DE19801168C2 - Hybridantrieb und Verfahren zu seiner Steuerung - Google Patents

Hybridantrieb und Verfahren zu seiner Steuerung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Steuerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Ein derartiger Hybridantrieb ist aus der DE 44 36 383 A1 be­ kannt. Dieser weist einen Verbrennungsmotor und einen Elektro­ motor als alternative Antriebe auf, die auf die Antriebswelle eines Geschwindigkeitswechselgetriebes eines Kraftfahrzeugs wirken. Hierbei ist zur Verringerung des Bau- und Steuerungs­ aufwandes der Elektromotor über eine Drehzahl-Untersetzungs­ stufe direkt auf die Antriebswelle geschaltet.
Bei einem Hybridantrieb handelt es sich um einen Antrieb, bei dem mehrere Antriebsarten im Wechsel oder nebeneinander ver­ wendet werden können, wie es z. B. aus der DE 42 17 668 C2 be­ kannt ist. Beispielsweise weist ein Hybridantrieb einen Ver­ brennungsmotor und einen Elektromotor auf, mittels derer wahl­ weise eine Antriebsachse des Fahrzeugs antreibbar ist. Ziel dieser Hybridantriebe ist insbesondere eine schadstoffärmere Gestaltung eines Fahrzeugantriebs. So kann beispielsweise bei einer geringeren Beanspruchung des Antriebs das Fahrzeug aus­ schließlich mit dem Elektromotor, und bei höherer Belastung mit dem Verbrennungsmotor oder auch beiden Motoren angetrieben werden.
Es ist ferner möglich, den Fahrzeugantrieb während der Kalt­ laufphase des Verbrennungsmotors über den Elektromotor durch­ zuführen, und den Verbrennungsmotor erst bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur zuzuschalten. Hierdurch kann beispielsweise gewährleistet werden, daß der Verbrennungsmotor erst dann Antriebsleistung erbringen muß, wenn ein vorgesehe­ ner Katalysator seine Reaktionstemperatur erreicht hat. Da bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren der Großteil der Schadstof­ femissionen während der Kaltlaufphase erzeugt wird, kann mit dieser Maßnahme die Schadstoffbelastung der Umwelt verringert werden. Es ist in diesem Zusammenhang erstrebenswert, die Kaltlaufphase zu verkürzen bzw. die Temperatur des Motors mög­ lichst schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur zu brin­ gen. Zu diesem Zwecke wurde in der DE 195 48 120 C1 vorgeschlagen, den Ver­ brennungsmotor in einer Kaltlaufphase unbefeuert von einem Ge­ nerator schleppen zu lassen und die von einer in einem Saugrohr des Verbrennungsmotors angeordneten Heizvorrichtung aufgeheiz­ ten Gase den Brennräumen des Verbrennungsmotors zuzuführen. Nachteilig ist hierbei, daß der Verbrennungsmotor während die­ ser Kaltlaufphase keinen Beitrag zur Gesamtantriebsleistung liefert, so daß der Elektromotor relativ groß dimensioniert werden muß.
Bei herkömmlichen Verbrennungsmotorantrieben ist es bekannt, die Kaltlaufphase durch Erhöhung des Abgasgegendrucks im Ab­ gasstrang zu verkürzen. Hierdurch läßt sich eine isotherme Ent­ spannung der Abgase erreichen, wodurch mittels einer hierbei auftretenden Verwirbelung bzw. Tosarbeit ein im Abgasstrang an­ geordneter Katalysator relativ schnell auf seine Reaktions- bzw. Betriebstemperatur bringbar ist. Es tritt jedoch das Pro­ blem auf, daß die bei kaltem Motor ohnehin geschwächte An­ triebsleistung durch den Abgasgegendruck weiter vermindert wird, so daß beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen aus fahrdynamischen Gründen eine Verringerung des Abgasgegendrucks notwendig ist. Derartige Betriebspunktveränderungen des Ver­ brennungsmotors verstärken jedoch die Abgasrohemissionen, so daß der Nutzeffekt dieser Maßnahme insgesamt gering ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Abgasemissions­ verhaltens eines Hybridantriebs.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Hybridantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.
Erfindungsgemäß ist es nun möglich, die Kaltlaufphase eines Verbrennungsmotors eines Hybridantriebs in wirksamer Weise zu verkürzen, ohne die Gesamtleistung des Hybridantriebs während dieser Zeit zu beeinträchtigen. Im Gegensatz zu bisher bekann­ ten Maßnahmen kann erfindungsgemäß der Verbrennungsmotor be­ reits während der Kaltlaufphase einen Beitrag zur Gesamtlei­ stung des Hybridantriebs liefern. Ferner kann erstmals während einer Kaltlaufphase eines Verbrennungsmotors ein Abgasgegen­ druck zur Verkürzung der Kaltlaufphase erzeugt werden ohne die Leistung des Fahrzeugantriebs insgesamt zu verringern. Es er­ weist sich ferner als sehr vorteilhaft, während der Kaltlauf­ phase des Motors auftretende veränderliche Anforderungen an die Antriebsleistung ausschließlich mittels des Elektromotors zu kompensieren. Hierdurch ist es möglich, den Verbrennungsmotor während der Kaltlaufphase im wesentlichen unter konstanten Be­ triebsbedingungen zu betreiben, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors stark vermindert werden können.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hy­ bridantriebs weist dieser eine im Abgasstrang angeordnete Dros­ seleinrichtung zur Regelung des Abgasgegendrucks auf. Eine der­ artige Einrichtung ist in einfacher und zuverlässiger Weise be­ tätigbar. Es sei angemerkt, daß der gewünschte Drosseleffekt beispielsweise auch über den Querschnittsverlauf des Abgas­ strangs einstellbar wäre.
Zweckmäßigerweise ist im Abgasstrang ein Katalysator angeord­ net. Durch Anordnung des Katalysators stromabwärts von der Drosseleinrichtung (isotherme Drosselung eines Idealgases) kön­ nen Tosarbeit verrichtende Verwirbelungen im Abgasstrom wirksam zur Erwärmung des Katalysators auf seine Reaktionstemperatur genutzt werden, wodurch die Kaltlaufphase des Katalysators bzw. des Verbrennungsmotors verkürzt werden kann. Der Katalysator kann jedoch auch stromaufwärts von der Drosseleinrichtung ange­ ordnet sein, wo ebenfalls eine höhere Abgastemperatur aufgrund des Gegendrucks existiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Hybridantriebs weist dieser eine Antriebssteuereinheit auf, mittels der insbesondere die Drehzahl und/oder die Motorlast des Verbrennungsmotors wäh­ rend der Kaltlaufphase der Verbrennungsmaschine steuerbar ist. Hierdurch können Drehzahl und Motorlast während der Kaltlauf­ phase innerhalb gewisser Grenzen geregelt werden, so daß eine optimale Erwärmungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors bzw. des Katalysators unter Berücksichtigung minimaler Schadstoffe­ missionen eingestellt werden kann. Ferner kann hierdurch inner­ halb der genannten Grenzen eine gewisse Leistungsanpassung des Verbrennungsmotors an die zu erbringende Fahrleistung erfolgen, so daß nicht die gesamte Differenzleistung zu einem verbren­ nungsmotorischen Betriebspunkt vom Elektromotor und der Batte­ rie aufgebracht werden muß, wodurch letztere Komponenten klei­ ner dimensionierbar sind.
Zweckmäßigerweise wird hierbei die Motordrehzahl auf 1200 bis 2000 min-1 und die Motorlast auf 2 bis 6 bar pme eingestellt. Die Antriebssteuereinheit des Hybridantriebs kann den Verbren­ nungsmotor innerhalb dieser Grenzen steuern, um so eine sinn­ volle Leistungsanpassung an eine aktuell erforderliche Fahrlei­ stung zu ermöglichen. Wie bereits erwähnt, wird hierdurch ver­ mieden, daß die gesamte, für einen verbrennungsmotorischen Be­ triebspunkt benötigte Leistung vom Elektromotor bzw. einer Fahrzeugbatterie aufgebracht werden muß. Der Verbrennungsmotor arbeitet innerhalb der angegebenen Bereiche unter energetischen und ökologischen Gesichtspunkten besonders effektiv.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind ferner Mittel zur direkten Erwärmung des Katalysators und/oder eine Einrichtung zur Kühlwasserbeheizung, insbesondere ein Abgaswärmetauscher, und/oder eine Abgasrückführung, und/ oder eine Standheizungseinrichtung vorgesehen. Diese Maßnahmen tragen selbständig oder in Kombination in wirksamer Weise zu einer weiteren Verkürzung der Kaltlaufphase des Verbrennungsmo­ tors bzw. des Katalysators bei.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird der Verbrennungsmotor während der Kalt­ laufphase im wesentlichen bei gleichbleibender Drehzahl und Last betrieben, wobei während dieser Phase benötigte bzw. auf­ tretende zusätzliche Leistung mittels des Elektromotors bereit­ gestellt bzw. einer aufladbaren Batterie des Fahrzeugs zuge­ führt wird. Hierdurch ist ein besonders umweltfreundlicher Be­ trieb des Hybridantriebs möglich.
In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung im einzelnen darstellt.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Beispiels eines Hy­ bridantriebs für ein Fahrzeug.
In Fig. 1 ist schematisch ein Hybridantrieb für ein Fahrzeug dargestellt. Er weist einen Verbrennungsmotor 1 und einen Elek­ tromotor 4 auf. Dem Verbrennungsmotor ist ein Generator 2 zuge­ ordnet, welcher über einen Wechselrichter 17 mit einer Batterie bzw. einem Akkumulator 16 verbunden ist. Der Elektromotor 4 ist ebenfalls über den Gleichrichter 17 mit der Batterie 16 verbun­ den. Verbrennungsmotor 1 und Elektromotor 4 sind jeweils über Kupplungen, von denen nur die Kupplung 3 des Verbrennungsmotors 1 dargestellt ist, mit Eingangswellen eines Getriebes 5 verbun­ den. Das Getriebe 5 wirkt über eine Kardanwelle 6 und eine nicht dargestellte Vorder- oder Hinterachse auf ebenfalls nicht dargestellten Antriebsräder des Fahrzeugs. Der Elektromotor 4 wird entweder durch die Batterie 16 angetrieben oder lädt im Generatorbetrieb die Batterie auf. Bei jeweils geschlossenen Kupplungen wirken Verbrennungsmotor 1 und Elektromotor parallel auf die Eingangswelle bzw. -wellen des Getriebes 5 ein.
Abgase des Verbrennungsmotors 1 gelangen über einen Abgaskrüm­ mer 7 in den Hauptabgasstrang 8, in welchem eine steuerbare Sperrklappe 9 angeordnet ist. Parallel zum Hauptabgasstrang 8 ist ein Drosselabgasstrang 10 ausgebildet, in welcher eine ein­ stellbare Regeldrossel 11 angeordnet ist. Stromabwärts von Re­ geldrossel 11 mündet der Drosselabgasstrang in den Hauptab­ gasstrang 8. In diesem Abschnitt des Hauptabgasstrangs 8 sind ein Temperaturfühler 18 und ein Katalysator 12 ausgebildet. Stromabwärts von Katalysator 12 ist ein Endschalldämpfer 13 an­ geordnet. Über eine mit dem Verbrennungsmotor und dem Elektro­ motor in Wirkverbindung stehende Antriebssteuereinrichtung 14 ist der Hybridantrieb entsprechend der Betätigung eines Fahrpe­ dals 15 (und/oder eines nicht dargestellten Schalthebels) steu­ erbar. Es sei angemerkt, daß die Antriebssteuereinrichung 14 aus Gründen der Darstellungsvereinfachung mittels lediglich steuereinrichtungsseitig dargestellter Steuerleitungen mit den jeweiligen Aggregaten und Komponenten des Hybridantriebs ver­ bunden ist. Die Antriebssteuereinrichtung 14 steuert insbeson­ dere während einer Kaltlaufphase (auch als Start- oder Warm­ laufphase bezeichnet) den Verbrennungsmotor 1 derart, daß seine Drehzahl und seine Last innerhalb bestimmter Grenzwerte blei­ ben, so daß die Emissionen des Verbrennungsmotors 1 minimal ge­ halten werden können. Zur Gewährleistung möglichst geringer Schadstoffemissionen während der Kaltlaufphase steuert die Steuereinrichtung 14 den Verbrennungsmotor 1 vorteilhafterweise derart, daß seine Drehzahl zwischen 1200 und 2000 min-1 und die Motorlast zwischen 2 und 6 bar pme liegt (hierbei dient als Maß für die Motorlast der mittlere effektive Kolbendruck pme).
Zur Verkürzung der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors wird während dieser Phase ein vorbestimmbarer Anteil der Abgase über den Drosselabgasstrang 10 geleitet. Die Steuerung dieses An­ teils erfolgt über eine entsprechende Einstellung der Sperr­ klappe 9 und der Regeldrossel 11. Die Einstellung der Regel­ drossel 11 beeinflußt hierbei die Drosselarbeit der Abgase so­ wie den Abgasgegendruck. Hierdurch wird insbesondere am Ort des Katalysators 12 die Abgastemperatur gesteigert, wodurch sich der Katalysator 12 schneller auf seine Reaktionstemperatur er­ wärmt. Mit Erreichen der Reaktionstemperatur des Katalysators ist die Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors 1 beendet. Zu die­ sem Zeitpunkt wird die Abgasdrosselung zurückgenommen und der Hybridantrieb wird in an sich bekannter Weise in seiner Normal­ betriebsart betrieben.
Während der Kaltlaufphase wird also der Verbrennungsmotor mit einer einstellbaren Last und einem einstellbaren Abgasgegen­ druck betrieben, so daß er insgesamt eine verringerte Leistung an seine Kurbel- bzw. Ausgangswelle abgibt. Diese Ausgangslei­ stung des Verbrennungsmotors wird mittels der Steuereinrichtung innerhalb der genannten Grenzwerte stabilisiert (phlegmatisier­ ter Lastbetrieb). Zu hohe Motorlasten würden hierbei zu unver­ hältnismäßig hohen Abgasemissionen führen, während bei zu nied­ rigen Motorlasten die Kaltlaufphase nicht wirksam verkürzt wer­ den kann, was ebenfalls zu erhöhten Abgasemissionen führt. Ähn­ liches gilt für starke Schwankungen der Motorlast während der Kaltlaufphase, welche durch die Steuereinrichtung vermieden werden. Zusätzlich benötigte Leistung zur Bereitstellung aller fahrdynamischen Momente wird hierbei vom Elektromotor gelie­ fert. Unter fahrdynamischen Momenten werden hierbei sowohl Zu­ satzdrehmomente bei Beschleunigungsvorgängen als auch generato­ rische Bremsmomente verstanden. Derartige Bremsmomente entste­ hen dann, wenn die Fahrleistungsanforderungen unterhalb der ge­ nannten, für eine schnelle Erwärmung des Motors geeigneten Lastwerte liegen. Ein derart entstehender Energieüberschuß wird vorteilhafterweise zur Ladung der Batterie genutzt.
Insgesamt wird also die Motorlast des Verbrennungsmotors durch diesen phlegmatisierten Lastbetrieb stets innerhalb emissions­ optimierter Grenzen gehalten, wobei eventuell benötigte bzw. auftretende Differenzmomente durch den Elektromotor kompensiert werden.

Claims (12)

1. Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem Elektromotor (4), deren jeweilige Antriebslei­ stung auf eine Antriebsachse des Fahrzeugs übertragbar ist, gekennzeichnet durch Mittel (11) zur Erzeugung eines Abgasgegendrucks und/oder einer Abgasverwirbelung im Abgasstrang (8, 10) des Verbrennungsmotors (1).
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Abgasstrang (8, 10) angeordnete Drosseleinrichtung (11).
3. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch einen im Abgasstrang (8, 10) angeordneten Kataly­ sator (12).
4. Hybridantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Antriebssteuereinrichtung (14), mittels der insbesondere die Drehzahl und/oder die Motorlast des Verbren­ nungsmotors (1) während einer Kaltlaufphase des Verbrennungsmo­ tors (1) regelbar ist.
5. Hybridantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) von 1200 bis 2000 min-1, und seine Motorlast von 2 bis 6 pme regelbar ist.
6. Hybridantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch Mittel zur direkten Erwärmung des Katalysators (12) und/oder eine Einrichtung zur Kühlwasserbeheizung, insbe­ sondere einen Abgaswärmetauscher, und/oder eine Abgasrückfüh­ rung und/oder eine Standheizungseinrichtung.
7. Verfahren zur Steuerung eines einen Verbrennungsmotor (1) und einen Elektromotor (4) aufweisenden Hybridantriebs, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors (1) ein Abgasgegendruck und/oder eine Abgasverwirbelung im Abgasstrang (8, 10) des Verbrennungsmotors (1) erzeugt wird, wobei auftre­ tende veränderliche Anforderungen an die Antriebsleistung des Hybridantriebs durch den Elektromotor kompensiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasgegendruck mittels einer im Abgasstrang (8, 10) angeordne­ ten Drosseleinrichtung (11) erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels des Abgasgegendrucks ein im Abgasstrang angeordneter Katalysator (12) erwärmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Kaltlaufphase die Drehzahl und die Motorlast des Verbrennungsmotors innerhalb vorbestimmbarer Grenzen geregelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) auf Werte von 1200 bis 2000 min-1 und seine Motorlast auf Werte von 2 bis 6 bar pme gere­ gelt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während der Kaltlaufphase der Verbrennungsmo­ tor (1) im wesentlichen bei gleichbleibender Drehzahl und Last betrieben wird, wobei während dieser Phase benötigte bzw. auf­ tretende zusätzliche Leistung mittels des Elektromotors (4) be­ reitgestellt bzw. einer aufladbaren Batterie (16) des Fahrzeugs zugeführt wird.
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