DE10203985A1

DE10203985A1 - Antriebseinheit

Info

Publication number: DE10203985A1
Application number: DE10203985A
Authority: DE
Inventors: Klaus Vogelsang; Kurt Adleff
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit DOLLAR A - mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Kurbelwelle; DOLLAR A - mit einer Abgasleitung; DOLLAR A - eine von der Abgasleitung beaufschlagbare, der Verbrennungskraftmaschine nachgeschaltete Abgasnutzturbine; DOLLAR A gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: DOLLAR A - Die Abgasnutzturbine und Kurbelwelle sind frei von einer mechanischen Kopplung; DOLLAR A - die Abgasnutzturbine ist über ein elektrisches Getriebe mit der Kurbelwelle verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ferner ein Verfahren zur Nutzung der mittels einer Abgasnutzturbine bereitgestellten Energie, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Antriebseinheiten mit Abgasnutzturbinen sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt. Stellvertretend wird auf die Druckschrift DE 195 16 971 verwiesen, welche eine Antriebseinheit mit einer Verbrennungskraftmaschine in Turbocompound- Ausführung beschreibt. Bei dieser Einheit ist eine Abgasnutzturbine vorgesehen, welche dem Turbolader nachgeschaltet ist und welcher im Traktionsbetrieb Abgas aus dem Verbrennungsmotor zugeleitet wird, um die Turbine anzutreiben. Diese steht dabei über eine hydrodynamische Kupplung mit der Kurbelwelle in Drehverbindung. Auf diese Weise ist es möglich, im Abgas noch vorhandene Restenergie auszunutzen. Antriebseinheiten dieser Art haben zwar den Vorteil, daß die im Abgas enthaltene Restwärme, gegebenenfalls nach Durchlaufen eines Abgasturboladers, ausgenutzt wird. Jedoch haben diese den Nachteil, daß zum einen die Restenergie über die schlupfbehaftete hydrodynamische Kupplung übertragen und somit bereits mit Verlusten auf die Kurbelwelle übertragen wird und des weiteren der der Kurbelwelle übertragbare Leistungsanteil nicht frei steuerbar ist und ferner damit auch nicht die Nebenverbraucher optimal mit Leistung versorgt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß die im Abgas enthaltene Restenergie beim Traktionsbetrieb frei verfügbar einsetzbar ist, insbesondere die Nebenverbraucher auch bei diskontinuierlichem Betrieb optimal mit Leistung versorgt werden, unabhängig davon, ob die Abgasnutzturbine Leistung bereitstellt oder nicht.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Antriebseinheit umfaßt eine Verbrennungskraftmaschine, eine Kurbelwelle und eine Abgasnutzturbine, welche gegebenenfalls einem Abgasturbolader nachgeschaltet sein kann. Erfindungsgemäß ist die Abgasnutzturbine frei von einer mechanischen Kopplung mit der Kurbelwelle. Die Abgasnutzturbine ist jedoch über eine elektrische Getriebebaueinheit mit der Kurbelwelle verbunden.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß zum einen unabhängig von der Anordnung der Abgasnutzturbine mit geringem Aufwand lediglich über die elektrische Kopplung eine Verbindung zur Kurbelwelle geschaffen werden kann und des weiteren durch die Möglichkeit des Vorsehens zusätzlicher Mittel die der Kurbelwelle zuführbare Leistung frei gesteuert werden kann und ferner bevorrechtigt immer die Nebenverbraucher genügend mit Leistung versorgt werden können, unabhängig davon, ob von der Abgasnutzturbine Leistung bereitgestellt wird oder nicht.
Die Getriebebaueinheit umfaßt eine, im Traktionsbetrieb wenigstens als Generator betreibbare elektrische Maschine, welche wenigstens mittelbar drehfest mit der Abgasnutzturbine verbunden ist. Ferner ist wenigstens eine im Traktionsbetrieb wenigstens als Motor betreibbare elektrische Maschine vorgesehen, die mit der Kurbelwelle direkt oder über weitere Übertragungsmittel drehfest verbunden ist. Beide elektrischen Maschinen sind über eine elektrische Kopplung, in der Regel ein Leitungssystem, miteinander gekoppelt. Vorzugsweise sind beide elektrischen Maschinen sowohl als Generator als auch als Motor betreibbar. Dies bietet den Vorteil, daß neben einer Energieeinspeisung durch Ausnutzung von Restenergie durch die Abgasnutzturbine in die Kurbelwelle auch bei ungenügender Energiebereitstellung eine Entnahme von Leistung von der Kurbelwelle erfolgen kann, die wiederum anderen elektrischen Verbrauchern zugute kommen kann.
Vorzugsweise sind in der elektrischen Kopplung Mittel vorgesehen, welche die einzelnen, die Leistung bestimmenden Variablen in Abhängigkeit zueinander steuern bzw. beeinflussen können. Dies bietet den Vorteil, daß beispielsweise das an der Kurbelwelle über die als Motor im Traktionsbetrieb betreibbare elektrische Maschine eingeleitete Drehmoment durch Änderung der Stromstärke frei gesteuert werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel vorgesehen, welche Energie bzw. elektrische Leistung aus der elektrischen Kopplung entnehmen können, so daß die von der im Traktionsbetrieb als Generator betreibbaren elektrischen Maschine bereitgestellte elektrische Leistung in einen ersten für andere elektrische Verbraucher, die nicht mit der Kurbelwelle gekoppelt sind, bereitgestellten Leistungsanteil und einen zweiten, für die Kurbelwelle bereitgestellten Leistungsanteil aufgeteilt werden kann. Vorzugsweise ist die Größe der einzelnen Leistungsanteile steuerbar oder auch regelbar. Dies bietet den Vorteil, daß beispielsweise Schwankungen in der Versorgung von bestimmten elektrischen Verbrauchern vermieden werden können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird die zur Rückspeisung vorgesehene Energie einer der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Kühleinrichtung zugeführt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Ventilator oder einen Kompressor handeln, der drehfest mit der Kurbelwelle gekoppelt ist. In diesem Fall erfolgt die Versorgung über die elektrische Kopplung zwischen Abgasnutzturbine und Kurbelwelle. Im anderen Fall kann die Kühleinrichtung elektrisch betrieben werden, was durch Entnahme von elektrischer Leistung aus der elektrischen Kopplung erfolgen kann. Beide Möglichkeiten sind gleichberechtigt denkbar. Während im ersten Fall die gesamte von der Abgasnutzturbine bereitgestellte Leistung unter Berücksichtigung der Verlustleistung bei Nichtabgriff von Leistung durch andere Verbraucher der Kurbelwelle zur Verfügung gestellt wird, kann im zweiten Fall der der Kurbelwelle zur Verfügung gestellte Leistungsanteil auf Null zurückgefahren werden. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Gesamtleistung aus der elektrischen Kopplung entnommen wird und dem Kühlsystem und evt. anderen Verbrauchern zugeführt wird. Die Ausnutzung der Restenergie, d. h. von der Abgasnutzturbine bereitgestellten Restleistung für das Kühlsystem, bietet den Vorteil, daß ohne zusätzliche Maßnahmen die Größe des bereitstellbaren Leistungsanteiles proportional zur Belastung der Verbrennungskraftmaschine ist, da die maximale Energie der Abgasnutzturbine auch bei maximaler Belastung der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung steht. Aufgrund dieser direkten Proportionalität kann immer ein adäquater Kühlanteil bereitgestellt werden. Es ist jedoch auch denkbar, diesen Anteil innerhalb der theoretisch möglichen Grenzen zu steuern. Das gesamte Kühlsystem kann mittels dieser Lösung optimiert werden und hinsichtlich seiner Größe auch minimiert.
Bezüglich der konkreten Ausgestaltung der elektrischen Getriebebaueinheit bestehen keine Restriktionen. Dabei kann jede Art elektrischer Maschinen zum Einsatz gelangen. Entsprechend der Wahl der elektrischen Maschine wird auch die elektrische Kopplung gestaltet. Werden beispielsweise für beide als Generator und Motor betreibbaren elektrischen Maschinen Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung verwendet, wird die elektrische Kopplung einen Gleichspannungszwischenkreis enthalten. Zur Steuerung der einzelnen elektrischen Maschinen sind Wechselrichter vorgesehen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenfalls denkbar und finden entsprechend den Erfordernissen des Einsatzfalles Verwendung.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung anhand eines Ausschnittes aus einer Antriebseinheit den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit;
Fig. 2a und 2b verdeutlichen anhand von Signalflußbildern die zwei möglichen Grenzustände bezüglich der Restenergiebereitstellung durch die Abgasnutzturbine;
Fig. 3a bis 3c verdeutlichen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit Ausnutzung der über die Abgasnutzturbine bereitgestellten Restenergie für die Kühleinrichtung;
Fig. 4 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eine Steuervorrichtung zur Steuerung der einzelnen Leistungsanteile;
Fig. 5 verdeutlicht in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Getriebebaueinheit.
Die Fig. 1 verdeutlicht anhand eines Ausschnittes aus einer Antriebseinheit 1 den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Lösung zur Nutzung der Energie einer Abgasnutzturbine 2. Die Antriebseinheit umfaßt eine Verbrennungskraftmaschine 3, umfassend eine Kurbelwelle 4. Die Abgasnutzturbine 2 ist erfindungsgemäß über eine elektrische Getriebebaueinheit 5 mit der Kurbelwelle 4 verbunden. Die Abgasnutzturbine 2 wird vom Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine 3 beaufschlagt. Diese ist nicht Bestandteil eines Abgasturboladers, sondern ist diesem nachgeschaltet. Die Beaufschlagung erfolgt über wenigstens eine Abgasleitung 27. Die elektrische Getriebebaueinheit 5 umfaßt wenigstens eine als Generator betreibbare elektrische Maschine 6 und eine wenigstens als Motor betreibbare elektrische Maschine 7. Beide sind elektrisch miteinander gekoppelt, diese Kopplung ist mit 8 bezeichnet. Entsprechend der Ausgestaltung der elektrischen Maschine 6 und 7 als Gleichstrom- oder Wechselstrommaschine erfolgt die elektrische Kopplung 8. Dabei ist die als Generator betreibbare elektrische Maschine 6 mit ihrer Antriebswelle 9 wenigstens mittelbar, d. h. direkt, oder über weitere Übertragungselemente, d. h. indirekt, mit der Abgasnutzturbine 2 verbunden. Die als Motor betreibbare elektrische Maschine 7 ist mit ihrer Abtriebswelle 10 wenigstens mittelbar drehfest, d. h. direkt oder indirekt, über weitere Übertragungselemente, beispielsweise wie dargestellt in Form eines Stirnradsatzes 11, mit der Kurbelwelle 4 verbunden. Die Abgasnutzturbine 2 ist frei von einer mechanischen Kopplung mit der Kurbelwelle.
Vorzugsweise sind beide elektrischen Maschinen, die elektrische Maschine 6 und die elektrische Maschine 7, jeweils sowohl als Generator als auch als Motor betreibbar. Dies bietet den Vorteil, daß bei mangelhafter Energieversorgung, d. h. Leistungsbereitstellung über die Abgasnutzturbine 2, die Energie direkt von der Kurbelwelle abgenommen werden kann. Dies bedeutet, daß die elektrische Maschine 7 als Generator betreibbar ist und die dabei gewonnene elektrische Leistung entweder der elektrischen Maschine 6 oder einem anderen Energieverbraucher zur Verfügung gestellt werden kann. Im anderen Fall, d. h. wenn von Seiten der Abgasnutzturbine 2 eine hohe mechanische Leistung zur Verfügung gestellt werden kann, welche über die als Generator betreibbare elektrische Maschine 6 in elektrische Leistung umgewandelt wird, kann wenigstens ein Teil dieser elektrischen Leistung, der nicht für andere Energieverbraucher erforderlich ist, der als Motor betreibbaren elektrischen Maschine 7 zugeführt werden und damit der Kurbelwelle und damit den mit dieser gekoppelten Verbraucher, insbesondere Nebenaggregate, die mechanisch mit der Kurbelwelle 4 verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Lösung ist somit frei von einer direkten mechanischen Rückspeisung überschüssiger von der Abgasnutzturbine 2 bereitgestellter Energie zur Kurbelwelle 4. Die Rückspeisung erfolgt rein elektrisch. Zu diesem Zweck ist die Abgasnutzturbine 2 nicht auf der Kurbelwelle 4, sondern beispielsweise einer parallel oder in einem Winkel zu dieser angeordneten Welle 12 gelagert. Bezüglich der Lagerung der Abgasnutzturbine 2, insbesondere deren Anordnung gegenüber der Kurbelwelle 4, bestehen aufgrund der verwendeten elektrischen Kopplung 8 keine Restriktionen. Beide Wellen können dabei parallel oder in einem Winkel zueinander angeordnet sein. Ebenfalls spielt die räumliche Entfernung keine Rolle, da hier keine mechanische Übertragungselemente zur Überbrückung größerer Zwischenräume erforderlich sind.
Alternativ oder zusätzlich kann die von den Nebenaggregaten oder Verbrauchern nicht benötigte Energie in einer Energiespeichereinheit 28 zwischengespeichert werden. Diese ist zu diesem Zweck wenigstens mittelbar mit der elektrischen Kopplung 8 gekoppelt.
Die Fig. 2a und 2b verdeutlichen anhand jeweils eines Signalflußbildes das Grundprinzip der elektrischen Rückspeisung und Möglichkeit der Abnahme elektrischer Energie für elektrische Verbraucher oder mechanisch an die Kurbelwelle gekoppelten Verbraucher.
Die Fig. 2a verdeutlicht dabei den Zustand, bei welchem über die Abgasnutzturbine 2 mechanische Leistung P_mech bereitgestellt wird. Diese ist > 0 und ³ als P_elektr.V. Unter Berücksichtigung der bei der Umwandlung und Übertragung entstehenden Verluste wird die mechanische Leistung P_mech in elektrische Leistung P_elektr. an der als Generator betreibbaren elektrischen Maschine 6 umgewandelt. Über die elektrische Kopplung 8 mit der elektrischen Maschine 7, welche als Motor betreibbar ist, kann dabei elektrische Leistung der elektrischen Maschine 7 zugeführt werden, was wiederum zur Einspeisung in die Kurbelwelle 4 führt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, von der elektrischen Kopplung 8 elektrische Energie zum Antrieb von elektrischen Verbrauchern, beispielsweise auch zur Speisung eines Bordnetzes, zu entnehmen. Beide Lösungen können dabei separat oder aber in Kombination miteinander zum Einsatz gelangen. Bezüglich der Größe der entsprechenden elektrischen Leistungsanteile bestehen somit eine Vielzahl von Möglichkeiten. Beispielsweise kann im ersten Fall die gesamte elektrische Leistung der als Motor betreibbaren elektrischen Maschine 7 zugeführt werden. In diesem Fall beträgt P_elektr.7 = P_{elektr.-gesamt}. Im zweiten Grenzfall kann die gesamte, vom Generator 6 umgewandelte elektrische Leistung über die elektrische Kopplung 8 anderen elektrischen Verbrauchern zugeführt werden. In diesem Fall beträgt die Leistung P_elektr.V = P_{elektr.-gesamt}. Im dritten Fall, d. h. bei Aufteilung der gesamt zur Verfügung gestellten elektrischen Leistung P_{elektr.-gesamt} in zwei Leistungsanteile P₁ und P₂, wird die der Kurbelwelle zugeführte elektrische Leistung P_elektr.7 von einem ersten Leistungsanteil P₁ gebildet, während der zweite Leistungsanteil P_elektr.V den zweiten Leistungsanteil P₂ bildet. Die Summe aus beiden unter Berücksichtigung der Verlustleistungen P_V bildet die insgesamt über die Abgasnutzturbine 2 mögliche bereitgestellte Leistung. Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung können dabei die einzelnen Leistungsanteile P_elektr.7 und P_elektr.Vauch entsprechend bestimmten Einsatzerfordernissen gesteuert werden. Ein Beispiel wird nachfolgend in Fig. 3 erläutert.
Die in der Fig. 2a dargestellte Lösung geht davon aus, daß die Verbraucher aus der elektrischen Kopplung 8 gespeist werden. Bei Anordnung der Verbraucher in Triebverbindung mit der Kurbelwelle 4 ist der von diesen geforderte Leistungsanteil Bestandteil der mittels der elektrischen Maschine 7 aus der Kopplung 8 entnommenen und umgewandelten mechanischen Leistung. In diesem Fall muß die von der Abgasnutzturbine 2 bereitgestellte Leistung P_mech2 ³(P_elektr.V + P_mech.V) sein.
Die Fig. 2b verdeutlicht anhand eines Signalflußbildes den Zustand mangelhafter Energieversorgung durch die Abgasnutzturbine 2. In diesem Fall ist die bereitgestellte Leistung P_mech2 < P_elektr.V£ 0. Dies bedeutet, daß vom Generator 6 keine elektrische Leistung bereitgestellt werden kann. P_{elektr.-gesamt} = 0. In diesem Fall besteht jedoch die Möglichkeit, Leistung von der Kurbelwelle 4 zu entnehmen und in die elektrische Kopplung 8 einzuspeisen. Dies kann gesteuert durch Zuschaltung und Abschaltung oder Kopplung oder Entkoppelung der als Motor und Generator betreibbaren elektrischen Maschine 7 erfolgen. Wird diese zugeschaltet bzw. ist diese mit der Kurbelwelle 4 oder einem anderen Teil des Antriebsstranges gekoppelt kann hier die der elektrischen Maschine 7 zuführbare Leistung P_mech7 in elektrische Leistung umgewandelt werden und in die Kopplung 8 eingespeist werden. Dies bedeutet, daß vom Antriebsstrang bzw. der Kurbelwelle Leistung entnehmbar sein muß, d. h. P_mech4> 0. Die Gesamtleistung P_{elektr.-gesamt} kann hier entweder vollständig der in diesem Fall auch als Motor betreibbaren elektrischen Maschine 6 zugeführt werden. In diesem Fall ist P_elektr.6 gleich P_{elektr.-gesamt}. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, alternativ oder zusätzlich elektrische Verbraucher mit der elektrischen Leistung zu versorgen. Die elektrische Gesamtleistung P_{elektr.-gesamt} wird in P_elektr.6 und P_elektr.V aufgeteilt, wobei die Summe immer P_{elektr.-gesamt} unter Berücksichtigung der Verlustleistung bildet. Dabei kann einer der beiden Summanden auch Null betragen. Auch hier hängt die konkrete Auswahl der gewünschten Strategie von den konkreten Einsatzerfordernissen ab.
Fig. 3a-3d verdeutlicht eine besonders bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung der elektrischen Rückspeisung von Energie von einer Abgasnutzturbine 2 zum Zweck einer optimierten Kühlung der Verbrennungskraftmaschine. Zu diesem Zweck wird die über die Abgasnutzturbine bereitgestellte mechanische Leistung P_mech2 in elektrische Leistung an Generator P_elektr.6 umgewandelt. Diese Leistung wird dabei vollständig einem Kühlventilator oder Kompressor zugeführt. Dieser ist mit 13 bezeichnet. Der Kühlventilator kann dabei rein elektrisch aus der Kopplung 8 gespeist werden.
Diese Lösung ist in Fig. 3a dargestellt. Der Kühlventilator 13 ist in diesem Fall frei von einer mechanischen Kopplung mit der Kurbelwelle 4 oder dem Generator 6. Fig. 3b verdeutlicht demgegenüber eine Ausführung, bei welcher der Kühlventilator 13 auf der Kurbelwelle 4 gelagert ist. In diesem Fall wird die gesamte elektrische Leistung 6 von der Abgasnutzturbine 2 bei Nichtvorhandensein weiterer Verbraucher der elektrischen Maschine 7 zugeführt und in die Kurbelwelle 4 eingespeist, welche wiederum zum Antrieb des Kühlventilator 13 genutzt werden kann, der drehfest mit der Kurbelwelle 4 gekoppelt ist oder aber über eine Drehzahl- /Drehmomentenwandlungseinrichtung, wie in der Fig. 3c dargestellt, mit der Kurbelwelle gekoppelt ist. Um eine optimierte Kühlung zu erzielen, wird vorzugsweise die gesamte, über die Abgasnutzturbine 2 zur Verfügung stehende Leistung P_mech2 der Kühleinrichtung 13 zugeführt. Dabei wird die direkte Proportionalität zwischen der maximalen Belastung der Verbrennungskraftmaschine 3 und der maximalen Energiebereitstellung der Abgasnutzturbine 2 ausgenutzt. Die über den Kühlventilator 13 bereitgestellte Energie kann dabei zur Optimierung des der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Motorkühlsystems 14 genutzt werden. Neben einer Optimierung kann auch eine Minimierung bezüglich der Anzahl und Größe der Verbindungsleitungen und der einzelnen Kühlaggregate erzielt werden.
Fig. 3d verdeutlicht eine mögliche alternative Anbindung der Nebenverbraucher, insbesondere des Kühlventilators 13. Dieser ist in diesem Fall mechanisch mit der Kopplung zwischen Abgasnutzturbine 2 und der als Generator betreibbaren elektrischen Maschine 6 verbunden. Vorzugsweise erfolgt die Kopplung direkt mit der Antriebswelle 9 des Generators 6.
Die in den Fig. 3a bis 3d dargestellten Anbindungsmöglichkeiten des Nebenverbrauchers, hier speziell eines Kühlventilators 13 dienen zur Verdeutlichung der funktionalen Kopplungsmöglchkeiten. Bezüglich der konkreten räumlichen Anordnung der oder des Nebenverbrauchers bestehen jedoch keine Restriktionen, außer der erforderliche Bauraum.
Die Fig. 4 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eine Möglichkeit der Steuerung der Aufteilung der von der Abgasnutzturbine 2 bereitgestellten Leistung. Dazu ist eine Steuervorrichtung 15 vorgesehen, welche wenigstens eine Steuereinrichtung 16 in Form eines Steuergerätes umfaßt. Entsprechend den Einsatzerfordernissen werden von dieser eine Vielzahl von Eingangsgrößen verarbeitet, die beispielsweise den aktuellen Ist-Zustand der Betriebsweise elektrischer Verbraucher, die über die Abgasnutzturbine 2 gespeist werden können, beschreiben. Stellvertretend ist dazu ein Eingang 17 dargestellt. Die einzelnen Größen werden vorzugsweise über eine serielle Schnittstelle, hier den Eingang 17, dem Steuergerät zugeführt. Eine parallele Datenübertragung ist ebenfalls möglich. Ferner wird wenigstens eine, die über die Abgasnutzturbine 2 bereitgestellte Leistung charakterisierende Größe dem Steuergerät 16 zugeführt. Dies kann ebenfalls über den Eingang 17 erfolgen oder hier beispielsweise über einen Eingang 18. In Abhängigkeit von den am Eingang 17 anliegenden Eingangsgrößen erfolgt dann eine Leistungsaufteilung auf die Kurbelwelle 4, d. h. die als Motor betreibbare elektrische Maschine 7 und beispielsweise an die elektrische Kopplung 8 gekoppelte weitere Verbraucher, hier 18. Entsprechend der Aufteilung erfolgt eine Ansteuerung der elektrischen Maschine 7. Dazu wird eine Stellgröße y an wenigstens einem Ausgang 19 ausgegeben, welche mit der elektrischen Maschine 7, insbesondere wenigstens einem Stellglied, gekoppelt ist. Durch Steuerung der Leistungsaufnahme an der elektrischen Maschine 7 wird indirekt der theoretisch möglich entnehmbare Leistungsanteil durch die Verbraucher festgelegt. Im Falle einer gewünschten zusätzlichen Speicherung von elektrischer Leistung oder beispielsweise bei bevorzugter Versorgung der Nebenverbraucher wird über die über diese gewünschte oder erforderliche Leistungsentnahme die der der Kurbelwelle 4 zuführbare Leistungsanteil bestimmt. Die Kopplung zwischen den weiteren Verbrauchern 18 und der elektrischen Kopplung 8 wird über eine Stelleinrichtung 20 angesteuert, welche mit dem Ausgang 21 verbunden ist.
Bei der Steuereinheit 16 kann es sich dabei um eine separate Steuerung, die Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 3 oder eine Fahrsteuerung bei Integration im Fahrzeug handeln.
Die Fig. 5 verdeutlicht stellvertretend eine Möglichkeit der Steuerung der einzelnen, die elektrische Leistung bestimmenden Variablen anhand einer schematisch stark vereinfachten Darstellung einer elektrischen Getriebebaueinheit 5, umfassend zwei Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung 22 und 23, welche die elektrische Maschine 6 und die elektrische Maschine 7 bilden. Die elektrische Kopplung erfolgt hier über einen Gleichspannungszwischenkreis 24. Zur Steuerung der einzelnen leistungsbestimmenden Variablen sind hier Wechselrichtereinheiten 25 und 26 vorgesehen. Die Fig. 5 verdeutlicht dabei lediglich eine mögliche Ausführung für die elektrische Getriebebaueinheit 5. Andere Ausführungen sind ebenfalls denkbar. Diese hängen dabei insbesondere von der Art der verwendeten elektrischen Maschine und des verwendeten Stromnetzes - Gleichstrom oder Wechselstrom - ab. Bezugszeichenliste 1 Antriebseinheit
2 Abgasnutzturbine
3 Verbrennungskraftmaschine
4 Kurbelwelle
5 elektrische Getriebebaueinheit
6 als Generator betreibbare elektrische Maschine
7 als Motor betreibbare elektrische Maschine
8 elektrische Kopplung
9 Antriebswelle des Generators
10 Abtriebswelle des Motors
11 Stirnradsatz
12 Welle
13 Kühleinrichtung, Ventilator
14 Motorkühlkreislauf
15 Steuervorrichtung
16 Steuereinheit
17 Eingang
18 Verbraucher
19 Ausgang
20 Stelleinrichtung
21 Ausgang
22 Synchronmaschine mit transversaler Flußführung
23 Synchronmaschine mit transversaler Flußführung
24 Gleichspannungskreis
25 Wechselrichter
26 Wechselrichter
27 Abgasleitung
28 Energiespeicher
P_mech2 von der Abgasnutzturbine bereitgestellte mechanische Leistung
P_elektr.6 vom Generator erzeugte elektrische Leistung
P_elektr.7 der elektrischen Maschine 7 zugeführte elektrische Leistung
P_{elektr.-gesamt} von der elektrischen Kopplung 8 bereitgestellte elektrische Gesamtleistung
P_elektr.V von elektrischen Verbrauchern erforderliche elektrische Leistung
P₁ erster Leistungsanteil
P₂ zweiter Leistungsanteil
P_V Verlustleistung

Claims

1. Antriebseinheit (1)

1. 1.1 mit einer Verbrennungskraftmaschine (3) und einer Kurbelwelle (4);

2. 1.2 mit einer Abgasleitung (27);

3. 1.3 eine von der Abgasleitung (27) beaufschlagbare, der Verbrennungskraftmaschine (3) nachgeschaltete Abgasnutzturbine (2); gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

4. 1.4 die Abgasnutzturbine (2) und Kurbelwelle (4) sind frei von einer mechanischen Kopplung;

5. 1.5 die Abgasnutzturbine (2) ist über ein elektrisches Getriebe (5) mit der Kurbelwelle (4) verbunden.

2. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 2.1 das elektrische Getriebe (5) umfaßt eine, wenigstens mittelbar drehfest mit der Abgasnutzturbine (2) machanisch verbundene und wenigstens als Generator betreibbare elektrische Maschine (6);

2. 2.2 das elektrische Getriebe (5) umfaßt eine, wenigstens mittelbar mit der Kurbelwelle (4) drehfest verbundene und wenigstens als Motor betreibbare elektrische Maschine (7);

3. 2.3 die als Generator betreibbare elektrische Maschine (6) und die als Motor betreibbare elektrische Maschine (7) sind elektrisch miteinander gekoppelt.

3. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens als Generator betreibbare elektrische Maschine (6) auch als Motor betreibbar ist.

4. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Kurbelwelle (4) drehfest verbundene und wenigstens als Motor betreibbare elektrische Maschine (7) auch als Generator betreibbar ist.

5. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrischen Kopplung (8) Mittel zur Steuerung der von der als Generator betreibbaren elektrischen Maschine (6) aufnehmbaren mechanischen und/oder bei Betrieb als Motor elektrischen Leistung zugeordnet sind.

6. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrischen Kopplung (8) Mittel zur Steuerung der von der als Motor betreibbaren elektrischen Maschine (7) aufnehmbaren elektrischen und/oder bei Betrieb als Motor mechanichen Leistung zugeordnet sind.

7. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasnutzturbine (2) auf einer Welle parallel zur Kurbelwelle (4) gelagert ist.

8. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasnutzturbine (2) auf einer Welle im Winkel zur Kurbelwelle (4) gelagert ist.

9. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kopplung (8) elektrisch mit wenigstens einem Verbraucher, insbesondere Nebenaggregat (13, 18) gekoppelt ist.

10. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kurbelwelle (4) Nebenaggregate (13, 18) direkt oder über mechanische Übertragungselemente drehfest gekoppelt sind.

11. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit der mechanischen Kopplung zwischen Abgasnutzturbine (2) und der wenigstens als Generator betreibbaren elektrischen Maschine (6) wenigstens ein Nebenaggregat (13, 18) gekoppelt ist.

12. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kopplung (8) mit wenigstens einem Energiespeicher (28) verbunden ist.

13. Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 13.1 mit einer Steuervorrichtung (15), umfassend wenigstens eine Steuereinheit (16);

2. 13.2 wenigstens ein Eingang der Steuereinheit (16) ist mit einer Einrichtung zur Erfassung wenigstens einer, die Betriebsweise der Abgasnutzturbine (2) wenigstens mittelbar beschreibenden Größe gekoppelt;

3. 13.2 die Steuereinheit (16) weist wenigstens einen Ausgang zur Kopplung mit wenigstens einer der nachfolgenden Stelleineinrichtungen auf:

1. 13.2.1 einer Stelleinrichtung zur Einstellung der von wenigstens einem Nebenaggregat oder Verbraucher aufnehmbaren Leistung;

2. 13.2.2 einer Stelleinrichtung zur Einstellung der von einer als Motor betreibbaren elektrischen Maschine (6, 7) aufnehmbaren elektrischen Leistung.

14. Verfahren zur Nutzung von mittels einer Abgasnutzturbine (2) bereitgestellter Energie in einer Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

1. 14.1 bei welchem bei einer von der Abgasnutzturbine (2) bereitstellbaren mechanischen Leistung von größer Null, wenigstens ein Teil der über die Abgasnutzturbine (2) bereitgestellten mechanischen Leistung diese unter Berücksichtigung der Verlustleistung in elektrische Leistung umgewandelt wird;

2. 14.2 bei welchem die umgewandelte elektrische Leistung P_{elektr.-gesamt} unter Berücksichtigung der Verlustleistunganteile in einen ersten und einen zweiten Leistunganteil unterteilbar ist, wobei

1. 14.2.1 der erste Leistungsanteil zur Erzeugung eines positiven Drehmomentes an der Kurbelwelle (4) im Traktionsbetrieb dieser zuführbar ist und

2. 14.2.2 der zweite Leistungsanteil wenigstens teilweise zum Antrieb von elektrischen Verbrauchern oder Nebenaggregaten nutzbar ist mit

3. 14.2.3 0_erster Leistungsanteil_P_{elektr.-gesamt} 0_zweiter Leistungsanteil_P_{elektr.-gesamt}.

15. Verfahren zur Nutzung von mittels einer Abgasnutzturbine (2) bereitgestellter Energie in einer Antriebseinheit (1) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

1. 15.1 bei welchem bei einer von der Abgasnutzturbine (2) bereitstellbaren mechanischen Leistung von Null, die erforderliche Leistung für die Nebenverbraucher (13, 18) von der Kurbelwelle (4) abgenommen wird und mittels der wenigstens als Motor betreibbaren elektrischen Machine (7), welche in diesem Funktionszustand als Generator betreibbar ist, in elektrische Leistung umgewandelt wird;

2. 15.2 bei welchem die umgewandelte elektrische Leistung P_{elektr.-gesamt} unter Berücksichtigung der Verlustleistunganteile in einen ersten und einen zweiten Leistunganteil unterteilbar ist, wobei

1. 15.2.1 der erste Leistungsanteil zur Erzeugung eines positiven Drehmomentes an der Antriebswelle (9) der als Generator betreibbaren elektrische Maschine (6) dieser zuführbar ist und

2. 15.2.2 der zweite Leistungsanteil wenigstens teilweise zum Antrieb von elektrischen Verbrauchern oder Nebenaggregaten nutzbar ist mit
0_erster Leistungsanteil_P_{elektr.-gesamt}
0_zweiter Leistungsanteil_P_{elektr.-gesamt}.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Leistungsanteil steuerbar ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Leistungsanteil regelbar ist.