DE19914350A1 - Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem Nachrückbetriebszustand - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem Nachrückbetriebszustand

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Abstract

Die Erfindung lehrt ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und zumindest einem Elektromotor (3), wobei ein Normalbetriebszustand sowie ein Nachrückbetriebszustand eingerichtet sind, wobei im Normalbetriebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges (1) durch den Verbrennungsmotor (2) erfolgt, wobei im Nachrückbetriebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges (1) durch den Elektromotor (3) und ausschließlich bei nicht aktiviertem und vom Radantrieb des Kraftfahrzeuges (1) entkoppeltem Verbrennungsmotor (2) erfolgt und wobei der Nachrückbetriebszustand mittels eines Steuerelements (4) aktiviert wird und nur bei Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeuges (1) von unterhalb 30 km/h aktivierbar ist, sowie ein Kraftfahrzeug (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und zu­ mindest einem Elektromotor, wobei ein Normalbe­ triebszustand sowie ein weiterer Betriebszustand eingerichtet sind, wobei im Normalbetriebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges durch den Verbrennungsmo­ tor erfolgt, wobei im weiteren Betriebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges durch den Elektromotor und ausschließlich bei nicht aktiviertem und vom Radantrieb des Kraftfahrzeuges entkoppeltem Verbren­ nungsmotor erfolgt, sowie ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens. Als Kraftfahrzeuge sind neben Personenkraftwagen auch Lastkraftwagen, Omni­ busse, Sonderfahrzeuge für den Straßenverkehr und der­ gleichen bezeichnet. Üblicherweise kommen als Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen der Otto-Motor und der Dieselmotor in Frage. Der Begriff der Verbren­ nungsmotoren umfaßt auch Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie für elektromotorische Fahrantriebe. Der Begriff Verbrennungsmotor bezeichnet in aller Allgemeinheit Motoren, bei welchen die bei der Verbrennung eines Treibstoffs entstehende Energie unmittelbar in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Ein Elektromotor wandelt demgegenüber elektrische En­ ergie direkt in mechanische Arbeit um. Zum Betrieb eines Verbrennungsmotors führt ein Kraftfahrzeug einen Vorrat an Treibstoff mit sich. Zum Betrieb eines Elek­ tromotors ist bei einem Kraftfahrzeug ein elektrischer Energiespeicher, üblicherweise eine Batterie, eingerichtet. Als Normalbetriebszustand ist der An­ trieb mittels des Verbrennungsmotors bezeichnet. Der weitere Betriebszustand ist dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Verbrennungsmotors ein Elektromotor das Kraftfahrzeug antreibt.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der Praxis bekannt. Es handelt sich dabei um sogenannte Hybrid Kraftfahrzeuge, wobei ein Kraftfahrzeugführer wählen kann, ob der Antrieb des Kraftfahrzeuges über den Verbrennungsmotor oder über den Elektromotor er­ folgt. Herbei ist die Auslegung des Elektromotors so getroffen, daß in dem weiteren Betriebszustand an­ nähernd den Normalbetriebszustand vergleichbare Fahr­ leistungen erreicht werden. Dies bedingt bei Kraftfahrzeugen normaler Größe Elektromotoren von 30 kW und mehr und entsprechend dem durch diese Leistung bedingten Energieverbrauch ausgelegte Fahrzeugbatte­ rien. Zwar läßt sich durch Hybrid Kraftfahrzeuge ein hoher Umweltschutzeffekt beispielsweise bei Betrieb über den Elektromotor in der Stadt erreichen, der damit verbundene Aufwand ist jedoch beachtlich und störend. Insbesondere stört die erforderliche Größe der Batterien, welche zudem sehr schwer sind und den umweltschädlichen Kraftstoffverbrauch im Normalbe­ triebszustand deutlich ansteigen läßt.
Der Erfindung liegt demgegenüber das technische Prob­ lem zugrunde ein Verfahren zum Betrieb eines Kraft­ fahrzeuges anzugeben, welches wenig aufwendig ist und dennoch eine Reduktion störender Verbrennungsabgase sowie weitere Vorteile erreicht.
Zur Lösung dieses Problems lehrt die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einem Elektromotor, wobei ein Normalbetriebszustand sowie ein Nachrückbe­ triebszustand eingerichtet sind, wobei im Normalbe­ triebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges durch den Verbrennungsmotor erfolgt, wobei im Nachrückbe­ triebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges durch den Elektromotor und ausschließlich bei nicht ak­ tiviertem und vom Radantrieb des Kraftfahrzeuges entkoppeltem Verbrennungsmotor erfolgt und wobei der Nachrückbetriebszustand mittels eines Steuerelements aktiviert wird und nur bei Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeuges von unterhalb 30 km/h, vorzugsweise unterhalb 25 km/h, höchst vorzugsweise unterhalb 20 km/h, aktivierbar ist. Als Nachrückbetriebszustand ist ein Betriebszustand bezeichnet, der im Stau oder in Warteschlangen anstelle des Normalbetriebszustandes aktiviert wird. Wesentlich ist hierbei, daß die Ak­ tivierung nicht bei normalen Fahrgeschwindigkeiten möglich ist und auch im Nachrückbetriebszustand nicht Geschwindigkeiten von beispielsweise 50 km/h oder mehr erreicht werden können. Dies erlaubt es, Elektromo­ toren mit vergleichsweise geringer Leistung einzuset­ zen, so daß die übliche Anlasserbatterie eines Kraftfahrzeuges, ggf. in verstärkter Ausführung, zum Betrieb des Elektromotors über einen ausreichenden Zeitraum (Dauer des Staus oder der Warteschlange) ausreicht.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine beachtliche umweltschädliche Abgasemission von Kraft­ fahrzeugen konventionellen Aufbaus ausgeht, wenn sich das Kraftfahrzeug in einem Stau oder in einer Warteschlange (beispielsweise Taxiwarteschlange) be­ findet. Diese störende Abgasemission beruht auf dem Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors im Stand sowie dem Anfahrvorgang oder, bei zwischenzeitlich ab­ geschaltetem Verbrennungsmotor, auf dem Startvorgang und dem Anfahrvorgang. Diese störende Abgasemission, ebenso wie die Geräuschemission, läßt sich auf ein­ fache Weise vermeiden, wenn im Stau oder in der Warteschlange nicht der Verbrennungsmotor zum Nachrücken eingesetzt wird, sondern ein auf die Anfor­ derungen beim Nachrücken abgestimmter Elektromotor. Der Elektromotor braucht beispielsweise nur so ausge­ legt zu sein, daß Geschwindigkeiten von lediglich un­ terhalb 20-30 km/h, vorzugsweise von unterhalb 10 km/h im Nachrückbetriebszustand erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nachrückbetriebszustand nur bei Geschwindigkeiten von unterhalb 10 km/h, vorzugsweise nur bei 0 km/h, aktivierbar. Hierdurch wird verhindert, daß der Nachrückbetriebszustand versehentlich bei Geschwindig­ keiten aktiviert wird, welche oberhalb von für das Nachrücken erforderlichen Geschwindigkeiten liegen.
Vorteilhaft ist es, wenn der Nachrückbetriebszustand mit einer Hold-Funktion aktiv gehalten wird. Mit Hold- Funktion ist gemeint, daß nach einer Betätigung eines Steuerelements durch einen Fahrzeugführer der Elektro­ motor solange aktiv gehalten wird, bis der Nachrückvorgang abgeschlossen, i. e. das Kraftfahrzeug bis unmittelbar an ein voranfahrendes bzw. -stehendes Kraftfahrzeug nachgerückt ist. Im einfachsten Fall ist die Hold-Funktion mit einem Taster als Steuerelement realisiert. Dann erfolgt das Nachrücken solange, wie ein Kraftfahrzeugführer auf den Taster drückt. Die Hold-Funktion kann aber auch schaltungstechnisch real­ isiert sein, wobei dann durch ein weiteres Ereignis, beispielsweise erneute Betätigung durch einen Kraft­ fahrzeugführer oder Eingriff von anderen Steuerelemen­ ten, der Elektromotor wieder deaktiviert und das Kraftfahrzeug somit letztendlich angehalten wird. Die Hold-Funktion kann auch durch eine Betätigung des Bremspedals und/oder des Zündschalters deaktiviert werden. Beim Deaktivieren kann zudem die kinetische Energie des Kraftfahrzeuges genutzt werden, um mittels des Elektromotors elektrische Energie zu erzeugen, welche dann wieder in Fahrzeugbatterie eingespeist wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Aktivierung und/oder die Deaktivierung des Nachrückbetriebszustandes über kraftfahrzeugvorder­ seitig angeordnete und in Fahrtrichtung wirkende Ab­ standssensoren. Abstandssensoren sind an sich bekannt und bereits bei einigen Kraftwagen im Rahmen von Abstandswarnvorrichtungen eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung können die Abstandswarnsensoren insofern eine zusätzliche Funktion erfüllen, nämlich denn Nachrückvorgang automatisieren. Im einfacheren Fall wird der Nachrückbetriebszustand von einem Kraft­ fahrzeugführer aktiviert und, unabhängig von weiteren Betätigungen des Kraftfahrzeugführers, wieder deaktiviert, wenn die Abstandssensoren das Erreichen eines Mindestabstands zu einem vorausfahrenden oder -stehenden Kraftfahrzeug detektieren. Gleichermaßen kann aber auch vorgesehen sein, daß der Nachrückbe­ triebszustand von einem Kraftfahrzeugführer einmalig aktiviert wird und dann die Abstandssensoren zusätzlich auch die Aktivierung des Elektromotors be­ wirken, wenn ein Maximalabstand zu einem voraus­ fahrenden oder -stehenden Kraftfahrzeug detektieren.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Betriebsverfahrens, mit einem Ver­ brennungsmotor und mit zumindest einem Elektromotor, wobei der Elektromotor eine spezifische Leistung von weniger als 0,010, vorzugsweise weniger als 0,005 höchstvorzugsweise weniger als 0,001, kW/kg Fahrzeug­ gewicht aufweist. Eine solche (bevorzugte) Auslegung eines Elektromotors erlaubt es, ein Kraftfahrzeug mit 2000 kg Gesamtgewicht und einer Batterie von 88 Ah Ka­ pazität für 15 min. im Nachrückbetriebszustand zu be­ treiben und dennoch noch die Hälfte der Batterie­ kapazität noch für Startvorgänge zur Verfügung zu haben.
In einer Ausführungsform einfachen Aufbaus ist der Elektromotor im Bereich einer Fahrzeugachse angeordnet und über eine Kupplungseinrichtung mit zumindest einer Radnabe der Fahrzeugachse in Eingriff bringbar ist. Im einzelnen wird es sich empfehlen, zwei Elektromotoren einzurichten, wobei jeder Elektromotor eine Radnabe einer Fahrzeugachse antreibt. Bei der Einrichtung von mehreren Elektromotoren beziehen sich die o. g. spezi­ fischen Leistungen auf die Gesamtheit der Elektromotoren. Im einzelnen ist es vorteilhaft, wenn die Kupplungseinrichtung eine Fliehkraftkupplung ist. Dann sind keinerlei Maßnahmen zum Entkoppeln des Elek­ tromotors im Normalbetriebszustand erforderlich. Eine Fliehkraftkupplung besteht in der Regel aus einem rot­ ierenden Antriebselement, welches radial nach innen federbelastete und drehfest mit dem Antriebselement verbundene Kupplungselemente trägt. Um die Kupplungse­ lemente herum ist ein im wesentlichen zylinderförmiges Abtriebselement angeordnet. Wenn die bei rotierendem Antriebselement auf die Kupplungselemente wirkenden Zentrifugalkräfte ausreichend groß werden, so werden die Kupplungselemente gegen das Abtriebselement ge­ drückt mit der Folge eines Kraftschlusses zwischen dem Antribeselement und dem Abtriebselement und letz­ tendlich rotierendem Antrieb des Abtriebselements. Wenn demgegenüber bei ruhendem Antriebselement das Abtriebselement rotiert, so tritt kein Kraftschluß ein. Im Ergebnis besteht Kraftschluß nur bei ak­ tiviertem Elektromotor.
Baulich besonders einfach und ohne größeren Aufwand nachrüstbar ist eine Ausführungsform der Erfindung, wobei der Elektromotor mit zumindest einer Radnabe einer nicht vom Verbrennungsmotor antreibbaren Fahrzeugachse in Eingriff bringbar ist. Bei beispiel­ sweise Personenkraftwagen mit Frontantrieb ist dies die Hinterachse und umgekehrt.
Bevorzugt ist es, wenn der Elektromotor mittels eines vom Fahrzeugführer bedienbaren Steuerelements nur bei ausgeschalteter Zündung des Verbrennungsmotors ak­ tivierbar ist. Im einzelnen kann die Steuerung des Nachrückbetriebszustandes so ausgelegt sein, daß die Aktivierung des Elektromotors über ein Steuermodul erfolgt, wobei das Steuermodul Steuersignale von der Zündung des Verbrennungsmotors, von einem Getriebe des Kraftfahrzeuges, von einem Steuerelement zum Einschal­ ten des Nachrückbetriebszustandes im Griffbereich eines Fahrzeugführers sowie ggf. von Abstandssensoren erhält, wobei eine Aktivierung des Elektromotors nur dann erfolgt, wenn das Steuermodul Steuersignale "Zündung aus", "Getriebe neutral", "Nachrückbe­ triebszustand ein" und ggf. "Abstand < Mindestwert" erhält, wobei das Steuermodul bei Einschaltung des Nachrückbetriebszustandes optional erforderlichenfalls die Zündung und das Getriebe in Zustände "Zündung aus" und "Getriebe neutral" schaltet. Hierdurch wird einer­ seits sichergestellt, daß der Verbrennungsmotor nicht unnötig in Betrieb ist und andererseits, daß der Kraftfluß zwischen Verbrennungsmotor und nachgeornd­ neten Antriebselementen aufgehoben ist, i. e. der Ver­ brennungsmotor nicht durch den Elektromotor mitbewegt wird. Die Steuerung der Zündung gelingt unschwer über übliche Verbrennungsmotorsteuerungen. Eine Steuerung des Getriebes ist möglich, wenn dieses elektrisch an­ steuerbar ist. Bei rein mechanischen Getrieben kann alternativ ein Schaltzustandssensor eingerichtet sein, welcher in einer Schalthebelposition "neutral" ein Steuersignal an das Steuermodul liefert und die Ak­ tivierung des Elektromotors freigibt oder in anderen Schalthebelpositionen anstelle einer Aktivierung des Elektromotors ein Warnsignal aktiviert. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der Nachrückbetriebszustand auto­ matisch deaktiviert wird, wenn ein Kraftfahrzeugführer den Anlasser des Verbrennungsmotors aktiviert. Die Erfindung kann bei Kraftfahrzeugen mit Schaltgetriebe sowie Automatikgetriebe eingesetzt werden. Die Er­ findung läßt sich weiterhin bei allen Kraftfahrzeug- Antriebskonzepten, sei es Hinterradantrieb, Vorder­ radantrieb oder Allradantrieb einsetzen. Wesentlich hierbei ist lediglich, daß zwischen den Rädern und dem Verbrennungsmotor im Nachrückbetriebszustand keine Kraft- oder Formschlußverbindung besteht, was in der Regel entweder durch die Neutralstellung des Getriebes oder eine Betätigung, manuell oder vom Steuermodul gesteuert, der Kupplung erreicht werden kann.
Die für die Erfindung erforderlichen Bauteile können werksseitig im Rahmen der Fahrzeugherstellung einge­ baut werden, es ist aber auch möglich, erforderliche Bauteile als Nachrüstsatz zur Verfügung zu stellen. Dann sind werksseitig lediglich die zum Anbau erfor­ derlichen mechanischen und elektrischen Anschlüsse zur Verfügung zu stellen.
Im Nachrückbetriebszustand ist die Fahrzeuginnenraum­ heizung ohne Funktion. Daher kann es sich empfehlen, ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Stand­ heizung (kraftstoffbetrieben) oder einem Restwärme­ speicher auszustatten, wobei letzteres bevorzugt ist. Ein Restwärmespeicher umfaßt beispielsweise einen mit dem Motorkühlkreislauf verbundenen Wärmetauscher, auf dessen Sekundärseite eine Substanz angeordnet ist, deren Schmelzwärme bei abgeschaltetem Verbrennungsmo­ tor zu Heizzwecken genutzt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden einzigen Figur näher erläutert.
Man erkennt in der Figur ein Kraftfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit zwei Elektromo­ toren (3), wobei die Elektromotoren (3) zusammen eine spezifische Leistung von weniger als 0,001 kW/kg Fahrzeuggewicht aufweisen. Der Verbrennungsmotor (2) treibt die Vorderachse (6') an. Die Elektromotoren (3) sind im Bereich der Hinterachse (6) angeordnet und über eine Fliehkraftkupplung (7) mit beiden Radnabe (8) der Hinterachse (6) in Eingriff bringbar. Der Elektromotor (3) ist mittels eines vom Fahrzeugführer bedienbaren Steuerelements (4) bei ausgeschalteter Zündung des Verbrennungsmotors (2) aktivierbar. Im Einzelnen erfolgt die Aktivierung des Elektromotors (3) über ein Steuermodul (9), wobei das Steuermodul Steuersignale von der Zündung (10) des Verbrennungsmo­ tors (2), von einem Getriebe (11) des Kraftfahrzeuges (1), von einem Steuerelement (4) zum Einschalten des Nachrückbetriebszustandes im Griffbereich eines Fahrzeugführers sowie von Abstandssensoren (5) erhält, wobei eine Aktivierung des Elektromotors (3) nur dann erfolgt, wenn das Steuermodul (9) Steuersignale "Zündung aus", "Getriebe neutral", "Nachrückbe­ triebszustand ein" und "Abstand < Mindestwert" erhält, wobei das Steuermodul (9) bei Einschaltung des Nachrückbetriebszustandes erforderlichenfalls die Zündung (10) und das Getriebe (11) in Zustände "Zündung aus" und "Getriebe neutral" schaltet.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und zumindest einem Elektromotor (3),
wobei ein Normalbetriebszustand sowie ein Nachrück­ betriebszustand eingerichtet sind, wobei im Normalbetriebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges (1) durch den Verbrennungsmotor (2) erfolgt,
wobei im Nachrückbetriebszustand der Antrieb des Kraftfahrzeuges (1) durch den Elektromotor (3) und ausschließlich bei nicht aktiviertem und vom Radantrieb des Kraftfahrzeuges (1) entkoppeltem Verbrennungsmotor (2) erfolgt und
wobei der Nachrückbetriebszustand mittels eines Steuerelements (4) aktiviert wird und nur bei Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeuges (1) von un­ terhalb 30 km/h aktivierbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Nachrückbe­ triebszustand nur bei Geschwindigkeiten von unter­ halb 10 km/h, vorzugsweise nur bei 0 km/h, aktivierbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Nachrückbetriebszustand mit einer Hold-Funktion aktiv gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aktivierung und/oder die Deaktivierung des Nachrückbetriebszustandes über kraftfahrzeugvorder­ seitig angeordnete und in Fahrtrichtung wirkende Abstandssensoren (5) erfolgt.
5. Kraftfahrzeug (1) zur Durchführung des Betriebsver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit zumindest einem Elek­ tromotor (3), wobei der Elektromotor (3) eine spezifische Leistung von weniger als 0,010, vorzug­ sweise weniger als 0,005, kW/kg Fahrzeuggewicht aufweist.
6. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 5, wobei der Elek­ tromotor (3) im Bereich einer Fahrzeugachse (6) angeordnet und über eine Kupplungseinrichtung (7) mit zumindest einer Radnabe (8) der Fahrzeugachse (6) in Eingriff bringbar ist.
7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Kupplungseinrichtung (7) eine Fliehkraftkupplung (7) ist.
8. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Elektromotor (3) mit zumindest einer Rad­ nabe (8) einer nicht vom Verbrennungsmotor (2) an­ treibbaren Fahrzeugachse (6) in Eingriff bringbar ist.
9. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Elektromotor (3) mittels eines vom Fahrzeugführer bedienbaren Steuerelements (4) bei ausgeschalteter Zündung des Verbrennungsmotors (2) aktivierbar ist.
10. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Aktivierung des Elektromotors (3) über ein Steuermodul (9) erfolgt, wobei das Steuermodul Steuersignale von der Zündung (10) des Verbren­ nungsmotors (2), von einem Getriebe (11) des Kraft­ fahrzeuges (1), von einem Steuerelement (4) zum Einschalten des Nachrückbetriebszustandes im Griff­ bereich eines Fahrzeugführers sowie ggf. von Ab­ standssensoren (5) erhält, wobei eine Aktivierung des Elektromotors (3) nur dann erfolgt, wenn das Steuermodul (9) Steuersignale "Zündung aus", "Getriebe neutral", "Nachrückbetriebszustand ein" und ggf. "Abstand < Mindestwert" erhält, wobei das Steuermodul (9) bei Einschaltung des Nachrückbe­ triebszustandes optional erforderlichenfalls die Zündung (10) und das Getriebe (11) in Zustände "Zündung aus" und "Getriebe neutral" schaltet.
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