DE102020207953A1 - Stromerzeugungs-Vorrichtung und Verfahren zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs - Google Patents

Stromerzeugungs-Vorrichtung und Verfahren zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungs-Vorrichtung und ein Verfahren zur Stromerzeugung zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend einen Kreiskolbenmotor (20) und eine mit dem Kreiskolbenmotor (20) gekoppelte, als Generator betreibbare elektrische Maschine, wobei der Kreiskolbenmotor (20) derart ausgelegt ist, dass er mit einem Dieselkraftstoff in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und/oder abgasoptimiert betreibbar ist

Description

  • ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungs-Vorrichtung und ein Verfahren zur Stromerzeugung zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend einen Verbrennungsmotor und eine mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte, als Generator betreibbare elektrische Maschine.
  • Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit einem zusätzlichen Verbrennungsmotor wird unterschieden zwischen sogenannten parallelen Hybriden, bei welchen der Verbrennungsmotor und die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine beide auf einen Antriebsstrang wirken, und sogenannten seriellen Hybriden, bei welchen ausschließlich die als Elektromotor betriebene Maschine auf den Antriebsstrang wirkt, wohingegen der Verbrennungsmotor ausschließlich zum Laden eines Akkumulators mittels einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine vorgesehen ist. Die Systeme zur Aufladung des Akkumulators in einem seriellen Hybrid werden im Zusammenhang mit der Anmeldung als Stromerzeugungs-Vorrichtungen zur Reichweitenverlängerung bezeichnet.
  • Bei einer derartigen Stromerzeugungs-Vorrichtung dient ein eingesetzter Verbrennungsmotor somit allein dem Zweck, Strom zum Aufladen eines Akkumulators zu produzieren und treibt hierfür eine als Generator betriebene elektrische Maschine an.
  • Aus DE9405824 U1 ist eine Stromerzeugungs-Vorrichtung bekannt, wobei als Verbrennungsmotor ein Dreh- oder Kreiskolbenmotor vorgeschlagen wird, welcher stets mit fest eingestellter, wirkungs- und abgasoptimierter Drehzahl läuft.
  • AUFGABE UND LÖSUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Stromerzeugungs-Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Reichweitenverlängerung, insbesondere für Nutzfahrzeuge, zu schaffen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Stromerzeugungs-Vorrichtung zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend einen Kreiskolbenmotor und eine mit dem Kreiskolbenmotor gekoppelte, als Generator betreibbare elektrische Maschine geschaffen, wobei der Kreiskolbenmotor derart ausgelegt ist, dass er mit einem Dieselkraftstoff in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und/oder abgasoptimiert betreibbar ist.
  • Die Erfindung setzt bewusst auf die Verbrennung von Dieselkraftstoff, kurz Diesel, in einem dafür optimierten Kreiskolbenmotor. Diesel ist nicht nur überall im praktischen Betrieb verfügbar. Diesel ist derzeit als einziger Verbrennungskraftstoff für den Betrieb in geschlossenen Räumen zugelassen und somit für viele Fahrzeugtypen, insbesondere Bau-, Last-, Schwer- und Sonderfahrzeuge, unerlässlich. Da der Kreiskolbenmotor lediglich zum Antrieb einer als Generator betriebenen Maschine zum Zwecke der Stromerzeugung erfolgt, ist ein Betrieb in einem festgelegten Drehzahlbereich möglich.
  • Die Erfindung ermöglicht einen Einsatz von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, insbesondere von elektrisch betriebenen Nutzfahrzeugen, für Anwendungen und auf Routen, bei welchen eine Reichweite des Fahrzeugs auch mit voll aufgeladenem Akkumulator nicht ausreicht. Die Stromerzeugung zur Reichweitenverlängerung ist „on board‟, d.h. bei Verwendung des Fahrzeugs möglich. Nutzungsunterbrechungen aufgrund von Standzeiten an einer Ladesäule können vermieden werden. Ebenso können Probleme aufgrund einer mangelnden Verfügbarkeit von passenden, freien Ladesäulen vermieden werden.
  • Die elektrische Maschine der Stromerzeugungs-Vorrichtung dient in einer Ausgestaltung auch als Startermotor für den Verbrennungsmotor und kann zu diesem Zweck sowohl als Generator als auch als Elektromotor betrieben werden.
  • Ein Antrieb eines zugehörigen Fahrzeugs kann wahlweise eine zentrale als Elektromotor betriebene elektrische Maschine oder mehrere als Elektromotor betreibbare elektrische Maschinen, welche direkt an den Rädern des Fahrzeugs vorgesehen sind, umfassen.
  • In einer Weiterbildung der Stromerzeugungs-Vorrichtung ist der Kreiskolbenmotor für eine Leistungsabgabe zwischen ca. 20 kW und ca. 40 kW optimiert. Dieser Leistungsbereich hat sich als vorteilhaft für eine mobile Stromerzeugung auf einem Nutzfahrzeug erwiesen. In einer Ausgestaltung ist der Kreiskolbenmotor zur Abdeckung unterschiedlicher Leistungsbereiche modular aufgebaut und umfasst ein Gehäuse, eine Exzenterwelle und einen Rotor oder mehrere Rotoren. Die Anzahl der Rotoren und eine entsprechend ausgelegte Exzenterwelle sind je nach Bedarf durch den Fachmann wählbar. Dadurch ist es möglich, Kreiskolbenmotoren mit unterschiedlichen Leistungsbereichen für kleine und große Nutzfahrzeuge mit einem Motordesign abzudecken.
  • In einer Ausgestaltung liegt der der Drehzahlbereich, mit welchem der Kreiskolbenmotor betrieben wird, zwischen ca. 3500 U/min und ca. 5000 U/min, insbesondere zwischen ca. 4000 U/min und ca. 4800 U/min, weiter insbesondere zwischen ca. 4200 U/min und ca. 4400 U/min.
  • In einer Weiterbildung ist für ein automatisches und/oder manuelles Abschalten des Kreiskolbenmotors in Dieselfahrverbotszonen eine Motorsteuerung des Kreiskolbenmotors mit einem Navigations- und/oder Kartensystem und/oder mit einem Bedienschalter im Fahrerbereich des Fahrzeuges kommuniziert. Dadurch wird verhindert, dass der Verbrennungsmotor in Dieselfahrverbotszonen betrieben wird. Sofern ein Abschalten automatisch erfolgt, wird der Nutzer des Fahrzeugs in einer Ausgestaltung auf die erfolgte Abschaltung hingewiesen. Sofern ein Ladezustand des Akkumulators zu diesem Zeitpunkt nicht ausreichend ist, kann der Nutzer aufgefordert werden, die Dieselfahrverbotszone zu verlassen, um eine weitere Aufladung des Akkumulators zu ermöglichen. Das Navigations- und/oder Kartensystem und/oder der Bedienschalter sind je nach Ausgestaltung unmittelbar und/oder mittels einer dazwischen geschalteten Steuerung mit der Motorsteuerung kommuniziert.
  • In einer Ausgestaltung ist eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher eine Temperatur des Kreiskolbenmotors und der elektrischen Maschine überwachbar und einstellbar ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist eine vorausschauende Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen. Bei einem Dieselmotor ist eine Abgaszusammensetzung unter anderem von einer Drehzahl und/oder einer Motorlast abhängig. Da der Kreiskolbenmotor erfindungsgemäß in einem festgelegten Drehzahlbereich betrieben wird, ist eine Abgaszusammensetzung in Abhängigkeit einer Qualität eines eingesetzten Dieselkraftstoffs bekannt oder einmalig erfassbar. Die Abgasnachbehandlung kann dann für die bekannte oder in vorhergehenden Verbrennungsprozessen erfasste Abgaszusammensetzung, eine bekannte oder erfasste Qualität des eingesetzten Kraftstoffs und/oder eine Menge eines eingesetzten Kraftstoffs optimiert durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sind in einer Ausgestaltung Sensoren vorgesehen, welche eine Menge oder Qualität eines Kraftstoffs erfassen. Zur Abgasnachbehandlung ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Zusatzstoff, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung zur Reduktion von Stickoxiden mit einer für die bekannte oder vorhergesagte Abgaszusammensetzung optimierten Menge beigefügt wird.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Stromerzeugung zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mittels eines Kreiskolbenmotors und einer mit dem Kreiskolbenmotor gekoppelten, als Generator betriebenen elektrischen Maschine, geschaffen, wobei der Kreiskolbenmotor mit einem Dieselkraftstoff in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und abgasoptimiert betrieben wird. Wie ausgeführt, setzt die Erfindung bewusst auf die Verwendung eines Dieselkraftstoffs, wobei aufgrund des Betriebs des Kreiskolbenmotors mit in einem festgelegten Drehzahlbereich ein abgasoptimierter Betrieb möglich ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass in Dieselfahrverbotszonen ein automatisches und/oder manuelles Abschalten des Kreiskolbenmotors basierend auf Daten eines Navigations- und/oder Kartensystems und/oder manuell erfolgt. Daten betreffend die Dieselfahrverbotszonen werden dem Navigations- und/oder Kartensystems dabei in einer Ausgestaltung mittels einer separaten Datei zur Verfügung gestellt.
  • Aufgrund des Betriebs des Kreiskolbenmotors in einem festgelegten Drehzahlbereich kann in Kenntnis einer Qualität oder Menge eines Kraftstoffs eine Abgaszusammensetzung vorausgesagt werden. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Abgas des Kreiskolbenmotors mittels einer vorausschauend betriebenen Abgasnachbehandlungseinrichtung nachbehandelt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines mit einem Dieselkraftstoff betreibbaren Kreiskolbenmotors zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, geschaffen, wobei mittels des Kreiskolbenmotors eine damit gekoppelte, als Generator betreibbare elektrische Maschine antreibbar ist, wobei der Kreiskolbenmotor in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und abgasoptimiert betrieben wird. Die Verwendung eines mit Dieselkraftstoff betriebenen Kreiskolbenmotors erlaubt den Betrieb auch in geschlossenen Räumen.
  • Figurenliste
  • Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das nachfolgend anhand der Figur erläutert wird. Dabei zeigt:
    • 1 schematisch ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Stromerzeugungs-Vorrichtung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 zeigt schematisch ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 1 mit einer als Elektromotor betriebenen elektrischen Maschine 10, einem Akkumulator 12 und einer Stromerzeugungs-Vorrichtung 2.
  • Die Stromerzeugungs-Vorrichtung 2 umfasst einen Kreiskolbenmotor 20 sowie eine mit dem Kreiskolbenmotor 20 gekoppelte, als Generator betreibbare elektrische Maschine 22. Weiter sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Steuerung 21, eine Motorsteuerung 24, eine Kühleinrichtung 26, ein Tank 27 für Dieselkraftstoff und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 28 vorgesehen. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass weitere Elemente für einen Betrieb vorgesehen sein können. Die gewählte Darstellung der Elemente dient lediglich der Illustration. Eine tatsächliche Anordnung und Dimensionierung der einzelnen dargestellten Elemente kann durch den Fachmann je nach Anwendungsfall geeignet gewählt werden.
  • Die von der als Generator betreibbaren elektrische Maschine 22.produzierte elektrische Energie lädt den Akkumulator 12 im Fahrzeug 1 auf. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auch die als Elektromotor betriebenen elektrischen Maschine 10 des Fahrzeugs 1 als Generator betreibbar ist, sodass Rekuperationsenergie, beispielsweise aus einem Bremsvorgang des Fahrzeugs 1, zusätzlich in dem Akkumulator 12 rückgespeichert werden kann. Wechselnde Energieflüsse zwischen dem Akkumulator 12 und der elektrischen Maschine 10 des Fahrzeugs 1 werden zu diesem Zweck beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Steuerungselektronik überwacht und können in einer Ausgestaltung an die Motorsteuerung 24 rückgemeldet werden.
  • Die Steuerung 21 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Navigations- und/oder Kartensystem 3 und mit einem im Fahrerbereich des Fahrzeuges 1 angeordneten Bedienschalter 4 kommuniziert, beispielsweise mittels Kabel oder kabellos, insbesondere mittels Funktechnik. Die Steuerung 21 ist weiter mit der Motorsteuerung 24 kommuniziert. Basierend auf den von dem Navigations- und/oder Kartensystem 3 oder dem Bedienschalter 4 empfangenen Signalen ist ein automatisches bzw. manuelles Abschalten des Kreiskolbenmotors 20 beispielsweise in Dieselfahrverbotszonen möglich. Die dargestellte Steuerung 21 ist zu diesem Zweck derart eingerichtet, dass vor oder bei einem Einfahren in die Dieselfahrverbotszone ein Signal an die Motorsteuerung 24 zum Abschalten des Verbrennungsmotors sendbar ist. In anderen Ausgestaltungen kommunizieren das Navigations- und/oder Kartensystem 3 und/oder der Bedienschalter 4 unmittelbar mit der Motorsteuerung 24.
  • Die Kühleinrichtung 26 überwacht und versorgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl den Kreiskolbenmotor 20 als auch die elektrische Maschine 22.
  • Wie in 1 gezeigt, wird die Leistung des als Kreiskolbenmotors 20 gestalteten Verbrennungsmotors ausschließlich für die Erzeugung elektrischer Energie genutzt. Zu diesem Zweck ist der Kreiskolbenmotor 20 mit der elektrischen Maschine 22 vorzugsweise direkt, d.h. ohne dazwischen geschaltetes Getriebe, oder mit einem Getriebe mit einer festen Übersetzungsstufe, verbunden.
  • Der Kreiskolbenmotor 20 wird mit einem Dieselkraftstoff in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und abgasoptimiert betrieben. Aufgrund der festgelegten Betriebsbedingungen ist in Kenntnis oder Messung einer Qualität des eingesetzten Dieselkraftstoffs eine Voraussage über eine Abgaszusammensetzung möglich. Die wird in einer Ausgestaltung in der Abgasnachbehandlung 28 genutzt, sodass Schadstoffe im Abgas nahezu vollständig vermieden werden können.
  • Mittels des Kreiskolbenmotors 20 und der mit dem Kreiskolbenmotor 20 gekoppelten, als Generator betriebenen elektrischen Maschine 22 kann zur Reichweitenverlängerung des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 1 bedarfsweise Strom erzeugt werden. Dabei ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass eine Stromerzeugung grundsätzlich zu jedem Zeitpunkt des Betriebs des Fahrzeugs 1 erfolgt und aufgrund besonderer Umstände automatisch oder manuell unterbrochen wird. Eine Unterbrechung erfolgt beispielsweise wenn das Fahrzeug in eine Dieselfahrverbotszone einfährt und/oder wenn ein Ladezustand der Batterie erreicht ist, ab welchem keine weitere Aufladung erfolgen soll.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 9405824 U1 [0004]

Claims (10)

  1. Stromerzeugungs-Vorrichtung zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1), insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend einen Kreiskolbenmotor (20) und eine mit dem Kreiskolbenmotor (20) gekoppelte, als Generator betreibbare elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiskolbenmotor (20) derart ausgelegt ist, dass er mit einem Dieselkraftstoff in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und/oder abgasoptimiert betreibbar ist.
  2. Stromerzeugungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiskolbenmotor (20) für eine Leistungsabgabe zwischen ca. 20 kW und ca. 40 kW optimiert ist.
  3. Stromerzeugungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlbereich zwischen ca. 3500 U/min und ca. 5000 U/min, insbesondere zwischen ca. 4000 U/min und ca. 4800 U/min, weiter insbesondere zwischen ca. 4200 U/min und ca. 4400 U/min liegt.
  4. Stromerzeugungs-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuerung (24) des Kreiskolbenmotors (20) mit einem Navigations- und/oder Kartensystem (3) und/oder mit einem Bedienschalter (4), welcher in einem Fahrerbereich des Fahrzeuges (1) anordenbar ist, kommuniziert ist, für ein automatisches und/oder manuelles Abschalten des Kreiskolbenmotors (20) in Dieselfahrverbotszonen.
  5. Stromerzeugungs-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (26) vorgesehen ist, mittels welcher eine Temperatur des Kreiskolbenmotors (20) und der elektrischen Maschine überwachbar und einstellbar ist.
  6. Stromerzeugungs-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorausschauende Abgasnachbehandlungseinrichtung (28) vorgesehen ist.
  7. Verfahren zur Stromerzeugung zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mittels eines Kreiskolbenmotors und einer mit dem Kreiskolbenmotor gekoppelten, als Generator betriebenen elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiskolbenmotor mit einem Dieselkraftstoff in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und abgasoptimiert betrieben wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Dieselfahrverbotszonen ein automatisches und/oder manuelles Abschalten des Kreiskolbenmotors basierend auf Daten eines Navigations- und/oder Kartensystems und/oder manuell erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgas des Kreiskolbenmotors (20) mittels einer vorausschauend betriebenen Abgasnachbehandlungseinrichtung (28) nachbehandelt wird.
  10. Verwendung eines mit einem Dieselkraftstoff betreibbaren Kreiskolbenmotors zur Reichweitenverlängerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, wobei mittels des Kreiskolbenmotors eine damit gekoppelte, als Generator betreibbare elektrische Maschine antreibbar ist, wobei der Kreiskolbenmotor in einem festgelegten Drehzahlbereich verbrauchs- und abgasoptimiert betrieben wird.
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