW)
- M
- Drehmoment (in Nm)
- A
- Schleppbetrieb des unbefeuerten Motors mit Rekuperation
- B
- Segelbetrieb mit geöffneter Kupplung und befeuertem Motorleerlauf
- C
- Segelbetrieb mit geöffneter Kupplung und stillstehendem Motor
- D
- Segelschleppbetrieb über Wandlerüberbrückungskupplung und unbefeuertem Motor
- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Automatikgetriebe
- 3
- Hinterachsgetriebe
- 4
- Hinterachse
- 5
- Riementrieb
- 6
- Klimakompressor
- 7
- Generator
- 8
- Hydraulische Kupplung und Wandler
- 9
- Lamellenschaltkupplungen
- 10
- Wandlerüberbrückungskupplung
- 11
- Regelungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008029453 A1 [0002]
- EP 2269882 A2 [0004]
