DE112010002535B4 - MOTOR VEHICLE WITH AN INTERNAL ENGINE AND AN ELECTRIC MOTOR - Google Patents

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Abstract

Antriebseinheit insbesondere für ein Kraftfahrzeug umfassend- eine Brennkraftmaschine (2.1) mit wenigstens zwei Brennräumen (V) in Verbrennungszylindern (2.2), in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen (V) beweglich gelagerte Kolben (Z) eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben (Z) eine Abtriebswelle (2.4) (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei ein erster elektromechanischer Energiewandler (G) mechanisch an die Abtriebswelle (2.4) der Brennkraftmaschine (2.1) gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie (B) austauscht, und wobei ein weiterer elektromechanischer Energiewandler (M/G) mechanisch mit wenigstens einer Radwelle (4) des Kraftfahrzeugs (1) gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit (B) für elektrische Energie austauscht, wobei- die Brennkraftmaschine (2.1) wenigstens zwei nach einem Viertakt-Verfahren betriebene Brennräume (V) sowie einen auf dieselbe Abtriebswelle wirkenden Expansionszylinder (2.3) aufweist, in dem aus den Brennräumen (V) ausgeschobenes Abgasgemisch nachentspannt wird, wobei- den Brennräumen (V) ein weiterer Arbeitsraum in Form des Expansionszylinders (2.3) zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen (V) ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (2.4) entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass (20, 6.1) übergeführt wird, und wobei- Massenkräfte zweiter Ordnung durch eine über ein festes Getriebe an die Abtriebswelle (2.4) gekoppelte Ausgleichswelle mit Ausgleichsmassen ausgeglichen werden, die mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegt ist.Drive unit, in particular for a motor vehicle, comprising an internal combustion engine (2.1) with at least two combustion chambers (V) in combustion cylinders (2.2), in each of which a fuel-air mixture (starting mixture) is chemically exothermically converted at a time interval in such a way that an exhaust gas mixture is generated with increased latent heat and pressure compared to the starting mixture, with the exhaust gas mixture exerting a compressive force on the pistons (Z) movably mounted in the combustion chambers (V) in such a way that, with the aid of the pistons (Z), an output shaft (2.4) (crankshaft ) is rotated, with a first electromechanical energy converter (G) being mechanically coupled to the output shaft (2.4) of the internal combustion engine (2.1) and exchanging electrical energy with a storage unit for electrical energy (B), and with a further electromechanical energy converter (M / G) is mechanically coupled to at least one wheel shaft (4) of the motor vehicle (1) and likewise everything exchanges electrical energy with the storage unit (B) for electrical energy, the internal combustion engine (2.1) having at least two combustion chambers (V) operated according to a four-stroke process and an expansion cylinder (2.3) acting on the same output shaft, in which from the combustion chambers (V) the exhaust gas mixture pushed out is post-expanded, with the combustion chambers (V) being assigned a further working chamber in the form of the expansion cylinder (2.3), in which the exhaust gas mixture pushed out of the combustion chambers (V) is expanded while delivering mechanical power to the output shaft (2.4). and is subsequently transferred to an exhaust gas outlet (20, 6.1), and second-order inertia forces are balanced by a balancing shaft with balancing masses which is coupled to the output shaft (2.4) via a fixed gear and which is moved at twice the crankshaft speed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine sowie wenigstens einem elektromechanischen Energiewandler, die im Zusammenwirken zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden, wobei die Brennkraftmaschine beim Betrieb des Kraftfahrzeuges die überwiegende Zeit in einem besonders effizienten Betriebsbereich genutzt wird oder ausgeschaltet ist.The invention relates to a motor vehicle with an internal combustion engine and at least one electromechanical energy converter, which are used together to propel the motor vehicle, with the internal combustion engine being used most of the time in a particularly efficient operating range or switched off when the motor vehicle is in operation.

Stand der TechnikState of the art

Nach heutigem Stand sind verschiedene Systeme für Kraftfahrzeuge mit Antriebssystemen am Markt vorgestellt, bei denen wenigstens eine Brennkraftmaschine sowie mindestens ein Elektromotor zum Antrieb des jeweiligen Kraftfahrzeuges verwendet werden (so genannte Hybridfahrzeuge). Im speziellen ist ein Hybridsystem mit serieller Anordnung von Brennkraftmaschine und Elektromotor(en) vorgesehen. Dessen Vorteil liegt in der um ca. 25 % effizienteren Umsetzung einer der Brennkraftmaschine zugeführten Energiemenge eines flüssigen Kraftstoffs - verglichen mit einem individuellen Betrieb der Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prozess.According to the current status, various systems for motor vehicles with drive systems are available on the market in which at least one internal combustion engine and at least one electric motor are used to drive the respective motor vehicle (so-called hybrid vehicles). In particular, a hybrid system with a serial arrangement of the internal combustion engine and electric motor(s) is provided. The advantage of this lies in the approximately 25% more efficient conversion of an amount of energy from a liquid fuel supplied to the internal combustion engine—compared to individual operation of the internal combustion engine using the Otto cycle.

Weiters sind nach Stand der Technik eine Verbrennungskraftmaschine nach Patent Nr. DE 879 183 B sowie eine Brennkraftmaschine nach der Patentschrift DE 601 16 942 T2 als Stand der Technik bekannt. In diesen wird jeweils ein so genanntes 5-Takt-Verbrennungsverfahren beschrieben, bei dem jeweils mit höherer Effizienz Kraftstoff in Antriebsleistung umgesetzt werden kann. Diese als Fahrmotoren betriebenen 5-Takt-Motoren haben jedoch mehrere Nachteile. Als Fahrmotor genützt vergrößert sich das Hubvolumen durch die spezifische Ausführung von 2-Liter auf 4-Liter Motoren (bei ca. 20 % gesteigerter Leistung). Dies führt zu einer unakzeptablen Vergrößerung des Motors und wird als Grund angesehen, dass sich diese zwar effizientere aber nachteilige Maschinenkonstruktion bisher nicht technisch durchsetzen konnte. Weiters ist der dynamische Betrieb eines solchen Motors nur unzureichend darstellbar. Eine Idee, den Motor durch Turboaufladung leistungsstärker zu machen, wurde in dem Patent DE 60116942 T2 veröffentlicht.Furthermore, according to the state of the art, an internal combustion engine according to Patent No. DE 879 183 B and an internal combustion engine according to the patent DE 601 16 942 T2 known as prior art. In each of these, a so-called 5-stroke combustion process is described, in which fuel can be converted into drive power with greater efficiency. However, these 5-stroke engines operated as traction motors have several disadvantages. When used as a traction motor, the swept volume is increased by the specific design from 2-litre to 4-litre motors (with around 20% more power). This leads to an unacceptable enlargement of the engine and is seen as the reason why this more efficient but disadvantageous machine design has not yet been able to gain acceptance technically. Furthermore, the dynamic operation of such a motor can only be represented inadequately. An idea to make the engine more powerful by turbocharging was in the patent DE 60116942 T2 released.

US 5 881 559 A offenbart ein Hybrid-Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Vierzylindermotor, einem Generator, einer Batterie und einem Elektromotor. Der Vierzylindermotor treibt den Generator an, der die Batterie mit Strom versorgt. Der Elektromotor nutzt den Strom der Batterie, um ein Rad des Fahrzeugs anzutreiben. U.S. 5,881,559 A discloses a hybrid propulsion system for a vehicle with a four-cylinder engine, a generator, a battery and an electric motor. The four-cylinder engine drives the generator, which supplies electricity to the battery. The electric motor uses the battery power to drive one wheel of the vehicle.

Erfindunginvention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, die bei guter Praxistauglichkeit einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, das zukünftigen Umweltschutz- und Verbrauchsanforderungen auf kostengünstige Weise gerecht wird.The object of the invention is to provide a drive unit for a motor vehicle which, while being practical, has a particularly high overall efficiency. It is also an object of the invention to provide a motor vehicle that will meet future environmental protection and fuel consumption requirements in a cost-effective manner.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinheit nach Anspruch 1 gelöst. Dabei umfasst eine erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere Verbrennungszylindern, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand (Zündwinkel) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansionszylinders zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch - unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (Kurbelwelle) - entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass übergeführt wird, wobei ein erster elektromechanischer Energiewandler mechanisch an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie (Akkumulator, „Batterie“) austauscht, und wobei ein weiterer elektromechanischer Energiewandler mechanisch mit wenigstens einer Radwelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit für elektrische Energie austauscht. Dabei ist der weitere elektromechanische Energiewandler zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges und zur Rückgewinnung von Bremsenergie vorgesehen. Der erste elektromechanische Energiewandler hingegen wird bevorzugt einerseits für einen Energieaustausch zwischen Kurbelwelle und Batterie sowie andererseits zur Einstellung der Last an der Kurbelwelle und als Starter-Maschine genutzt. Die Brennkraftmaschine wird bevorzugt fremd-gezündet nach einem Otto-Verfahren betrieben, um das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine besonders präzise steuern zu können. In den Brennräumen können prinzipiell verschiedene Arten von Brennverfahren durchgeführt werden, insbesondere Gleichraum- oder Gleichdruck-Verfahren im Zweitakt- oder Viertakt-Modus. Vor allem in einem Zweitakt-Modus kann eine merkliche Nachverbrennung des aus den Brennräumen ausgestoßenen Abgasgemisches im Expansionszylinder realisiert werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Brennräume der Brennkraftmaschine ein Verdichtungsverhältnis von jeweils kleiner als 9 : 1, insbesondere kleiner als 8 : 1 auf.According to the invention, the stated object is achieved by a drive unit according to claim 1 . A drive unit according to the invention for a motor vehicle comprises an internal combustion engine with at least two combustion chambers, in particular combustion cylinders, in which a fuel-air mixture (starting mixture) is reacted chemically exothermically at a time interval (ignition angle) in such a way that an exhaust gas mixture with compared to the starting mixture increased latent heat and increased pressure, with the exhaust gas mixture exerting a compressive force on pistons that are movably mounted in the combustion chambers in such a way that an output shaft (crankshaft) is set in rotation with the help of the pistons, with the combustion chambers being provided with another working space in the form of an expansion cylinder is assigned, in which the exhaust gas mixture expelled from the combustion chambers--with the release of mechanical power to the output shaft (crankshaft)--is relaxed and subsequently transferred to an exhaust gas outlet, with a first electromechanical energy converter being mechanically connected to the output shaft is coupled to the internal combustion engine and exchanges electrical energy with an electrical energy storage unit (accumulator, "battery"), and wherein a further electromechanical energy converter is mechanically coupled to at least one wheel shaft of the motor vehicle and also exchanges electrical energy with the electrical energy storage unit. In this case, the further electromechanical energy converter is provided for propelling the motor vehicle and for recovering braking energy. The first electromechanical energy converter, on the other hand, is preferably used on the one hand for an energy exchange between the crankshaft and the battery and on the other hand to adjust the load on the crankshaft and as a starter machine. The internal combustion engine is preferably operated with spark ignition using an Otto process in order to be able to control the operating behavior of the internal combustion engine particularly precisely. In principle, different types of combustion processes can be carried out in the combustion chambers, in particular constant-volume or constant-pressure processes in two-stroke or four-stroke mode. Especially in a two-stroke mode, a noticeable post-combustion of the exhaust gas mixture expelled from the combustion chambers can be realized in the expansion cylinder will. In a further embodiment of the invention, the combustion chambers of the internal combustion engine each have a compression ratio of less than 9:1, in particular less than 8:1.

In Ausgestaltung der Erfindung wird die Brennkraftmaschine in einem überwiegenden Betriebszustand näherungsweise stationär in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben oder sie ist stillgesetzt. Dabei kann eine Schwankungsbreite von +/- 250 U/min um einen bevorzugten Wert von beispielsweise 2000 U/min vorgesehen sein. In besonders bevorzugter Weise wird der Betriebszustand der Brennkraftmaschine weitgehend stationär in denjenigen Bereich der Drehmoment-Drehzahl-Ebene gelegt, in dem der geringste spezifische Kraftstoff-Verbrauch der Brennkraftmaschine liegt. Zusätzlich wird in weiter bevorzugter Weise der Bereich des höchsten Wirkungsgrades des ersten elektromechanischen Energiewandlers in eben demselben Drehmoment-/Drehzahlbereich gewählt.In an embodiment of the invention, the internal combustion engine is operated in a predominant operating state in an approximately stationary manner in a speed range between 1000 rpm and 5000 rpm, or it is shut down. A fluctuation range of +/-250 rpm around a preferred value of 2000 rpm, for example, can be provided. In a particularly preferred manner, the operating state of the internal combustion engine is largely stationary in that range of the torque/speed level in which the lowest specific fuel consumption of the internal combustion engine is located. In addition, in a further preferred manner, the range of the highest efficiency of the first electromechanical energy converter is selected in precisely the same torque/speed range.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine wenigstens zwei nach einem Viertakt-Verfahren betriebene Brennräume sowie einen auf dieselbe Abtriebswelle wirkenden Expansionszylinder auf, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch entspannt wird, wobei der erste elektromechanische Energiewandler mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelt ist und überwiegend als Generator betrieben wird zum Aufladen einer Speichereinheit für elektrische Energie, wobei der weitere elektromechanische Energiewandler als Antriebs- und Bremseinheit für wenigstens eine Radwelle des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Brennkraftmaschine im Betrieb mit einer um weniger als 500 U/min schwankenden Drehzahl (quasi stationär), insbesondere in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben wird oder stillgesetzt ist. Des Weiteren wird der erste elektromechanische Energiewandlers erfindungsgemäß bevorzugt zum Einstellen der Last und/oder das Drehmoments der Brennkraftmaschine sowie zum Starten der Brennkraftmaschine verwendet.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine has at least two combustion chambers operated according to a four-stroke process and an expansion cylinder acting on the same output shaft, in which the exhaust gas mixture pushed out of the combustion chambers is expanded, the first electromechanical energy converter being mechanically coupled to the output shaft of the internal combustion engine and is mainly operated as a generator for charging a storage unit for electrical energy, with the additional electromechanical energy converter being provided as a drive and braking unit for at least one wheel shaft of the motor vehicle, with the internal combustion engine operating at a speed that fluctuates by less than 500 rpm (quasi stationary), in particular in a speed range between 1000 rpm and 5000 rpm is operated or stopped. Furthermore, the first electromechanical energy converter is preferably used according to the invention for adjusting the load and/or the torque of the internal combustion engine and for starting the internal combustion engine.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader zugeordnet, bei der das aus dem Expansionszylinder abgeführte Abgasgemisch in einem Abgasturbolader weiter entspannt wird, wobei den Brennräumen zuzuführende Luft mit Hilfe des Abgasturboladers vorverdichtet wird. Damit kann der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs weiter gesteigert und Abgasenergie weitestgehend ausgenutzt werden. Vor und/oder hinter dem Abgasturbolader ist weiter bevorzugt wenigstens eine Abgasrückführungseinrichtung für wenigstens einen Teil des Abgases vorgesehen, das im Abgasturbolader entspannt wird.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine is assigned an exhaust gas turbocharger, in which the exhaust gas mixture discharged from the expansion cylinder is expanded further in an exhaust gas turbocharger, the air to be supplied to the combustion chambers being precompressed with the aid of the exhaust gas turbocharger. In this way, the overall efficiency of the drive can be further increased and exhaust gas energy can be utilized as far as possible. In front of and/or behind the exhaust gas turbocharger, at least one exhaust gas recirculation device is preferably provided for at least part of the exhaust gas that is expanded in the exhaust gas turbocharger.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine zwei in gleichmäßigem Zündabstand von 360° arbeitende Viertaktzylinder sowie einen zusätzlichen, größeren Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern aufgenommene Verbrennungsgase quasi in einem Zweitaktverfahren entspannt, wobei die Überleitung der Gase aus den Viertaktzylindern durch Öffnungen in einer zylindrischen Wand des Expansionszylinders, insbesondere mit einer in etwa senkrecht zur Zylinderachse orientierten Strömungsrichtung erfolgt. Die ViertaktZylinder weisen erfindungsgemäß bevorzugt dieselbe Hubhöhe und dasselbe Hubvolumen auf. Im Unterschied dazu weist der Expansionszylinder bevorzugt ein um mindestens 25% gesteigertes Hubvolumen auf, das über eine entsprechende Wahl des Zylinderdurchmessers und der Hubhöhe eingestellt wird, wobei die Hubhöhe des Expansionszylinders gegenüber der Hubhöhe der Viertaktzylinder vergrößert ist. Weiter bevorzugt ist eine Reihenanordnung der drei beschriebenen Zylinder derart vorgesehen, dass die Zylindermittelachsen sämtlich in einer gemeinsamen Ebene zu liegen kommen. Weiter bevorzugt überragt der Expansionszylinder die beiden Viertaktzylinder im Bereich des Zylinderkopfes, d.h. die obere Umkehrposition des Kolbens im Expansionszylinder weist einen größeren Abstand zur Drehachse der Kurbelwelle auf als die obersten Positionen der Kolben der Viertaktzylinder. Damit kann ein Überströmkanal zwischen Expansionszylinder und benachbartem Viertaktzylinder vorgesehen werden, der sich zwischen einer Auslassöffnung an der im wesentlichen runden Stirnseite des Viertaktzylinders und einer schlitzförmigen Öffnung in der zylindrischen Wand des Expansionszylinders erstreckt. Ein solcher Überströmkanal kann bevorzugt eine Strömungsumlenkung von 90° oder weniger aufweisen.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine has two four-stroke cylinders working at a uniform ignition interval of 360° and an additional, larger expansion cylinder for subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinders, with the expansion cylinder expanding the combustion gases taken up alternately from the two four-stroke cylinders in a quasi two-stroke process, with the gases are transferred from the four-stroke cylinders through openings in a cylindrical wall of the expansion cylinder, in particular with a flow direction oriented approximately perpendicularly to the cylinder axis. According to the invention, the four-stroke cylinders preferably have the same lifting height and the same displacement. In contrast to this, the expansion cylinder preferably has a swept volume increased by at least 25%, which is set by appropriately selecting the cylinder diameter and stroke height, with the stroke height of the expansion cylinder being increased compared to the stroke height of the four-stroke cylinder. More preferably, the three cylinders described are arranged in series in such a way that the central cylinder axes all come to lie in a common plane. More preferably, the expansion cylinder protrudes beyond the two four-stroke cylinders in the area of the cylinder head, i.e. the upper reversing position of the piston in the expansion cylinder has a greater distance to the axis of rotation of the crankshaft than the top positions of the pistons of the four-stroke cylinders. An overflow channel can thus be provided between the expansion cylinder and the adjacent four-stroke cylinder, which extends between an outlet opening on the essentially round end face of the four-stroke cylinder and a slot-shaped opening in the cylindrical wall of the expansion cylinder. Such an overflow channel can preferably have a flow deflection of 90° or less.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine Wandung des Expansionszylinders und/oder eine Wandung des im Expansionszylinder geführten Kolbens eine Wärmeverluste mindernde Lage aus einem Material auf, dessen Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ist als 200 W/(m * K), insbesondere niedriger als 50 W/(m * K). In dem Expansionszylinder kann somit eine nahezu adiabate Entspannung des Abgases und/oder eine Nachverbrennung realisiert werden.In a further embodiment of the invention, at least one wall of the expansion cylinder and/or one wall of the piston guided in the expansion cylinder has a layer made of a material which reduces heat losses and whose thermal conductivity λ is lower than 200 W/(m * K), in particular lower than 50 W /(m * K). An almost adiabatic expansion of the exhaust gas and/or post-combustion can thus be implemented in the expansion cylinder.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 100°C bei Norm-Umgebungsbedingungen, insbesondere bei einer Außentemperatur von 20°C, um weniger als 3 K pro Minute absinkt. Dabei weist die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß eine isolierend wirkende Kapselung auf, deren Bestandteile unterschiedliche thermische Isolationseigenschaften haben können, jedoch im Gesamtverhalten eine Auskühlung der (stillgesetzten) Brennkraftmaschine um weniger als 3 K/min bewirkt.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine is assigned thermally effective insulation such that an internal temperature of the internal combustion engine of more than 100° C. under standard ambient conditions, in particular at an outside temperature of 20° C., drops by less than 3 K per minute. According to the invention, the internal combustion engine has an insulating Encapsulation, the components of which can have different thermal insulation properties, but the overall behavior causes the (stopped) internal combustion engine to cool by less than 3 K/min.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das den Abgas-Auslass des Expansionszylinders sperrende Auslass-Hubventil ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff hergestellt. Das Auslass-Hubventil des Expansionszylinders weist so eine niedrige Wärmespeicherfähigkeit auf und trägt nachhaltig zur thermischen Isolierung des Expansionszylinders bei.In a further embodiment of the invention, the exhaust lifting valve blocking the exhaust gas outlet of the expansion cylinder is made entirely or partially of a ceramic material. The outlet stroke valve of the expansion cylinder thus has a low heat storage capacity and makes a lasting contribution to the thermal insulation of the expansion cylinder.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das den Abgas-Auslass des Expansionszylinders sperrende Auslass-Hubventil eine Hauptachse auf, die parallel zur Hauptachse des Expansionszylinders ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist. Damit können einerseits die Strömungsverhältnisse beim Überleiten der Abgase in einen angeschlossenen Abgasstrang optimiert werden. Andererseits lässt sich ein Deckelteil des Expansionszylinders fertigungstechnisch günstig rotationssymmetrisch herstellen.In a further embodiment of the invention, the exhaust lift valve blocking the exhaust gas outlet of the expansion cylinder has a main axis which is aligned parallel to the main axis of the expansion cylinder, preferably arranged to coincide with it. On the one hand, this allows the flow conditions to be optimized when the exhaust gases are transferred to a connected exhaust line. On the other hand, a cover part of the expansion cylinder can be produced in a rotationally symmetrical manner in a manner that is favorable in terms of manufacturing technology.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe mit zwei in gleichmäßigem Zündabstand arbeitenden Viertaktzylindern sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder auf, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei die Brennkraftmaschine wenigstens eine zweite Zylindergruppe aufweist, die im wesentlichen gleich der ersten Zylindergruppe ausgestaltet und in V-Form, Stern-Form oder Boxer-Form mit einem Winkel größer 0° zur ersten Zylindergruppe geneigt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Zylindergruppe eine gemeinsame Abtriebswelle (Kurbelwelle) antreiben. Bevorzugterweise ist in diesem Fall die Kurbelwelle mit einem oder zwei elektromechanischen Energiewandlern gekoppelt, die elektrische Energie an jeweils eine mit dem elektromechanischen Energiewandler verbundene Batterie abgeben. Solchermaßen gestaltete Brennkraftmaschinen finden besonders auch in Boots- und Flugzeugtriebwerken Verwendung.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine has a first cylinder group with two four-stroke cylinders working with a uniform ignition interval and an additional expansion cylinder for subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinders, with the expansion cylinder expanding the combustion gases taken up alternately from the two four-stroke cylinders, and with the internal combustion engine having at least one second cylinder group, which is designed essentially the same as the first cylinder group and is arranged in a V-shape, star shape or boxer shape at an angle greater than 0° to the first cylinder group, the first and the second cylinder group sharing a common output shaft (crankshaft ) drive. In this case, the crankshaft is preferably coupled to one or two electromechanical energy converters, which each deliver electrical energy to a battery connected to the electromechanical energy converter. Internal combustion engines designed in this way are also used in particular in boat and aircraft engines.

Bei der Erfindung werden Massenkräfte zweiter Ordnung durch mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegte Ausgleichsmassen ausgeglichen. Insbesondere die unterschiedlichen Hebel- und Massenverhältnisse bei den Verbrennungszylindern einerseits und dem Expansionszylinder andererseits können erfindungsgemäß mittels einer Ausgleichswelle in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden.In the case of the invention, second-order inertia forces are compensated for by balancing masses moved at twice the crankshaft speed. In particular, the different leverage and mass ratios in the combustion cylinders on the one hand and the expansion cylinder on the other hand can be advantageously compensated according to the invention by means of a balancer shaft.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Dabei weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug eine Antriebseinheit samt einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere Verbrennungszylindern auf, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand (Zündwinkel) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird. Des weiteren übt das Abgasgemisch auf in den Brennräumen beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart aus, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansionszylinders zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (Kurbelwelle) entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass übergeführt wird. Ferner weist die Antriebseinheit einen ersten elektromechanischen Energiewandler auf, der mechanisch an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie austauscht, sowie einen weiteren elektromechanischen Energiewandler, der mechanisch mit wenigstens einer Radwelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit für elektrische Energie austauscht. Erfindungsgemäß ergibt sich damit ein Kraftfahrzeug, das über einen weiten Betriebsbereich dadurch mit hohem Wirkungsgrad gefahren werden kann, dass die Brennkraftmaschine bei Bedarf in einem Bereich niedrigen spezifischen Verbrauchs mit moderater Drehzahl betrieben wird. Der Bedarf wird erfindungsgemäß im wesentlichen anhand des Ladezustands der Speichereinheit für elektrische Energie (Akkumulator, „Batterie“) ermittelt. Lastspitzen können dabei ebenso wie Anfahrvorgänge ausschließlich elektromotorisch bewältigt werden, ohne am Betriebszustand der Brennkraftmaschine Änderungen vorzunehmen oder diese überhaupt einzuschalten. Die Batterie dient dabei als Ausgleichsreservoir für Energie zwischen dem kontinuierlichen Leistungsniveau der stationär besonders effizient betreibbaren Brennkraftmaschine und den kurzzeitig diskontinuierlichen Leistungsanforderungen beim Betrieb moderner Kraftfahrzeuge.The object is also achieved by a motor vehicle with the features of claim 12. A motor vehicle according to the invention has a drive unit including an internal combustion engine with at least two combustion chambers, in particular combustion cylinders, in which a fuel-air mixture is produced at a time interval (ignition angle). (Starting mixture) is reacted chemically exothermally in such a way that an exhaust gas mixture with increased latent heat compared to the starting mixture and with increased pressure is generated. Furthermore, the exhaust gas mixture exerts a compressive force on the pistons that are movably mounted in the combustion chambers in such a way that the pistons are used to set an output shaft (crankshaft) in rotation, with the combustion chambers being assigned another working chamber in the form of an expansion cylinder, in which from the combustion chambers discharged exhaust gas mixture is expanded with the release of mechanical power to the output shaft (crankshaft) and subsequently transferred to an exhaust gas outlet. Furthermore, the drive unit has a first electromechanical energy converter, which is mechanically coupled to the output shaft of the internal combustion engine and exchanges electrical energy with a storage unit for electrical energy, and a further electromechanical energy converter, which is mechanically coupled to at least one wheel shaft of the motor vehicle and also electrical energy exchanges with the storage unit for electrical energy. According to the invention, this results in a motor vehicle that can be driven with high efficiency over a wide operating range in that the internal combustion engine is operated if required in a range of low specific consumption at a moderate speed. According to the invention, the requirement is essentially determined on the basis of the state of charge of the storage unit for electrical energy (accumulator, “battery”). Load peaks can be managed exclusively by an electric motor, as can starting processes, without making changes to the operating state of the internal combustion engine or even switching it on. The battery serves as a balancing reservoir for energy between the continuous performance level of the stationary internal combustion engine, which can be operated particularly efficiently, and the briefly discontinuous performance requirements when operating modern motor vehicles.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit, insbesondere der Brennkraftmaschine eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 100°C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 20°C Lufttemperatur) und bei einer Fahrtwindanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h auch bei abgestellter bzw. stillgesetzter Brennkraftmaschine um weniger als 3 K pro Minute absinkt.In an embodiment of the invention, the drive unit, in particular the internal combustion engine, is assigned thermally effective insulation in such a way that an internal temperature of the internal combustion engine of more than 100° C. under standard ambient conditions (in particular 20° C. air temperature) and with an oncoming airstream with a flow speed of 80 km /h also at switched off or shut down the internal combustion engine by less than 3 K per minute.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe mit zwei Viertaktzylindern sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder auf, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei der Zylindergruppe ein gemeinsamer Abgas-Auslass sowie eine anschließende gemeinsame, thermisch isolierte Abgasrohrleitung aufweist, deren radiale Wärmeleitfähigkeit niedriger ausgelegt ist als 50 W/(m * K).In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine has a first cylinder group with two four-stroke cylinders and an additional expansion cylinder for subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinders, the expansion cylinder expanding combustion gases taken alternately from the two four-stroke cylinders, and the cylinder group having a common exhaust gas outlet and has a subsequent common, thermally insulated exhaust gas pipe, the radial thermal conductivity of which is designed to be lower than 50 W/(m * K).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine im Bereich einer Abgasrohrleitung ein Katalysator zugeordnet, wobei in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator Abgas aus der Abgasrohrleitung entnommen wird und über eine gezielte Abgasrückführung zu einem Wärmetauscher geleitet wird, über den Wärme vom Abgas zum Kühlwasser transferiert wird, wobei das gekühlte Abgas dann entweder der Saugseite der Brennkraftmaschine oder erneut der Abgasrohrleitung zugeführt wird. In besonders vorteilhafter Weise wird Abgas der Brennkraftmaschine nach dem Austritt aus dem Expansionszylinder einem Abgasturbolader zugeführt. Nach dem Abgasturbolader sind ein Abgasreinigungskatalysator sowie ein Rohrverzweigungselement in den Abgasstrang eingebaut, wobei mittels des Rohrverzweigungselements zumindest ein Teil des Abgases dem genannten Wärmetauscher und ggf. anschließend der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann.In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine is assigned a catalytic converter in the area of an exhaust pipe, with exhaust gas being removed from the exhaust pipe in the direction of flow downstream of the catalytic converter and being routed via targeted exhaust gas recirculation to a heat exchanger, via which heat is transferred from the exhaust gas to the cooling water, wherein the cooled exhaust gas is then fed either to the suction side of the internal combustion engine or again to the exhaust pipe. In a particularly advantageous manner, exhaust gas from the internal combustion engine is fed to an exhaust gas turbocharger after exiting the expansion cylinder. Downstream of the exhaust gas turbocharger, an exhaust gas purification catalyst and a pipe branching element are installed in the exhaust line, with at least part of the exhaust gas being able to be fed to said heat exchanger and possibly then to the internal combustion engine by means of the pipe branching element.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinheit als serielles Hybridsystem derart ausgelegt, dass die Auslegeleistung kleiner oder gleich dem zugehörigen Leistungswert gemäß der Fahrtwiderstandslinie des Kraftfahrzeugs in der Ebene ist, die bei einer definierten Referenzgeschwindigkeit, insbesondere bei 125 km/h, bei 145 km/h oder 160 km/h in der Ebene erreicht wird. Als Referenzgeschwindigkeit wird insbesondere eine Dauerreisegeschwindigkeit in der Ebene angenommen, die im übrigen von Land zu Land und/oder für Standard- oder Sport-PKW unterschiedlich gewählt sein kann. Das Fahrzeug weist bevorzugt bei konstanter Fahrt mit Referenzgeschwindigkeit in der Ebene einen Leistungsbedarf auf, der als Auslegeleistung der Brennkraftmaschine und als Auslegeleistung des gesamten Hybridsystems gewählt wird. Höhere Leistungsanforderungen als die Auslegeleistung - beispielsweise bei Bergfahrt und/oder höherer Fahrzeuggeschwindigkeit - werden erfindungsgemäß im wesentlichen über kurzzeitige Leistungsentnahme aus dem elektrochemischen Energiespeicher (Akkumulator, Batterie) gedeckt.In a further embodiment of the invention, the drive unit is designed as a serial hybrid system in such a way that the design power is less than or equal to the associated power value according to the driving resistance line of the motor vehicle on the level, which is at a defined reference speed, in particular at 125 km/h, at 145 km/h. h or 160 km/h on the flat. In particular, a continuous cruising speed on the level is assumed as the reference speed, which can also be selected differently from country to country and/or for standard or sports cars. When driving at a constant reference speed on level ground, the vehicle preferably has a power requirement that is selected as the design power of the internal combustion engine and as the design power of the entire hybrid system. Higher power requirements than the design power - for example when driving uphill and/or higher vehicle speed - are covered according to the invention essentially by briefly drawing power from the electrochemical energy store (accumulator, battery).

Weitere Merkmale, Vorteile und Varianten ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der anhand der Zeichnungen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Hierzu zeigen

  • 1 in einer Prinzipskizze ein erstes erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine („5-Takt-Motor“) in einer seriellen Hybridanordnung,
  • 2 in einer Prinzipskizze ein zweites erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine („5-Takt-Motor“) in einer seriellen Hybridanordnung,
  • 3 in einem Längsschnitt eine dritte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit drei Zylindern,
  • 3a einen Zylinderkopf für eine vierte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt, einem Querschnitt sowie einer Ansicht von unten,
  • 4 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt der Brennkraftmaschine nach 3,
  • 5 in einem Querschnitt die Brennkraftmaschine nach 3,
  • 5a in einer ausschnittsweisen Prinzipdarstellung eine modifizierte erfindungsgemäße Antriebseinheit,
  • 5b in einem Temperatur-Zeit-Diagramm einen Temperaturverlauf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bei zunächst stillgesetzter Brennkraftmaschine,
  • 5c in einem Prinzip-Schaubild den Ladezustand der Batterie [in Prozent vom Soll-Ladezustand) in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bei Durchfahren eines NEFZ-Fahrzyklus sowie
  • 6 in einem Prinzip-Diagramm eine Fahrwiderstandskurve eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
Further features, advantages and variants emerge from the claims and the following description, in which advantageous exemplary embodiments of the invention are described with reference to the drawings. show this
  • 1 in a schematic diagram, a first motor vehicle according to the invention with an internal combustion engine (“5-stroke engine”) in a serial hybrid arrangement,
  • 2 in a schematic diagram, a second motor vehicle according to the invention with an internal combustion engine (“5-stroke engine”) in a serial hybrid arrangement,
  • 3 in a longitudinal section, a third internal combustion engine according to the invention with three cylinders,
  • 3a a cylinder head for a fourth internal combustion engine according to the invention in a longitudinal section, a cross section and a view from below,
  • 4 a section of the internal combustion engine in a longitudinal section 3 ,
  • 5 the internal combustion engine in a cross section 3 ,
  • 5a in a sectional schematic representation of a modified drive unit according to the invention,
  • 5b in a temperature-time diagram, a temperature profile of an internal combustion engine according to the invention when the internal combustion engine is initially stopped,
  • 5c in a principle diagram the state of charge of the battery (as a percentage of the target state of charge) in a motor vehicle according to the invention when driving through an NEDC driving cycle and
  • 6 in a principle diagram, a driving resistance curve of a motor vehicle according to the invention.

Bevorzugte AusführungsbeispielePreferred Embodiments

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in Form eines Personenkraftwagens 1 mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 2 ausgestattet, die nachfolgend anhand der 1 bis 5 näher erläutert wird. Das Kraftfahrzeug kann als Nutzfahrzeug zum Transport von Gütern ebenso ausgestaltet sein, wie als Motorrad, Omnibus, Baufahrzeug oder dergleichen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug auch spurgebunden auf Schienen betrieben werden. In jedem Fall weist es eine durch die Antriebseinheit in Rotation versetzte angetriebene Radwelle 4 und wenigstens ein angetriebenes Rad 5 auf.According to the present invention, a motor vehicle according to the invention in the form of a passenger car 1 is equipped with a drive unit 2 according to the invention, which is described below with reference to FIG 1 until 5 is explained in more detail. The motor vehicle can be designed as a utility vehicle for transporting goods, as well as a motorcycle, omnibus, construction vehicle or the like. Alternatively, the motor vehicle can also be operated on rails. In any case, it points a driven wheel shaft 4 rotated by the drive unit and at least one driven wheel 5 .

Die Antriebseinheit 2 umfasst im wesentlichen eine Brennkraftmaschine 2.1, auf die an anderer Stelle als „5-Takt-Motor“ Bezug genommen wird. Die Brennkraftmaschine 2.1 wiederum weist wenigstens zwei Brennräume V, insbesondere Verbrennungszylinder 2.2 auf, in denen jeweils mit einem zeit-ilichen Abstand ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangs¬gemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen V beweg¬lich gelagerte Kolben Z eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben Z eine Abtriebswelle 2.4 („Kurbelwelle“) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen V ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansionszylinders 2.3 zugeordnet ist, in dem aus den Brenn¬räumen ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle 2.4 entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass 20 überge¬führt wird. Die Brennkraftmaschine 2.1 erhält zum Betrieb flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff, in Form einer bevorzugt organischen Substanz, z. B. Otto- oder Diesel-Kraftstoff bzw. Benzin, Alkohol, Biogas oder Methan oder Wasserstoffgas oder dergleichen aus einem im Kraftfahrzeug 1 mitgeführten Kraftstofftank 3.The drive unit 2 essentially comprises an internal combustion engine 2.1, referred to elsewhere as a “5-stroke engine”. The internal combustion engine 2.1 in turn has at least two combustion chambers V, in particular combustion cylinders 2.2, in each of which a fuel-air mixture (initial mixture) is reacted chemically exothermally at a time interval in such a way that an exhaust gas mixture with an increased latent Heat and increased pressure is generated, with the exhaust gas mixture exerting a compressive force on the pistons Z, which are movably mounted in the combustion chambers V, in such a way that with the help of the pistons Z, an output shaft 2.4 (“crankshaft”) is set in rotation, with the combustion chambers V a further working chamber in the form of an expansion cylinder 2.3 is assigned, in which the exhaust gas mixture pushed out of the combustion chambers is expanded with the release of mechanical power to the output shaft 2.4 and subsequently transferred into an exhaust gas outlet 20. The internal combustion engine 2.1 receives liquid or gaseous fuel for operation, in the form of a preferably organic substance, e.g. B. petrol or diesel fuel or petrol, alcohol, biogas or methane or hydrogen gas or the like from a fuel tank 3 carried in the motor vehicle 1.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 2.1 weist insbesondere wenigstens zwei in einem Zündabstand von 360° arbeitende Hubkolbenzylinder 2.2 (Zwei-Takt- oder Vier-Takt-Zylinder) mit Brennräumen V auf, in denen der Kraftstoff bevorzugt fremdgezündet nach einem Otto-Verfahren exotherm mit Umgebungsluft verbrannt wird.The internal combustion engine 2.1 according to the invention has in particular at least two reciprocating piston cylinders 2.2 (two-stroke or four-stroke cylinders) working at an ignition interval of 360° with combustion chambers V, in which the fuel is burned exothermically with ambient air using an Otto process, preferably with external ignition .

Das Verdichtungsverhältnis ε = V H + V K V K

Figure DE112010002535B4_0001
in den Brennräumen ist jeweils kleiner als 9 : 1, insbesondere kleiner als 8 : 1 gewählt, wobei VH = Hubvolumen, VK = Kompressionsvolumen der Brennräume. The compression ratio e = V H + V K V K
Figure DE112010002535B4_0001
in the combustion chambers is selected to be less than 9:1, in particular less than 8:1, where V H =stroke volume, V K =compression volume of the combustion chambers.

Ferner weist die Brennkraftmaschine 2.1 einen weiteren Hubkolbenzylinder 2.3 (Expansionszylinder) für eine anschließende weitere Expansion der Verbrennungsgase auf (Fünfter Takt). Dieser entspannt aus den beiden Verbrennungszylindern 2.2 übergeleitete Verbrennungsgase und schiebt diese über einen Abgas-Auslass in eine nachgeschaltete Abgasleitung 6.1, 6.2. Der weitere Hubkolbenzylinder 2.3 (Expansionszylinder) arbeitet bevorzugt in einer Art Zweitaktverfahren, wobei das Abgas der Verbrennungszylinder 2.2 unter Abgabe von mechanischer Arbeit im wesentlichen adiabat entspannt wird. Der Kolben des Expansionszylinders 2.3 gibt seine Leistung wie die Kolben der anderen beiden Zylinder 2.2 bevorzugt an eine gemeinsame Abtriebswelle 2.4 (Kurbelwelle) ab (vgl. insbesondere 3).Furthermore, the internal combustion engine 2.1 has a further reciprocating piston cylinder 2.3 (expansion cylinder) for a subsequent further expansion of the combustion gases (fifth stroke). This expands combustion gases transferred from the two combustion cylinders 2.2 and pushes them via an exhaust gas outlet into a downstream exhaust pipe 6.1, 6.2. The further reciprocating piston cylinder 2.3 (expansion cylinder) preferably works in a type of two-stroke process, with the exhaust gas from the combustion cylinder 2.2 being expanded essentially adiabatically, with the release of mechanical work. Like the pistons of the other two cylinders 2.2, the piston of the expansion cylinder 2.3 prefers to deliver its power to a common output shaft 2.4 (crankshaft) (cf. in particular 3 ).

An die Kurbelwelle 2.4 ist über eine Kupplung und/oder ein Getriebe ein erster elektromechanischer Energiewandler G („Generator“) angekoppelt. Eine konkrete Ausgestaltung des ersten elektromechanischen Energiewandlers G kann der US 2009/0224628 A1 entnommen werden, auf die hinsichtlich des Aufbaus (insbesondere zur Konstruktion des Stators und des Rotors unter Verwendung von Permanentmagneten) und der Betriebsbedingungen des Generators G vollumfänglich Bezug genommen wird. Dieser Generator G tauscht mit Hilfe einer Leistungselektronik E über elektrische Verbindungskabel 2.5, 2.6 elektrische Energie mit einer Speichereinheit B für elektrische Energie („Batterie“, Akkumulator) aus. Ein Prozessrechner bzw. eine Ansteuerungseinheit C regelt dabei sowohl den Betriebszustand des Generators G als auch den Betriebszustand der Batterie B und den der Brennkraftmaschine 2.1. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges 1 wird der erste elektromechanische Energiewandler G zum überwiegenden Teil als Generator benutzt, um mechanische Energie der Brennkraftmaschine 2.1 abzugreifen und in Form von elektrischer Energie an die Batterie B zu transferieren. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges 1 kann der Generator G auch zum Starten und Beschleunigen der Brennkraftmaschine 2.1 aus dem Stillstand heraus benutzt werden. Dabei ist es zu bevorzugen, die Brennkraftmaschine 2.1 mit Hilfe des ersten elektromechanischen Energiewandlers G möglichst rasch von einem Ruhezustand (Stillstand) in den optimalen Betriebszustand zu überführen, indem die Brennkraftmaschine 2.1 durch den Generator G in einen Betriebszustand mit Nenndrehzahl geschleppt wird. Die Nenndrehzahl soll erfindungsgemäß in einem Bereich des (mathematischphysikalischen) Drehmoment-Drehzahl-Diagramms der Brennkraftmaschine liegen, in der die Brennkraftmaschine einen besonders niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist. Ebenso ist der erste elektromechanische Energiewandler G vorgesehen, der dann arbeitenden Brennkraftmaschine 2.1 eine Nennlast zur Verfügung zu stellen, die ebenfalls in einem Bereich des Drehmoment-Drehzahl-Diagramms der Brennkraftmaschine liegt, in der die Brennkraftmaschine einen besonders niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist. Bei Nenndrehzahl und Nennlast soll erfindungsgemäß auch der Generator G einen möglichst optimalen Wirkungsgrad aufweisen, insbesondere nicht mehr als 15 % von seinem maximalen Wirkungsgrad abweichen.A first electromechanical energy converter G (“generator”) is coupled to the crankshaft 2.4 via a clutch and/or a gear. A specific embodiment of the first electromechanical energy converter G can U.S. 2009/0224628 A1 be taken, to which reference is made in full with regard to the structure (in particular the construction of the stator and the rotor using permanent magnets) and the operating conditions of the generator G. With the help of power electronics E, this generator G exchanges electrical energy with a storage unit B for electrical energy (“battery”, accumulator) via electrical connecting cables 2.5, 2.6. A process computer or a control unit C regulates both the operating state of the generator G and the operating state of the battery B and that of the internal combustion engine 2.1. During the operation of the motor vehicle 1, the first electromechanical energy converter G is mainly used as a generator in order to tap mechanical energy from the internal combustion engine 2.1 and transfer it to the battery B in the form of electrical energy. When the motor vehicle 1 is in operation, the generator G can also be used to start and accelerate the internal combustion engine 2.1 from a standstill. It is preferable to convert the internal combustion engine 2.1 with the aid of the first electromechanical energy converter G as quickly as possible from an idle state (standstill) to the optimal operating state, in that the internal combustion engine 2.1 is dragged by the generator G into an operating state at nominal speed. According to the invention, the rated speed should be in a range of the (mathematical-physical) torque-speed diagram of the internal combustion engine in which the internal combustion engine has a particularly low specific fuel consumption. The first electromechanical energy converter G is also provided to provide the then working internal combustion engine 2.1 with a rated load that is also in a range of the torque/speed diagram of the internal combustion engine in which the internal combustion engine has a particularly low specific fuel consumption. According to the invention, the generator G should also have the best possible efficiency at nominal speed and nominal load, in particular not deviating by more than 15% from its maximum efficiency.

Gemäß 1 ist der Brennkraftmaschine also ein elektromechanischer Energiewandler in Form eines Generators G zugeordnet, der mit oder ohne Getriebe bzw. Kupplung mechanisch mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 2.1 gekoppelt ist und von der Brennkraftmaschine 2.1 angetrieben werden kann. Der Generator G kann, wie in 3 im Detail dargestellt, läuferseitig direkt auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gesetzt sein. Der Generator G ist derart ausgelegt, dass er bei dem (für die Brennkraftmaschine 2.1 gewählten) Bestpunkt selbst ebenfalls einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, wobei die abzugebenden Ströme und die Spannung(en) des Generators G wiederum mit der Strom-Speichereinheit B abgestimmt sind. Dadurch dass das bisher beschriebene Teilsystem (Brennkraftmaschine, Generator, Elektronik, Batterie) im wesentlichen bei denselben Bedingungen arbeitet, können sämtliche konstruktiven Parameter auf diese Bedingungen hin optimiert werden.According to 1 is the internal combustion engine so assigned an electromechanical energy converter in the form of a generator G, with or is mechanically coupled to an output shaft of the internal combustion engine 2.1 without a gear or clutch and can be driven by the internal combustion engine 2.1. The generator G can, as in 3 shown in detail, be placed directly on a crankshaft of the internal combustion engine on the rotor side. The generator G is designed in such a way that it also has the highest possible efficiency at the best point (chosen for the internal combustion engine 2.1), the currents to be delivered and the voltage(s) of the generator G in turn being coordinated with the current storage unit B. Because the subsystem described so far (internal combustion engine, generator, electronics, battery) essentially works under the same conditions, all design parameters can be optimized for these conditions.

Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel quasi stationär bei einer Nenndrehzahl von 2000 U/min mit einem nahezu konstanten Drehmoment von 150 Nm gegen die Last des ersten elektromechanischen Energiewandlers G betrieben. Eine bevorzugte Schwankungsbreite der Drehzahl während eines Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges 1 beträgt hierbei 500 U/min um die Nenndrehzahl (also ca. +/- 250 U/min). Darüber hinaus kann auch die Nenndrehzahl selbst in einer solchen Bandbreite (ggf. dauerhaft) verstellt werden - abhängig beispielsweise von dauerhaft geänderten Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine, von (variierenden) Kraftstoffeigenschaften oder Umgebungsbedingungen. Auch eine bedarfsabhängige Schwankung des Drehmoments von +/- 30 Nm um den Nennwert bzw. eine dauerhafte Verstellung der Lastbedingungen an der Brennkraftmaschine 2.1 innerhalb einer solchem Bandbreite ist erfindungsgemäß möglich (insbesondere auch dann, wenn eine Verstellung einem sich ändernden (Gesamt-)Wirkungsgradmaximum der Antriebseinheit folgt).According to the invention, the internal combustion engine is operated in a preferred exemplary embodiment in a quasi-stationary manner at a nominal speed of 2000 rpm with an almost constant torque of 150 Nm against the load of the first electromechanical energy converter G. A preferred fluctuation range of the rotational speed during a driving cycle of the motor vehicle 1 is 500 rpm around the nominal rotational speed (ie approx. +/-250 rpm). In addition, the nominal speed itself can also be adjusted within such a range (perhaps permanently)--depending, for example, on permanently changed performance requirements for the internal combustion engine, on (varying) fuel properties or ambient conditions. A demand-dependent fluctuation of the torque of +/- 30 Nm around the nominal value or a permanent adjustment of the load conditions on the internal combustion engine 2.1 within such a range is possible according to the invention (especially if an adjustment corresponds to a changing (overall) maximum efficiency of the drive unit follows).

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Brennkraftmaschine bei einer Nenndrehzahl von ca. 3500 U/min und einem Nenndrehmoment von ca. 100 Nm quasi stationär betrieben. Die Leistungsparameter der zueinander gehörigen Komponenten Brennkraftmaschine, Generator, Leistungselektronik und Batterie sind dabei entsprechend auf diesen Betriebszustand abgestimmt.In another exemplary embodiment, the internal combustion engine is operated in a quasi-stationary manner at a rated speed of approximately 3500 rpm and a rated torque of approximately 100 Nm. The performance parameters of the associated components, the internal combustion engine, generator, power electronics and battery, are matched to this operating state.

Die Brennkraftmaschine wird bevorzugt solange insbesondere bei Nennbedingungen betrieben bis die Batterie B durch Zufuhr elektrischer Energie bei einem Anteil von 75 % (oder ggf. wahlweise auch von 85 % oder 100 %) der für den Betrieb vorgesehenen maximalen Speicherkapazität (Soll-Ladezustand SOC) angekommen ist. Beim Erreichen eines solchen Ladezustands der Batterie soll durch die Rechnereinheit C die Brennkraftmaschine 2.1 stillgesetzt und erst bei Bedarf, z.B. bei Absinken des Ladezustands auf unter 50 % auf unter des Soll-Ladezustands SOC (oder bei einem Ladezustand von 45 % oder 60 % des Soll-Ladezustands) oder bei Leistungsanforderungen des Kraftfahrzeugs oberhalb des Leistungsniveaus der Batterie B wieder gestartet werden. Dabei entsprechen 100 % des Soll-Ladezustands bevorzugt zwischen 50 % und 75 % des physikalisch möglichen Maximalladezustands der Batterie. Das Niveau des Soll-Ladezustands wird bevorzugt in Abhängigkeit von durchschnittlichen Stillstandszeiten des Fahrzeugs gewählt.The internal combustion engine is preferably operated in particular under nominal conditions until the battery B has reached a proportion of 75% (or possibly optionally also of 85% or 100%) of the maximum storage capacity provided for operation (target state of charge SOC) due to the supply of electrical energy is. When such a state of charge of the battery is reached, the computer unit C should shut down the internal combustion engine 2.1 and only if necessary, e.g. if the state of charge falls below 50% below the target state of charge SOC (or when the state of charge is 45% or 60% of the target -State of charge) or when the motor vehicle has performance requirements above the performance level of the battery B can be restarted. In this case, 100% of the target state of charge preferably corresponds to between 50% and 75% of the physically possible maximum state of charge of the battery. The level of the target state of charge is preferably selected as a function of the average idle times of the vehicle.

Zur Komplettierung des seriellen Hybridantriebs weist die Antriebseinheit 2 des Kraftfahrzeugs 1 (wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist) einen weiteren elektromechanischen Energiewandler in Form einer (Antriebs-)Motor-Generatoreinheit M/G auf. Die (Antriebsmotor-)Generatoreinheit M/G ist beispielsweise über ein Differential D und/oder ein Getriebe (nicht dargestellt) mit einer Antriebswelle (Radwelle 4) verbunden, die unmittelbar die Räder des Kraftfahrzeugs antreibt.To complete the serial hybrid drive, the drive unit 2 of the motor vehicle 1 (as can be seen from the 1 and 2 can be seen) has a further electromechanical energy converter in the form of a (drive) motor-generator unit M/G. The (drive motor) generator unit M/G is connected, for example, via a differential D and/or a gear (not shown) to a drive shaft (wheel shaft 4), which directly drives the wheels of the motor vehicle.

Der weitere elektromechanische Energiewandler M/G (Motor-Generatoreinheit) tauscht via Verbindungskabel 2.6, 2.7 und Elektronik E ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit B für elektrische Energie aus. Der Prozessrechner bzw. die Ansteuerungseinheit C regelt dabei sowohl den Betriebszustand der Motor-Generator-Einheit M/G als auch den Betriebszustand der Batterie B. Dabei sind die Betriebsparameter der Motor-Generator-Einheit M/G auf das Betriebsverhalten des Kraftfahrzeuges abgestimmt, da die Motor-GeneratorEinheit M/G ihre Energie aus der Batterie bezieht und über diese insbesondere von den Komponenten Brennkraftmaschine und Generator weitgehend entkoppelt ist.The additional electromechanical energy converter M/G (motor generator unit) also exchanges electrical energy with the storage unit B for electrical energy via connecting cables 2.6, 2.7 and electronics E. The process computer or the control unit C regulates both the operating state of the motor-generator unit M/G and the operating state of the battery B. The operating parameters of the motor-generator unit M/G are matched to the operating behavior of the motor vehicle since the motor-generator unit M/G draws its energy from the battery and is largely decoupled from the internal combustion engine and generator components in particular.

In einem (nicht dargestellten) modifizierten Ausführungsbeispiel können für die den Rädern einzeln zugeordnete Achsen separate Antriebs-E-Motoren vorgesehen sein, die wiederum ihre Leistung aus einer zentralen Strom-Speichereinheit entnehmen könnten. Eine oder mehrere Antriebsmotor-Generatoreinheiten M/G dienen erfindungsgemäß als Fahrmotoren, die das erforderliche Drehmoment für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs an die Räder übertragen..In a (not shown) modified embodiment, separate drive electric motors can be provided for the axles individually assigned to the wheels, which in turn could draw their power from a central power storage unit. According to the invention, one or more drive motor-generator units M/G serve as traction motors, which transmit the torque required for propulsion of the motor vehicle to the wheels.

In einem weiteren (nicht dargestellten) modifizierten Ausführungsbeispiel können sowohl die Motor-Generatoreinheit M/G als auch die Brennkraftmaschine über ein Differential und/oder ein (Planeten-)Getriebe und/oder eine Kupplung an die Radwelle 4 angekuppelt bzw. ankuppelbar sein, so dass sich eine alternative Konfiguration der Antriebseinheit 2 ergibt. Insbesondere bei einem Langstreckenbetrieb des Kraftfahrzeuges bei weitgehend gleichbleibender und hoher Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs kann es auch sinnvoll sein, einen Lastanteil der Brennkraftmaschine mechanisch an die Radwelle 4 zu übertragen. Dieser Lastanteil kann niedriger als die Nennlast der Brennkraftmaschine 2.1 sein, wenn zugleich die Batterie B geladen wird.In a further (not shown) modified exemplary embodiment, both the motor-generator unit M/G and the internal combustion engine can be coupled or can be coupled to the wheel shaft 4 via a differential and/or a (planetary) gear and/or a clutch, see above that there is an alternative configuration of the drives means 2 results. In particular when the motor vehicle is operated over long distances at a largely constant and high speed of the motor vehicle, it can also make sense to mechanically transfer a portion of the load from the internal combustion engine to the wheel shaft 4 . This load component can be lower than the nominal load of the internal combustion engine 2.1 if the battery B is charged at the same time.

In einem modifizierten Ausführungsbeispiel weist eine Brennkraftmaschine 2.1 für eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 2 mehrere aus je zwei Hochdruckzylindern und je einem (wesentlich) größeren Expansionszylinder (Niederdruckzylinder) bestehende Zylindergruppen auf. Die genannten Zylindergruppen können zueinander in Reihenform, in V-Form, in Boxenform oder in Sternform angeordnet sein (nicht näher dargestellt).In a modified exemplary embodiment, an internal combustion engine 2.1 for a drive unit 2 according to the invention has a plurality of cylinder groups each consisting of two high-pressure cylinders and one (much) larger expansion cylinder (low-pressure cylinder) each. Said groups of cylinders can be arranged in relation to one another in rows, in a V-shape, in a box shape or in a star shape (not shown in detail).

In weiteren modifizierten Ausführungsbeispielen werden Massenkräfte zweiter Ordnung durch mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegte Ausgleichsmassen im Bedarfsfall ausgeglichen. Hierzu ist eine über ein festes Getriebe an die Kurbelwelle gekoppelte Ausgleichswelle mit Ausgleichsmassen vorgesehen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, die Massen der Kolben der Verbrennungszylinder summiert einerseits und des Kolbens des Expansionszylinders andererseits unterschiedlich zu gestalten, insbesondere könnten die Einzelmassen in etwa gleich (speziell gleich niedrig) gestaltet sein.In further modified exemplary embodiments, inertia forces of the second order are compensated, if necessary, by balancing masses moved at twice the crankshaft speed. For this purpose, a balancer shaft coupled to the crankshaft via a fixed gearing is provided with balancing weights. In this case, provision can be made for the masses of the pistons of the combustion cylinders to be summed up on the one hand and of the piston of the expansion cylinder on the other hand to be different; in particular, the individual masses could be made approximately the same (especially the same low).

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 2 gemäß 2 beinhaltet eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, welche aus der DE 60116942 T2 im Detail entnehmbar ist. Die DE 60116942 T2 wird hinsichtlich eines möglichen Aufbaus und prinzipieller Betriebsverfahren der Brennkraftmaschine 2.1 vollumfänglich zum Bestandteil dieser Anmeldung gemacht. Insbesondere ist in einem Ausführungsbeispiel nach 2 eine in der DE 60116942 T2 im Detail erläuterte Abgasturbolader-Einheit 7 (Abgasturbolader, ATL) vorgesehen, die in die Abgasleitungen 6.1, 6.2 eingeschaltet ist. Mittels der Abgasturbolader-Einheit 7 wird aus der Brennkraftmaschine entlassenes Abgasgemisch entspannt und mittels der rückgewonnenen Energie Frischluft zur Zuführung an die Brennkraftmaschine vorverdichtet. Dazu wird das vom Expansionszylinder 2.3 ausgeschobene Abgas über die Abgasleitung 6.1 einer Entspannungsturbine des Abgasturboladers 7 zugeführt. Die gewonnene mechanische Energie wird von der Entspannungsturbine an ein Verdichterrad des Abgasturboladers 7 übertragen, mit dem der Brennkraftmaschine 2.1 zuzuführende Umgebungsluft vorverdichtet werden kann. Dem ATL nachgeschaltet ist ein Abgasreinigungskatalysator CC. Another variant of the drive unit 2 according to the invention 2 includes another variant of an internal combustion engine according to the invention, which from the DE 60116942 T2 can be extracted in detail. the DE 60116942 T2 is made a part of this application in its entirety with regard to a possible structure and basic operating methods of the internal combustion engine 2.1. In particular, in one embodiment 2 one in the DE 60116942 T2 exhaust gas turbocharger unit 7 (exhaust gas turbocharger, ATL) explained in detail, which is switched on in the exhaust gas lines 6.1, 6.2. The exhaust gas mixture discharged from the internal combustion engine is expanded by means of the exhaust gas turbocharger unit 7 and fresh air is precompressed by means of the recovered energy for supply to the internal combustion engine. For this purpose, the exhaust gas expelled from the expansion cylinder 2.3 is fed to an expansion turbine of the exhaust gas turbocharger 7 via the exhaust gas line 6.1. The mechanical energy obtained is transferred from the expansion turbine to a compressor wheel of the exhaust gas turbocharger 7, with which the ambient air to be supplied to the internal combustion engine 2.1 can be precompressed. Downstream of the turbocharger is an exhaust gas cleaning catalytic converter CC.

Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine 2.1 („5-Takt-Motor“) besonders effizient im wesentlichen stationär mit nahezu konstanter Drehzahl (oder in einem kleinen Drehzahlbereich von +/- 250 U/min um die Nenndrehzahl) betrieben und in ein serielles Hybridsystem integriert, wie sich aus der weiteren Beschreibung ergibt. Die konstante Drehzahl sowie die damit abzugebende Leistung der Brennkraftmaschine werden bevorzugt so gewählt, dass ein Punkt möglichst guter Effizienz bzw. maximalen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine (Bestpunkt) möglichst gut angenähert wird. wenn die Brennkraftmaschine nicht (mehr) benötigt wird, kann sie stillgesetzt werden und zur gegebenen Zeit wieder gestartet werden. Der Bestpunkt liegt erfindungsgemäß in einem Drehzahlbereich von 1000 U/min bis ca. 5000 U/min, insbesondere zwischen 1000 U/min bis ca. 3500 U/min.According to the invention, the internal combustion engine 2.1 (“5-stroke engine”) is operated particularly efficiently in an essentially stationary manner at an almost constant speed (or in a small speed range of +/- 250 rpm around the nominal speed) and integrated into a serial hybrid system, such as results from the further description. The constant speed and the power of the internal combustion engine to be delivered with it are preferably selected in such a way that a point of the best possible efficiency or maximum efficiency of the internal combustion engine (best point) is approximated as well as possible. if the internal combustion engine is no longer required, it can be shut down and restarted at the appropriate time. According to the invention, the best point lies in a speed range from 1000 rpm to approximately 5000 rpm, in particular between 1000 rpm to approximately 3500 rpm.

Grundsätzlich ist ein serielles Hybridsystem für einen Fahrantrieb mit einer durchschnittlichen Antriebsleistung von wesentlich mehr als 30 kW auslegbar. Erfindungsgemäß wird ein solches Gesamtsystem so ausgelegt, dass die dauerhaft mittels Brennkraftmaschine 2.1 und Generator G abgebbare Leistung kleiner oder gleich groß ist wie die zu benötigende Antriebsleistung bei gesetzlicher oder anderweitig vorher festgelegter Höchstgeschwindigkeit und/oder bei vorher festgelegter Dauerreisegeschwindigkeit. Erfindungsgemäß werden für Dauerreisegeschwindigkeiten eines Mittelklasse-PKW von 125 km/h, 145 km/h bzw. 160 km/h Nennleistungswerte von 28 kW, 40 kW bzw. 60 kW gewählt. Für kleinere oder größere Fahrzeuge sind entsprechend abweichende Werte vorgesehen.In principle, a serial hybrid system can be designed for a traction drive with an average drive power of significantly more than 30 kW. According to the invention, such an overall system is designed in such a way that the power that can be continuously delivered by means of the internal combustion engine 2.1 and generator G is less than or equal to the required drive power at the legal or otherwise previously specified maximum speed and/or at a previously specified continuous cruising speed. According to the invention, rated power values of 28 kW, 40 kW or 60 kW are selected for continuous cruising speeds of a medium-sized car of 125 km/h, 145 km/h or 160 km/h. Correspondingly deviating values are provided for smaller or larger vehicles.

Aus 6 ergibt sich eine bevorzugte Auslegung eines Antriebskonzepts für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 gemäß den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die durch die Brennkraftmaschine 2.1 samt Generator G zur Verfügung gestellte elektrische Leistung soll gerade so hoch sein, dass eine vorbestimmte Soll-Geschwindigkeit vDmax auf Dauer durch die Brennkraftmaschine 2.1 und den unmittelbar angekoppelten Generator G bei Nennleistung darstellbar ist. Erfindungsgemäß wird eine solche Dauerhöchstgeschwindigkeit vDmax bei ca. 120 km/h festgelegt. Anhand einer Fahrwiderstandskurve FK eines Mittelklassefahrzeuges gemäß 6 kann dazu eine zu installierende Nenn-Leistung PN von Generator G und Brennkraftmaschine 2.1 ermittelt werden: Dies sind bei 120 km/h Dauergeschwindigkeit des Fahrzeuges ca. 28 kW, was sich aus den kartesischen Koordinaten des Punktes F1 auf der Fahrwiderstandslinie FK ergibt.Out of 6 results in a preferred design of a drive concept for a motor vehicle 1 according to the invention in accordance with the previous exemplary embodiments. The electrical power provided by the internal combustion engine 2.1 together with the generator G should be just high enough for the internal combustion engine 2.1 and the directly coupled generator G to be able to produce a predetermined setpoint speed v Dmax at rated output over the long term. According to the invention, such a maximum continuous speed v Dmax is set at approximately 120 km/h. Based on a driving resistance curve FK of a mid-range vehicle 6 For this purpose, a rated power P N to be installed by generator G and internal combustion engine 2.1 can be determined: At a constant vehicle speed of 120 km/h, this is approximately 28 kW, which results from the Cartesian coordinates of point F1 on the driving resistance line FK.

Darüber hinausgehende Leistungserfordernisse (höhere Steigungen, höhere Geschwindigkeiten, höhere Nutzlasten) sollen kurzfristig durch eine zeitlich begrenzte Energieentnahme aus einer „Pufferbatterie“ B (bzw. aus dem Akkumulator) bestritten werden. Eine solche „Pufferbatterie“ kann erfindungsgemäß ca. 6 kWh Energiemenge speichern, mit der gemäß 6 eine Fahrgeschwindigkeit vx des Kraftfahrzeuges von 185 km/h in der Ebene über eine Zeitdauer von 5 min möglich wäre (Punkt F2). Mit derselben Energiemenge wäre hingegen eine Fahrgeschwindigkeit vy von 140 km/h für einen Zeitraum von ca. 25 min realisierbar (Punkt F3) bis zu einer weitgehenden Entladung der Batterie B. Nach Entladung der Batterie B soll das Fahrzeug erfindungsgemäß unterhalb des Punktes F1 bewegt werden, um eine sukzessive Wiederaufladung der Batterie B zu ermöglichen.Performance requirements that go beyond this (higher gradients, higher speeds, higher payloads) are to be met in the short term by a time-limited energy withdrawal from a “buffer battery” B (or from the accumulator). Such a "buffer battery" can store about 6 kWh of energy according to the invention, with the 6 a driving speed v x of the motor vehicle of 185 km/h on level ground over a period of 5 minutes would be possible (point F2). With the same amount of energy, however, a driving speed v y of 140 km/h could be achieved for a period of about 25 minutes (point F3) until battery B was largely discharged. After battery B was discharged, the vehicle should move below point F1 according to the invention to allow battery B to be gradually recharged.

Der beschriebenen Konfiguration sind für heute übliche Personenkraftwagen Hubräume zwischen 0,6 1 und 1,6 1 am 5-Takt-Motor notwendig. Durch die Nutzung des elektromotorischen Betriebszustandes sind im realen Fahrbetrieb alle Lastzustände im Stadtverkehr elektrisch abgedeckt. Ab Geschwindigkeiten von ca. 60 km/h wird die Brennkraftmaschine 2.1 zeitweilig zugeschaltet, und die Batterie B wird zeitweilig geladen - bei gleichzeitiger Entnahme von Energie durch die (Antriebs-)Motor-Generatoreinheit M/G.With the configuration described, displacements between 0.6 l and 1.6 l on the 5-stroke engine are required for today's standard passenger cars. By using the electric motor operating condition, all load conditions in city traffic are electrically covered in real driving operation. From speeds of approx. 60 km/h, the internal combustion engine 2.1 is temporarily switched on and the battery B is temporarily charged - while at the same time energy is being drawn by the (drive) motor-generator unit M/G.

In der Kombination der verschiedenen Antriebskomponenten („5-Takt-Motor“, Generator, Batterie und Elektro-Antriebsmotor) sollen die prinzipiellen Vorteile der Komponenten jeweils voll genutzt und die entsprechenden Nachteile der Einzelkomponenten vermieden werden. Dies geschieht besonders dadurch, dass der Strang „Brennkraftmaschine - Generator - Batterie“ vom Strang „Antriebs-E-Motor - Batterie“ prinzipiell entkoppelt und sodann die Brennkraftmaschine samt Generator nahe einem Bestpunkt betrieben werden kann.In the combination of the various drive components (“5-stroke engine”, generator, battery and electric drive motor), the principle advantages of the components should be fully utilized and the corresponding disadvantages of the individual components should be avoided. This is achieved in particular by the fact that the "internal combustion engine - generator - battery" line is in principle decoupled from the "drive electric motor - battery" line and the internal combustion engine and generator can then be operated close to a best efficiency point.

Weitere konstruktive Details weiterer erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen können insbesondere den 3, 3a, 4 und 5 entnommen werden. Bezugszeichen gleicher oder gleichartiger Bauteile sind gleich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen gewählt. Im übrigen sind die in den 3, 3a, 4 und 5 dargestellten Brennkraftmaschinen 2.1 in Kraftfahrzeugen gemäß den 1 und 2 (samt Varianten) ggf. auch in Kombination miteinander einsetzbar. Ebenso sind sie in einer Baugruppe nach 5a einsetzbar.Other design details of other internal combustion engines according to the invention can in particular 3 , 3a , 4 and 5 be removed. Reference symbols of the same or similar components have been chosen to be the same as in the exemplary embodiments described above. Incidentally, the in the 3 , 3a , 4 and 5 illustrated internal combustion engines 2.1 in motor vehicles according to 1 and 2 (including variants) can also be used in combination with one another if necessary. Likewise they are in an assembly after 5a usable.

Weitere Details einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2.1 sind aus 3 (einem vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen 5-Takt-Motor)sowie aus 4 (einem vergrößerten Detail desselben Motors) entnehmbar. Die Verbrennungszylinder 2.2 (Viertaktzylinder) werden bevorzugt in einem Viertaktverfahren betrieben, weshalb ihnen jeweils ein Einlassventil 12 sowie ein Auslassventil 13 in einem Zylinderkopf K zugeordnet sind. Die Ventile werden im Betrieb (in an sich bekannter Weise) von einer Nockenwelle 14 zu einer Translationsbewegung gegen die Kräfte jeweils einer Schließfeder 19 veranlasst, wobei die Nockenwelle 14 über ein Riemen- oder Kettengetriebe 15 an die Kurbelwelle 2.4 gekoppelt und am Zylinderkopf K gelagert ist. Zündkerzen sind nicht dargestellt, werden aber für die Durchführung eines Viertakt-Otto-Brennverfahrens bevorzugt verwendet.Further details of another internal combustion engine 2.1 according to the invention are shown in FIG 3 (a simplified longitudinal section through a 5-stroke engine according to the invention) and from 4 (an enlarged detail of the same engine). Combustion cylinders 2.2 (four-stroke cylinders) are preferably operated in a four-stroke process, which is why an intake valve 12 and an exhaust valve 13 in a cylinder head K are assigned to them. During operation, the valves are caused (in a manner known per se) by a camshaft 14 to perform a translational movement against the forces of a closing spring 19 in each case, with the camshaft 14 being coupled to the crankshaft 2.4 via a belt or chain transmission 15 and being mounted on the cylinder head K . Spark plugs are not shown, but are preferably used to carry out a four-stroke Otto combustion process.

Die Verbrennungszylinder 2.2 sind mit dem Expansionszylinder 2.3 im wesentlichen in ein und derselben Ebene angeordnet, wobei die jeweiligen Kolben der Zylinder 2.2, 2.3 über bevorzugt gleich lange Pleuelstangen auf die gemeinsame Kurbelwelle 2.4 einwirken. Bevorzugt ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kolbenmasse des Kolbens 11 im Expansionszylinder 2.3 zirka doppelt so groß gewählt wie die Masse eines Kolbens in einem Brennraum eines Verbrennungszylinders 2.2. Ferner ist der Durchmesser des Expansionszylinders 2.3 um ca. 25 % bis 45 %, insbesondere um ca. 40 % größer gewählt als der Durchmesser eines Brennraums V. Weiter vorteilhaft ist das Hubvolumen des Expansionszylinders 2.3 um ca. 100 % größer als das Hubvolumen eines Verbrennungszylinders.The combustion cylinders 2.2 are arranged with the expansion cylinder 2.3 essentially in one and the same plane, with the respective pistons of the cylinders 2.2, 2.3 acting on the common crankshaft 2.4 via connecting rods that are preferably of the same length. In the exemplary embodiment shown, a piston mass of the piston 11 in the expansion cylinder 2.3 is preferably selected to be approximately twice as large as the mass of a piston in a combustion chamber of a combustion cylinder 2.2. Furthermore, the diameter of the expansion cylinder 2.3 is about 25% to 45%, in particular about 40% larger than the diameter of a combustion chamber V. The displacement of the expansion cylinder 2.3 is also advantageously about 100% larger than the displacement of a combustion cylinder .

Insbesondere ist aus 3 ersichtlich, dass die Verbrennungszylinder 2.2 mit geringem seitlichem Abstand und in einer Reihe mit dem Expansionszylinder 2.3 angeordnet sind. Darüber hinaus ist der Expansionszylinder 2.3 gegenüber beiden Verbrennungszylindern 2.2 in Richtung des Zylinderkopfes K nach oben versetzt angeordnet, so dass im Zylinderkopf K jeweils ein Überströmkanal 16 zwischen den Verbrennungszylindern 2.2 einerseits und dem Expansionszylinder 2.3 andererseits ausgestaltet sein kann. Ein Überströmkanal 16 weist am oberen stirnseitigen Ende des Brennraums eines Verbrennungszylinders 2.2 eine im wesentlichen kreisrunde Öffnung L (Auslassöffnung des Verbrennungszylinders) auf, die vom Auslassventil 13 des zugehörigen Verbrennungszylinders 2.2 verschlossen werden kann. Der Überströmkanal 16 weist über seine Länge zunächst einen kreisrunden Querschnitt und schließlich einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, mit dem er am oberen Ende in den Expansionszylinder 2.3 mündet. Vorzugsweise weist der Überströmkanal 16 eine Länge von weniger als 5 cm auf.In particular, is off 3 It can be seen that the combustion cylinders 2.2 are arranged with a small lateral distance and in a row with the expansion cylinder 2.3. In addition, the expansion cylinder 2.3 is offset upwards in relation to the two combustion cylinders 2.2 in the direction of the cylinder head K, so that an overflow channel 16 can be configured in the cylinder head K between the combustion cylinders 2.2 on the one hand and the expansion cylinder 2.3 on the other. An overflow channel 16 has a substantially circular opening L (outlet opening of the combustion cylinder) at the upper front end of the combustion chamber of a combustion cylinder 2.2, which can be closed by the outlet valve 13 of the associated combustion cylinder 2.2. Over its length, the overflow channel 16 initially has a circular cross section and finally an essentially rectangular cross section, with which it opens into the expansion cylinder 2.3 at the upper end. The overflow channel 16 preferably has a length of less than 5 cm.

Vorteilhafterweise weisen die Überströmkanäle 16 nicht nur eine geringe Länge sondern auch eine geringe Krümmung mit entsprechend reduziertem Umlenkwinkel auf (mit einer Richtungsänderung von beispielsweise 70° bis 90°) - entsprechend gering ist der schädliche Totraum in den Überströmkanälen 16.Advantageously, the overflow channels 16 not only have a short length but also a small curvature with a correspondingly reduced deflection angle (with a change in direction of, for example, 70° to 90°) - the harmful dead space in the overflow channels 16 is correspondingly small.

Erfindungsgemäß erfolgt die Überleitung der Gase aus dem Verbrennungszylindern 2.2 somit durch schlitzförmige Öffnungen 17 in der zylindrischen Wand des Expansionszylinders 2.3 mit einer Strömungsrichtung in etwa senkrecht zur Zylinderachse des Expansionszylinders 2.3.According to the invention, the gases are transferred from the combustion cylinders 2.2 through slot-shaped openings 17 in the cylindrical wall of the expansion cylinder 2.3 with a direction of flow approximately perpendicular to the cylinder axis of the expansion cylinder 2.3.

Weiter erfindungsgemäß ist das Verdichtungsverhältnis ε der Verbrennungszylinder 2.2 gegenüber üblichen Werten (ε = 9,5), wenn also keine nachfolgende weitere Expansion folgt, um 10 % bis 20 % gesenkt (also erfindungsgemäß ε = 8,55 bis 7,6) und im zusätzlichen Expansionszylinder erhöht. Bei den bisherigen Motoren ohne zusätzliche Expansion wird das Verdichtungsverhältnis (gleich Expansionsverhältnis) so hoch wie möglich gewählt. Daraus entstehen die höchsten Anforderungen an die Klopffestigkeit des Kraftstoffs und die höchsten Drücke bzw. Kräfte auf viele Teile. Demgegenüber wird erfindungsgemäß ein deutlicher Vorteil erreicht, indem die Verbrennungszylinder 2.2 strukturell niedrigere Belastungen erfahren.Furthermore, according to the invention, the compression ratio ε of the combustion cylinders 2.2 is reduced by 10% to 20% compared to the usual values (ε=9.5), i.e. if there is no subsequent further expansion (i.e. according to the invention ε=8.55 to 7.6) and in additional expansion cylinder increased. In previous engines without additional expansion, the compression ratio (equal to the expansion ratio) was chosen to be as high as possible. This results in the highest demands on the anti-knock properties of the fuel and the highest pressures and forces on many parts. In contrast, a clear advantage is achieved according to the invention in that the combustion cylinders 2.2 experience lower structural loads.

Aus Bild 4 ist die Brennkraftmaschine gemäß 3 für eine erfindungsgemäße Antriebseinheit ausschnitthaft in einem teilweisen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine 2.1 dargestellt (bzw. ein Schnitt durch eine einzelne Zylindergruppe). Besonders gut erkennbar sind hierbei die von Auslassventilen 13 absperrbaren Überströmkanäle 16 zwischen den 4-Takt-Zylindern 2.2 (Brennraum-Zylinder; in 4 rechts und links) sowie dem zentralen, größeren Expansionszylinder 2.3. Bevorzugt weist der Expansionszylinder eine gegenüber den Brennraum-Zylindern 2.2 vergrößerte Länge und/oder einen gegenüber den Brennraum-Zylindern 2.2 vergrößerten Durchmesser auf.The internal combustion engine is shown in Figure 4 3 for a drive unit according to the invention shown in detail in a partial longitudinal section through the internal combustion engine 2.1 (or a section through an individual cylinder group). The overflow channels 16 between the 4-stroke cylinders 2.2 (combustion chamber cylinders; in 4 right and left) and the central, larger expansion cylinder 2.3. The expansion cylinder preferably has an increased length compared to the combustion chamber cylinders 2.2 and/or an increased diameter compared to the combustion chamber cylinders 2.2.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Wände des zusätzlichen Expansionszylinders 2.3 eine den Wärmeverlust mindernde Beschichtung T1, T2, T3, T4 aus dafür geeignetem Material aufweisen. Ein ringförmiger Bereich nahe des Zylinderkopfes K (bzw. benachbart zum Zylinderkopf K) kann dabei eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder einen ringförmigen Einsatz T1 aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Erfindungsgemäß sind beispielsweise Beschichtungen oder Einsätze aus Edelstahl, insbesondere aus Nickelhaltigem Stahl oder aus einer Keramik, weiter bevorzugt aus einem Aluminiumoxid, aus einem (Hart-)Eloxal, Nickel, Titan oder dergleichen vorgesehen. Auf der übrigen Zylinder-Wandung des Expansionszylinders 2.3 kann optional eine bis zu 100 µm dicke Beschichtung oder Oberflächenbehandlung T2 aus ähnlichem Material vorgenommen werden. Auch an der Unterseite des Zylinderkopfes K kann im Bereich des Expansionszylinders 2.3 eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder einen scheibenförmiger Einsatz T3 aus einem der oben genannten Materialien mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein. Schließlich ist besonders bevorzugt auch an einer Oberseite des Kolbens 11 des Expansionszylinders eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder ein kuppelförmiger Aufsatz T4 aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Kolben des Expansionszylinders zu mehr als 50 % seines Volumens aus einem keramischen Material hergestellt.According to the invention, it is now provided that the walls of the additional expansion cylinder 2.3 have a heat loss-reducing coating T1, T2, T3, T4 made of a suitable material. An annular area close to the cylinder head K (or adjacent to the cylinder head K) can have a 0.1 mm to 2 mm thick coating and/or an annular insert T1 made of a material with the lowest possible thermal conductivity. According to the invention, for example, coatings or inserts made of stainless steel, in particular nickel-containing steel or ceramics, more preferably aluminum oxide, (hard) anodized aluminum, nickel, titanium or the like are provided. On the remaining cylinder wall of the expansion cylinder 2.3, a coating up to 100 μm thick or surface treatment T2 made of a similar material can optionally be carried out. A 0.1 mm to 2 mm thick coating and/or a disc-shaped insert T3 made of one of the above-mentioned materials with the lowest possible thermal conductivity can also be provided on the underside of the cylinder head K in the area of the expansion cylinder 2.3. Finally, a 0.1 mm to 2 mm thick coating and/or a dome-shaped attachment T4 made of a material with the lowest possible thermal conductivity is particularly preferably also provided on an upper side of the piston 11 of the expansion cylinder. In a modified embodiment, the piston of the expansion cylinder is made of a ceramic material for more than 50% of its volume.

In den Brennraum-Zylindern 2.2 müssen die Wände durch eine Flüssigkeitskühlung auf verhältnismäßig niedriger Temperatur gehalten werden damit die Menge der Ladung nicht durch Erwärmung an den Wänden kleiner wird und es darf keine Zündung durch Verdichtung an einer heißen Wand entstehen. Diese Forderungen entfallen jedoch beim Expansionszylinder 2.3, so dass bei konstant hoher Temperatur (insbesondere in adiabater Entspannung) mechanische Arbeit gewonnen werden kann und weniger Kühlwärme abgeführt werden muss.In the combustion chamber cylinders 2.2, the walls must be kept at a relatively low temperature by liquid cooling so that the amount of charge does not decrease due to heating on the walls and ignition due to compression on a hot wall must not occur. However, these requirements do not apply to the expansion cylinder 2.3, so that mechanical work can be gained at a constantly high temperature (especially in adiabatic expansion) and less cooling heat has to be dissipated.

In modifizierten Ausführungsbeispielen sind für den Expansionszylinder 2.3 Zylinderbüchsen aus keramischen Werkstoffen, insbesondere nickelhaltigem Edelstahl, Titan oder dergleichen vorgesehen.In modified exemplary embodiments, cylinder liners made of ceramic materials, in particular stainless steel containing nickel, titanium or the like, are provided for the expansion cylinder 2.3.

Weiter erfindungsgemäß ist dem Expansionszylinder mittig, d.h. bevorzugt mit identischer (Symmetrie-)Achse ein Auslassventil 18 zugeordnet, über das Abgas das aus dem zusätzlichen Expansionszylinder in die Abgasanlage überführt werden kann. Das den Abgas-Auslass H, 20 des Expansionszylinders (2.3) sperrende Auslass-(Hub)ventil 18 weist eine Hauptachse auf, die parallel zur Hauptachse AH des Expansionszylinders ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist.According to the invention, an outlet valve 18 is assigned to the expansion cylinder in the middle, i.e. preferably with an identical (symmetry) axis, via the exhaust gas that can be transferred from the additional expansion cylinder into the exhaust system. The outlet (lift) valve 18 blocking the exhaust gas outlet H, 20 of the expansion cylinder (2.3) has a main axis which is aligned parallel to the main axis AH of the expansion cylinder, preferably arranged to coincide with it.

Das genannte Auslass-(Hub)ventil 18 kann ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff und/oder aus einem Leichtmetall wie Titan hergestellt sein und/oder mit einer keramischen Beschichtung versehen sein. Die geringe Masse wirkt sich positiv aus, z.B. auf Geräusche und geringere Massenkräfte. Eine geringere Wärmeableitung in Verbindung mit einer erhöhten Ventiltemperatur kann zu einer Reduzierung der Wärmeverluste des Expansionszylinders führen.Said outlet (lift) valve 18 can be made entirely or partially from a ceramic material and/or from a light metal such as titanium and/or can be provided with a ceramic coating. The low mass has a positive effect, e.g. on noise and lower mass forces. Lower heat dissipation coupled with increased valve temperature can result in a reduction in expansion cylinder heat losses.

Gemäß 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hinsichtlich ihres Zylinderkopfes K dargestellt. Dabei zeigt 3a beginnend von rechts oben: Längsschnitt durch den Zylinderkopf K einer Brennkraftmaschine ähnlich der in den 3 und 4 dargestellten Brennkraftmaschine; einen Querschnitt durch den Zylinderkopf im Bereich des Expansionszylinders entlang der Linie I-I; Ansicht von unten auf den Zylinderkopf entlang der Ebene II-II.According to 3a another exemplary embodiment of an internal combustion engine according to the invention is shown with regard to its cylinder head K. while showing 3a starting from the top right: longitudinal section through the cylinder head K of an internal combustion engine similar to that in FIGS 3 and 4 internal combustion engine shown; a cross section through the cylinder head in the area of the expansion cylinder along line II; Bottom view of the cylinder head along plane II-II.

In 3a ist in der rechten oberen Abbildung eine Ansicht auf eine schlitzförmige Auslassöffnung 17 des Überströmkanals im Expansionszylinder dargestellt. Die in etwa sichelförmige dreidimensionale Gestaltung der Überströmkanäle ist auch aus der linken oberen Abbildung in 3a entnehmbar. Ferner sind die Einlassöffnungen I sowie die Auslassöffnungen A der Verbrennungszylinder ebenso gut erkennbar wie die (einzige) Auslassöffnung H des Expansionszylinders, wobei durch letztere das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine in einen nicht im Detail dargestellten Abgastrakt gelangt.In 3a a view of a slot-shaped outlet opening 17 of the overflow channel in the expansion cylinder is shown in the upper right figure. The roughly crescent-shaped three-dimensional design of the overflow channels can also be seen in the top left figure in 3a removable. In addition, the inlet openings I and the outlet openings A of the combustion cylinders can be seen just as clearly as the (single) outlet opening H of the expansion cylinder, the entire exhaust gas of the internal combustion engine passing through the latter into an exhaust tract that is not shown in detail.

In 5 ist ein Schnitt durch ein Ansaugventil 12 einer Brennkraftmaschine 2.1 für eine weitere, modifizierte erfindungsgemäße Antriebseinheit 2 gezeigt. Wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass die Brennkraftmaschine nach 5 eine im wesentlichen vollständige Kapselung 50 aufweist, die als Wärme- und Schallisolierung dient. Eine derartige erfindungsgemäße Kapselung 50 soll insbesondere durch ein Ansaugrohr 20A, eine Abgasrohrleitung sowie ggf. eine oder mehrere Elektrizitätsleitungen (Kabel) sowie eine Kraftstoffleitung durchdrungen werden. Ansonsten könnte eine solche optimierte Isolierung vollständig geschlossen sein. Erfindungsgemäß kann die Isolierung durch eine Kunststoffkapsel 51 mit eingeschlossener Luftschicht, durch eine Schaumstoff-Ummantelung 52 und/oder eine sonstige Einhausung mit niedrigen Wärmedurchgangszahlen ausgestaltet werden. In bevorzugter Weise wird die Isolierung im Bereich eines Abgasrohres 6.2 fortgesetzt, so dass das einem Abgasreinigungskatalysator CC zugeführte Abgas möglichst warm am Katalysator ankommt. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kapselung mehrere unterschiedliche Isolierungs-Elemente 50, 51, 52, die sich über mindestens 80 % der Außenoberfläche der Brennkraftmaschine erstrecken, so dass diese gegen Wärmeverluste infolge Wärmeabstrahlung und Umgebungsluftanströmung wirksam geschützt ist.In 5 a section through an intake valve 12 of an internal combustion engine 2.1 for a further, modified drive unit 2 according to the invention is shown. An essential aspect here is that the internal combustion engine after 5 a substantially complete encapsulation 50 which serves as thermal and acoustic insulation. Such an encapsulation 50 according to the invention is intended to be penetrated in particular by an intake pipe 20A, an exhaust pipe and possibly one or more electricity lines (cables) and a fuel line. Otherwise, such an optimized insulation could be completely closed. According to the invention, the insulation can be designed using a plastic capsule 51 with an enclosed air layer, using a foam casing 52 and/or some other housing with low heat transfer coefficients. The insulation is preferably continued in the area of an exhaust gas pipe 6.2, so that the exhaust gas supplied to an exhaust gas cleaning catalytic converter CC arrives at the catalytic converter as warm as possible. In a preferred embodiment, the encapsulation includes several different insulation elements 50, 51, 52, which extend over at least 80% of the outer surface of the internal combustion engine, so that it is effectively protected against heat loss due to heat radiation and ambient air flow.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit, insbesondere der Brennkraftmaschine nach 5 eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 100°C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 20°C Lufttemperatur) und bei einer Fahrtwindanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h um weniger als 3 K pro Minute absinkt. Hierzu ist eine Abschätzung in den 5b und 5c dargestellt, aus denen sich ein beispielhafter Verlauf der Motorkern-Temperatur MT ergibt, wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist und ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug einen NEFZ-Fahrzyklus durchfährt. Vorzugsweise wird die Motorkerntemperatur MT erfindungsgemäß am Zylinderkopf K oder am Kurbelgehäuse gemessen.In an embodiment of the invention, the drive unit, in particular the internal combustion engine 5 a thermally effective insulation assigned in such a way that an internal temperature of the internal combustion engine of more than 100°C under standard ambient conditions (in particular 20°C air temperature) and with an airstream flow at a flow rate of 80 km/h drops by less than 3 K per minute. For this purpose, an estimate in the 5b and 5c shown, from which an exemplary course of the engine core temperature MT results when the internal combustion engine is switched off and a motor vehicle according to the invention runs through an NEDC driving cycle. According to the invention, the engine core temperature MT is preferably measured at the cylinder head K or at the crankcase.

In 5c sind (neben der Motorkerntemperatur MT) in durchgezogener Linie der Batterieladezustand SOC [in Prozent vom Maximum] sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit v [in km/h] über der Test-Zyklus-Zeit [in Sekunden] dargestellt. Für die Bestimmung der Daten wird ein Kraftfahrzeug mit folgenden Daten angenommen: Masse m = 1300 kg, Luftwiderstandsbeiwert cw = 0,32, Stirnfläche A = 2,17 m2, fR = 0,01, Ä = 1,11; iges 6,5, f_rek =0,9.In 5c the battery state of charge SOC [in percent of the maximum] and the vehicle speed v [in km/h] over the test cycle time [in seconds] are shown in a solid line (in addition to the engine core temperature MT). A motor vehicle with the following data is assumed to determine the data: mass m = 1300 kg, drag coefficient cw = 0.32, frontal area A = 2.17 m 2 , fR = 0.01, Ä = 1.11; full 6.5, f_rec =0.9.

In 5a sind ein System und ein Verfahren zu einer erfindungsgemäßen Abgasenergierückgewinnung veranschaulicht, das mit den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann. Entsprechend sind für gleiche oder gleichwirkende Elemente identische Bezugszeichen vergeben.In 5a a system and a method for exhaust gas energy recovery according to the invention are illustrated, which can be combined with the previously described exemplary embodiments. Correspondingly, identical reference symbols are assigned to elements that are the same or have the same effect.

Das System zur Abgasenergierückgewinnung umfasst ähnlich wie beim Kraftfahrzeug 1 nach 2 eine erfindungsgemäße mehrzylindrige Brennkraftmaschine 2.1 nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, einen Abgasturbolader 7 sowie einen Abgaskatalysator CC. Über einen Expansionszylinder 2.3 der Brennkraftmaschine 2.1 (5-Takt-Motor, s.o.) wird in einer ersten Stufe Energie aus dem Abgas entnommen, indem das Abgas im Expansionszylinder 2.3 nachentspannt wird. Wärme und Druck des Abgases werden quasi wie in einem fünften Arbeitstakt in mechanische Arbeit umgewandelt und direkt auf die Kurbelwelle 2.4 der Brennkraftmaschine 2.1 gebracht. Das so entspannte Abgas wird über eine Abgasleitung 6.1 dem Abgasturbolader 7 zugeführt. In einer zweiten Stufe wird dem Abgas mittels des Abgasturboladers 7 weitere Energie entzogen bevor das Abgas in eine Abgasnachbehandlungsanlage (Katalysator CC) gelangt. Der Abgasturbolader verdichtet Verbrennungsluft, die über ein Ansaugrohr 20A den Verbrennungszylindern 2.2 zugeführt wird, und transferiert so auf die zu verdichtende Verbrennungsluft aus dem Abgas entnommene Energie.The system for exhaust gas energy recovery includes similar to the motor vehicle 1 after 2 an inventive multi-cylinder internal combustion engine 2.1 according to one of the exemplary embodiments described above, an exhaust gas turbocharger 7 and an exhaust gas catalytic converter CC. In a first stage, energy is removed from the exhaust gas via an expansion cylinder 2.3 of the internal combustion engine 2.1 (5-stroke engine, see above) by the exhaust gas being post-expanded in the expansion cylinder 2.3. The heat and pressure of the exhaust gas are converted into mechanical work, as it were in a fifth working stroke, and brought directly to the crankshaft 2.4 of the internal combustion engine 2.1. The exhaust gas expanded in this way is fed to the exhaust gas turbocharger 7 via an exhaust pipe 6.1. In a second stage, further energy is extracted from the exhaust gas by means of the exhaust gas turbocharger 7 before the exhaust gas enters an exhaust gas aftertreatment system (catalyst CC). The exhaust gas turbocharger compresses combustion air, which is supplied to the combustion cylinders 2.2 via an intake pipe 20A, and thus transfers energy taken from the exhaust gas to the combustion air to be compressed.

In einer dritten Stufe kann beispielsweise in einem Kaltstart-Prozess restliche Abgaswärme (nach dem Katalysator CC) über einen Abgas/Wasser-Wärmetauscher W an einen Kühlwasserkreislauf 2.8 der Brennkraftmaschine 2.1 übertragen werden. Für letzteres ist eine Regelklappe 6.3 in einem Abgasabzweigrohr 6.4 angeordnet. Wie aus 5a deutlich wird, soll das so abgekühlte Abgas in einem Kaltstart-Prozess nach einem Luftfilter F der Brennkraftmaschine in ein Ansaugrohr 20B zurückgeführt werden, wodurch sich quasi eine vierte Stufe der Energierückgewinnung bzw. Energierückhaltung ergibt.In a third stage, for example, in a cold start process, residual exhaust gas heat (after the catalytic converter CC) can be transferred via an exhaust gas/water heat exchanger W to a cooling water circuit 2.8 of the internal combustion engine 2.1. For the latter, a control valve 6.3 is arranged in an exhaust gas branch pipe 6.4. How out 5a it becomes clear that the exhaust gas cooled in this way should be fed back into an intake pipe 20B after an air filter F of the internal combustion engine in a cold start process, resulting in a quasi fourth stage of the Energy recovery or energy retention results.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sowie aus den Unteransprüchen in beliebiger Kombination.Further features and combinations of features result from combinations of the exemplary embodiments described above and from the dependent claims in any combination.

Claims (15)

Antriebseinheit insbesondere für ein Kraftfahrzeug umfassend - eine Brennkraftmaschine (2.1) mit wenigstens zwei Brennräumen (V) in Verbrennungszylindern (2.2), in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen (V) beweglich gelagerte Kolben (Z) eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben (Z) eine Abtriebswelle (2.4) (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei ein erster elektromechanischer Energiewandler (G) mechanisch an die Abtriebswelle (2.4) der Brennkraftmaschine (2.1) gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie (B) austauscht, und wobei ein weiterer elektromechanischer Energiewandler (M/G) mechanisch mit wenigstens einer Radwelle (4) des Kraftfahrzeugs (1) gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit (B) für elektrische Energie austauscht, wobei - die Brennkraftmaschine (2.1) wenigstens zwei nach einem Viertakt-Verfahren betriebene Brennräume (V) sowie einen auf dieselbe Abtriebswelle wirkenden Expansionszylinder (2.3) aufweist, in dem aus den Brennräumen (V) ausgeschobenes Abgasgemisch nachentspannt wird, wobei - den Brennräumen (V) ein weiterer Arbeitsraum in Form des Expansionszylinders (2.3) zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen (V) ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (2.4) entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass (20, 6.1) übergeführt wird, und wobei - Massenkräfte zweiter Ordnung durch eine über ein festes Getriebe an die Abtriebswelle (2.4) gekoppelte Ausgleichswelle mit Ausgleichsmassen ausgeglichen werden, die mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegt ist.Comprising a drive unit, in particular for a motor vehicle - An internal combustion engine (2.1) with at least two combustion chambers (V) in combustion cylinders (2.2), in each of which a fuel-air mixture (starting mixture) is reacted chemically exothermally at a time interval in such a way that an exhaust gas mixture with an increased latent Heat and increased pressure is generated, with the exhaust gas mixture exerting a compressive force on the pistons (Z) movably mounted in the combustion chambers (V) in such a way that an output shaft (2.4) (crankshaft) is set in rotation with the help of the pistons (Z), wherein a first electromechanical energy converter (G) is mechanically coupled to the output shaft (2.4) of the internal combustion engine (2.1) and exchanges electrical energy with a storage unit for electrical energy (B), and wherein a further electromechanical energy converter (M/G) mechanically communicates with at least a wheel shaft (4) of the motor vehicle (1) is coupled and also electrical energy with the storage unit (B) for ele exchanges ktric energy, where - the internal combustion engine (2.1) has at least two combustion chambers (V) operated according to a four-stroke process and an expansion cylinder (2.3) acting on the same output shaft, in which the exhaust gas mixture pushed out of the combustion chambers (V) is post-expanded, wherein - the combustion chambers (V) are assigned a further working chamber in the form of the expansion cylinder (2.3), in which the exhaust gas mixture pushed out of the combustion chambers (V) is expanded while delivering mechanical power to the output shaft (2.4) and then fed into an exhaust gas outlet (20 , 6.1) is converted, and where - Second-order inertia forces are compensated for by a balancer shaft with balancer masses which is coupled to the output shaft (2.4) via a fixed gear and which is moved at twice the crankshaft speed. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) in einem überwiegenden Betriebszustand näherungsweise stationär in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben oder stillgesetzt ist.Drive unit for a motor vehicle claim 1 , wherein the internal combustion engine (2.1) in a predominant operating state is operated approximately stationary in a speed range between 1000 rpm and 5000 rpm or is shut down. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der erste elektromechanische Energiewandler (G) mit der Abtriebswelle (2.4) der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelt ist und überwiegend als Generator betrieben wird zum Aufladen der Speichereinheit (B) für elektrische Energie, wobei der weitere elektromechanische Energiewandler (M/G) als Antriebsund Bremseinheit für die wenigstens eine Radwelle (4) des Kraftfahrzeugs (1) vorgesehen ist, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) im Betrieb mit einer um weniger als 500 U/min schwankenden Drehzahl (quasi stationär), insbesondere in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben oder stillgesetzt ist.Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 2 , wherein the first electromechanical energy converter (G) is mechanically coupled to the output shaft (2.4) of the internal combustion engine and is mainly operated as a generator for charging the storage unit (B) for electrical energy, the further electromechanical energy converter (M/G) as a drive and braking unit for the at least one wheel shaft (4) of the motor vehicle (1), the internal combustion engine (2.1) operating at a speed that fluctuates by less than 500 rpm (quasi stationary), in particular in a speed range between 1000 rpm and 5000 rpm is operated or stopped. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei - der Brennkraftmaschine (2.1) ein Abgasturbolader (7) zugeordnet ist, der das aus dem Expansionszylinder (2.3) abgeführte Abgasgemisch in einem Abgasturbolader (7) weiter entspannt, wobei - den Brennräumen (V) zuzuführende Luft mit Hilfe des Abgasturboladers vorverdichtet wird.Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 3 , wherein - the internal combustion engine (2.1) is assigned an exhaust gas turbocharger (7) which further expands the exhaust gas mixture discharged from the expansion cylinder (2.3) in an exhaust gas turbocharger (7), wherein - air to be supplied to the combustion chambers (V) is precompressed with the aid of the exhaust gas turbocharger . Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei - die Brennkraftmaschine (2.1) zwei in gleichmäßigem Zündabstand von 360° arbeitende Viertaktzylinder (2.2) sowie einen zusätzlichen, größeren Expansionszylinder (2.3) für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei - der Expansionszylinder (2.3) abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern (2.2) aufgenommene Verbrennungsgase in einem Zweitakt- verfahren entspannt, wobei - die Überleitung der Gase aus den Viertaktzylindern durch Öffnungen (17) in einer zylindrischen Wand des Expansionszylinders (2.3), insbesondere mit einer Strömungsrichtung in etwa senkrecht zur Zylinderachse erfolgt.Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 4 , wherein - the internal combustion engine (2.1) has two four-stroke cylinders (2.2) working with a uniform ignition interval of 360° and an additional, larger expansion cylinder (2.3) for a subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinders, wherein - the expansion cylinder (2.3) alternately consists of the two Combustion gases absorbed by four-stroke cylinders (2.2) are expanded in a two-stroke process, whereby - the gases are transferred from the four-stroke cylinders through openings (17) in a cylindrical wall of the expansion cylinder (2.3), in particular with a direction of flow approximately perpendicular to the cylinder axis. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei wenigstens eine Wandung des zusätzlichen Expansionszylinders (2.3) und/oder eine Wandung des im Expansionszylinder geführten Kolbens (11) eine Wärmeverluste mindernde Schicht (T1, T2, T3, T4) aus einem Material aufweisen, dessen Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ist als 200 W/ (m*K), insbesondere niedriger als 50 W/ (m*K).Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 5 , wherein at least one wall of the additional expansion cylinder (2.3) and/or one wall of the piston (11) guided in the expansion cylinder has a heat loss-reducing layer (T1, T2, T3, T4) made of a material whose thermal conductivity λ is lower than 200 W / (m*K), in particular lower than 50 W/ (m*K). Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Brennkraftmaschine (2.1) eine thermisch wirksame Isolierung (50, 51, 52) derart zugeordnet ist, dass eine Innentemperatur (MT) der Brennkraftmaschine von mehr als 100°C bei Norm- Umgebungsbedingungen, insbesondere bei 20°C Umgebungstemperatur, um weniger als 3 K pro Minute absinkt.Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 6 , wherein the internal combustion engine (2.1) is assigned a thermally effective insulation (50, 51, 52) in such a way that an internal temperature (MT) of the internal combustion engine of more than 100° C. under standard ambient conditions, in particular at an ambient temperature of 20° C., is less than 3 K per minute. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das den Abgas-Auslass (H, 20) des Expansionszylinders (2.3) sperrende Auslass-Hubventil (18) ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit λ insbesondere niedriger gewählt ist als 50 W/(m*K).Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 7 , wherein the exhaust lift valve (18) blocking the exhaust gas outlet (H, 20) of the expansion cylinder (2.3) is made entirely or partially of a ceramic material, the thermal conductivity λ of which is selected to be lower than 50 W/(m*K) . Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das den Abgas-Auslass (H, 20) des Expansionszylinders (2.3) sperrende Auslass-(Hub)ventil eine Hauptachse aufweist, die parallel zur Hauptachse (AH) des Expansionszylinders (2.3) ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist.Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 8th , wherein the exhaust (lift) valve blocking the exhaust gas outlet (H, 20) of the expansion cylinder (2.3) has a main axis which is aligned parallel to the main axis (AH) of the expansion cylinder (2.3), preferably arranged to coincide with it. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei - die Brennkraftmaschine (2.1) eine erste Zylindergruppe mit zwei in gleichmäßigem Zündabstand arbeitenden Viertaktzylindern (2.2) sowie einem zusätzlichen, Expansionszylinder (2.3) für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei - der Expansionszylinder (2.3) abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern (2.2) aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei - die Brennkraftmaschine wenigstens eine zweite Zylindergruppe aufweist, die im Wesentlichen gleich der ersten Zylindergruppe ausgestaltet und insbesondere m V-Form, Stern-Form oder Boxer- Form mit einem Winkel großer 0° zur ersten Zylindergruppe geneigt angeordnet ist, wobei - die erste und die zweite Zylindergruppe eine gemeinsame Abtriebswelle (2.4) antreiben.Drive unit for a motor vehicle according to one of Claims 1 until 9 , wherein - the internal combustion engine (2.1) has a first cylinder group with two four-stroke cylinders (2.2) working with equal ignition intervals and an additional expansion cylinder (2.3) for a subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinders, wherein - the expansion cylinder (2.3) alternately consists of the two Combustion gases absorbed by four-stroke cylinders (2.2) are expanded, and wherein - the internal combustion engine has at least one second cylinder group which is designed essentially the same as the first cylinder group and in particular has a V shape, star shape or boxer shape with an angle greater than 0° to the first cylinder group is arranged inclined, wherein - the first and the second cylinder group drive a common output shaft (2.4). Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen (1) mit einer Antriebseinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Motor vehicle, in particular passenger car (1) with a drive unit (2) according to one of Claims 1 until 10 . Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, wobei der Antriebseinheit (2), insbesondere der Brennkraftmaschine (2.1) eine thermisch wirksame Isolierung (50, 51, 52) derart zugeordnet ist, dass eine Innentemperatur (MT) der Brennkraftmaschine (2.1) von mehr als 100°C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 20CC Lufttemperatur) und bei einer Fahrtwindanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h um weniger als 3 K pro Minute absinkt.motor vehicle after claim 11 , wherein the drive unit (2), in particular the internal combustion engine (2.1), is assigned thermally effective insulation (50, 51, 52) in such a way that an internal temperature (MT) of the internal combustion engine (2.1) is more than 100° C. under standard ambient conditions (especially an air temperature of 20 C C) and falls by less than 3 K per minute in the case of a headwind flow with a flow speed of 80 km/h. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) eine erste Zylindergruppe mit zwei Viertaktzylindern (2.2) sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder (2.3) für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei der Expansionszylinder (2.3) abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern (2.2) aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei der Zylindergruppe ein gemeinsamer Abgas-Auslass (20) sowie eine anschließende gemeinsame, thermisch isolierte Abgasrohrleitung (6.1) aufweist, deren radiale Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ausgelegt ist als 50 W/ (m*K).Motor vehicle according to one of Claims 11 or 12 , wherein the internal combustion engine (2.1) has a first cylinder group with two four-stroke cylinders (2.2) and an additional expansion cylinder (2.3) for a subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinders, the expansion cylinder (2.3) alternately expanding the combustion gases taken from the two four-stroke cylinders (2.2). , and wherein the cylinder group has a common exhaust gas outlet (20) and a subsequent common, thermally insulated exhaust gas pipe (6.1) whose radial thermal conductivity λ is designed to be lower than 50 W/(m*K). Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei - der Brennkraftmaschine im Bereich einer Abgasrohrleitung (6.1, 6.2) ein Katalysator (CC) zugeordnet ist, wobei - in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator Abgas aus der Abgasrohrleitung (6.2) entnommen wird und über eine gezielte Abgasrückführung zu einem Wärmetauscher (W) geleitet wird, über den Wärme vom Abgas zum Kühlwasser (2.8) transferiert wird, wobei - das gekühlte Abgas dann entweder der Saugseite (20B) der Brennkraftmaschine (2.1) oder erneut der Abgasrohrleitung (6.2) zugeführt wird.Motor vehicle according to one of Claims 11 until 13 , wherein - a catalytic converter (CC) is assigned to the internal combustion engine in the area of an exhaust pipe (6.1, 6.2), wherein - exhaust gas is taken from the exhaust pipe (6.2) downstream of the catalytic converter and routed to a heat exchanger (W) via targeted exhaust gas recirculation is transferred via the heat from the exhaust gas to the cooling water (2.8), wherein - the cooled exhaust gas is then either fed to the intake side (20B) of the internal combustion engine (2.1) or again to the exhaust pipe (6.2). Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Antriebseinheit (2) als serielles Hybridsystem derart ausgelegt ist, das die Auslegeleistung kleiner oder gleich dem zugehörigen Leistungswert gemäß der Fahrtwiderstandslinie (FK) des Kraftfahrzeugs in der Ebene ist, die bei einer definierten Referenzgeschwindigkeit (vomax), insbesondere bei 100 km/h, 125 km/h, bei 145 km/h oder 160 km/h erreicht wird.Motor vehicle according to one of Claims 11 until 14 , wherein the drive unit (2) is designed as a serial hybrid system in such a way that the design power is less than or equal to the associated power value according to the driving resistance line (FK) of the motor vehicle on the level at a defined reference speed (vo max ), in particular at 100 km /h, 125 km/h, at 145 km/h or 160 km/h.
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