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.
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
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
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
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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 derBrennkraftmaschine nach 3 , -
5 in einem Querschnittdie 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.
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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 alongitudinal section 3 , -
5 the internal combustion engine in across 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
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
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
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
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
Gemäß
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
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
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
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
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
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
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
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
Weitere Details einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2.1 sind aus
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
Insbesondere ist aus
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
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
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
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
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
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)
Gemäß
In
In
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit, insbesondere der Brennkraftmaschine nach
In
In
Das System zur Abgasenergierückgewinnung umfasst ähnlich wie beim Kraftfahrzeug 1 nach
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
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.
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