DE3813735C2

DE3813735C2 -

Info

Publication number: DE3813735C2
Application number: DE3813735A
Authority: DE
Inventors: Hideaki Sakura Jp Kobayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1989-12-28
Also published as: DE3813735A1; US4805409A; JPS63266110A; JPH086583B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Rückgewinnen von Energie aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 3 im einzelnen angegeben sind.

Eine Brennkraftmaschine, die wie oben erwähnt ausgerüstet ist und betrieben wird, ist aus EP 01 41 634 bekannt. Dort wird ein Turbolader benutzt, um bei niedriger bis mittlerer Drehzahl der Brennkraftmaschine in deren Abgasen enthaltene Energie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umzuwandeln. Diese elektrische Energie betreibt einen Elektromotor, wobei dessen Steuerung so ausgelegt ist, daß er seine maximale Leistung an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgibt, wenn diese mit hoher Drehzahl und voller Last läuft.

Eine Umwandlung von im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltener Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Turbogenerators ist weiter auch aus EP 02 23 419 bekannt, wo diese Energieumwandlung bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, einsetzt, die höher liegt als ein vorbestimmter Schwellenwert.

Eine weitere auf eine Ausnutzung von Abgasenergie unter deren Umsetzung in elektrische Energie eingerichtete Brennkraftmaschine ist aus EP 01 78 270 bekannt. Dabei wird Abgasenergie der Brennkraftmaschine im Bereich relativ niedriger Drehzahlen mit Hilfe eines durch eine Turbine im Abgasstrom betriebenen Generators in elektrische Energie umgesetzt, um im Bereich hoher Drehzahlen einen Elektromotor zu speisen.

Zum besseren Verständnis der Problemstellung und der Arbeitsweise gemäß der vorliegenden Erfindung soll nachstehend kurz auf die Betriebsbedingungen für einen in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Verbrennungsmotor eingegangen werden. Zwischen dessen Drehzahl N und dem von ihm entwickelten Drehmoment T _E besteht allgemein der in Fig. 4 durch die Kurve A veranschaulichte Zusammenhang. Wie die Kurve A zeigt, entwickelt der Verbrennungsmotor bei einer niedrigen Drehzahl A 1 ein nur kleines Drehmoment T _E, und auch im Bereich A 2 bei extrem hoher Drehzahl sinkt das Drehmoment T _E geringfügig ab.

Wie ferner in den beiden Kurven B 1 und B 2 in Fig. 5 gezeigt ist, deren Abszissen und Ordinaten jeweils die Motordrehzahl N und die Betriebsrate D für die Motorbetriebszeit bei der jeweiligen Drehzahl N zeigen, wird der Motor meistens um die Motordrehzahl n 1 herum betrieben (beispielsweise bei 2000 bis 3000 upm), wobei diese Drehzahl im wesentlichen der Hälfte der maximalen Motordrehzahl Nmax (von ungefähr 6000 bis 7000 upm im Falle eines Benzinmotors) oder weniger entspricht. Die schraffierte Fläche B 3, die durch die beiden Kurven B 1 und B 2 definiert wird, bezeichnet die Variationen der Rate D für die Motorbetriebszeiten bei den jeweiligen Motordrehzahlen N.

Insbesondere entspricht die Kurve B 1 der Rate D in einem Zustand, bei dem das Drosselventil des Motors nahezu geschlossen ist, während die Kurve B 2 der Rate D in einem Zustand entspricht, bei dem Drosselventil des Motors relativ weit geöffnet ist. Da der Betrag der rückgewonnenen Energie als Produkt der Motorbetriebszeitrate D der Motorbetriebszeit bei einer bestimmten Drehzahl N und der Ausgangsleistung des Motors bei der Drehzahl N definiert werden kann, kann der Wirkungsgrad der Energierückgewinnung erhöht werden, wenn die Motorleistung in einem Bereich erhöht wird, an dem die Rate D hoch ist.

Jedoch wird dabei nicht ohne weiteres eine Übereinstimmung zwischen der Fläche erzielt, die die hohe Motorbetriebszeitrate D zeigt, und der Fläche, bei der Energie mit hohem Wirkungsgrad rückgewonnen werden kann.

Wenn der Elektromotor bei konstanter Drehmomentcharakteristik oder konstanter Drehmomentbetriebsart betrieben wird, wird keine wirkungsvolle Energierückgewinnung erreicht, so daß die folgenden Nachteile entstehen:

- Ein sehr hohes Drehmoment kann nicht in einem niedrigen Drehzahlbereich erreicht werden, bei dem das größte Drehmoment benötigt würde, wodurch ein ausreichender Wirkungsgrad für die Energierückgewinnung ausgeschlossen wird.
- Trotz der Tatsache, daß das benötigte Drehmoment relativ klein wird, wenn sich die Motordrehzahl der maximalen Drehzahl Nmax annähert, wird der Motor mit hoher Leistung betrieben, wodurch der Verlust ansteigt (verursacht durch lastunabhängige Verluste, was zu einer erheblichen Verminderung des Wirkungsgrades führt. Gleichzeitig vermindert eine erhöhte Motortemperatur dessen Lebensdauer und damit dessen Zuverlässigkeit.
- In dem Bereich, in dem eine relativ hohe Motorbetriebszeitrate D vorliegt, d. h. im Bereich einer Motordrehzahl von einer Hälfte bis einem Drittel der Maximaldrehzahl Nmax oder weniger, wird keine ausreichende Energierückgewinnung durchgeführt. Im Bereich hoher Motordrehzahlen N wird allgemein weniger Drehmoment benötigt. Diese Betriebsbedingungen führen dazu, daß lediglich die Hälfte der Kapazität oder Leistung des Elektromotors genutzt wird.

In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff "Wirkungsgrad" definiert als Verhältnis der der Ausgangswelle des Motors zugeführten Energie bezüglich der der Verbrennung zugeführten Energie in Form von dem Motor zugeführten Kraftstoff, gemittelt über die Betriebszeit unter Berücksichtigung des Verhältnisses D. Ferner wird der Begriff "Wirkungsgrad" verwendet als Verhältnis der zum Antreiben der Ausgangswelle des Motors verwendeten Energie oder der Motorleistung bezüglich der erzeugten Generatorleistung bei Berücksichtigung der Energierückgewinnung bei hohen Drehzahlen.

Ausgehend vom bekannten Stande der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abgasenergie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zum Rückgewinnen von Abgasenergie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 so weiterzubilden, daß der Wirkungsgrad des Motors verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem derartigen Verfahren und einer derartigen Anordnung durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung zum Rückgewinnen von Abgasenergie führen dem Verbrennungsmotor einen hinreichenden Antriebsleistungspegel sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlbereichen zu.

Erfindungsgemäß wird ein Elektromotor zum Rückgewinnen von Abgasenergie derart gesteuert, daß er eine konstante Drehmomentcharakteristik [V/F = k (konstant)] im niedrigen Motordrehzahlbereich hat und daß er eine verminderte Drehmomentcharakteristik im hohen Motordrehzahlbereich hat, wobei V die Antriebsspannung des Motors und F dessen Antriebsfrequenz ist. Eine verminderte Drehzahlcharakteristik bedeutet, daß V/F < k, und insbesondere daß dV/dF < 0, wobei in typischer Weise die Spannung V, konstant ist.

Genauer gesagt, liegt das Drehmoment T bei Verwendung eines Induktionsmotors als Motor zum Rückgewinnen von Abgasenergie, bei dem ein Wechselstrommotor, wie beispielsweise ein derartiger Induktionsmotor betrieben wird, im allgemeinen proportional zum Quadrat einer gegebenen Spannung V bei einer gegebenen Frequenz:

maximales Drehmoment Tmax ∼ V².

Ferner ist die Drehzahl des Motors im wesentlichen proportional zur Frequenz F.

Um den Motor in der oben angegebenen Art zu steuern, wird eine derartige Beziehung zwischen der Spannung (V) und der Frequenz (F) des Abgasenergierückgewinnungsmotors verwendet, daß von einem Maximalwert Fmax bis herab zu einem vorbestimmten Wert f 1, der einem Drittel oder der Hälfte des Maximalwertes entspricht, die Spannung konstant ist und daß bei einer Frequenz F, die f 1 oder weniger ist, der Wert V/F im wesentlichen konstant ist.

Die Drehzahl der Abgasturbine (d. h. deren Leistung) ist im wesentlichen proportional zur Abgasstärke (zum Abgasdruck) und ist umgekehrt proportional zur Pulsdauer des Abgases. Selbst wenn daher die Drehzahl des Motors für innere Verbrennung niedrig ist und die Pulsdauer des Abgases lang ist, ist im Bereich von hohen Motorlasten die Drehzahl der Abgasturbine aufgrund des hohen Abgasdruckes hoch, so daß eine große Leistung von dem mit der Turbine verbundenen Generator erhalten wird.

Der Leistungsrückgewinnungsmotor ist mit dem Verbrennungsmotor bei einem konstanten Drehzahlverhältnis in einer Betriebsart verbunden, so daß dessen Drehzahl proportional zur Drehzahl des Verbrennungsmotors ist. Daher ist eine hohe Leistung oder ein hohes Drehmoment des Generators auch bei niedrigen Drehzahlen möglich. Wenn jedoch der Elektromotor in der Weise gesteuert wird, daß er eine konstante Drehmomentcharakteristik aufweist, wobei das Verhältnis V/F über den gesamten Antriebsfrequenzbereich des Elektromotors konstant ist, d. h. über den gesamten Verbrennungsmotordrehzahlbereich, wird lediglich diejenige Leistung, die proportional zur Drehzahl des Verbrennungsmotors ist, rückgewonnen, wobei nur eine unzureichende Energierückgewinnung bei niedrigen Drehzahlen erfolgt. Daher wird erfindungsgemäß der Motor in der Weise gesteuert, daß er eine konstante Drehmomentcharakteristik mit konstantem Wert V/F nur im niedrigen Drehzahlbereich hat, bei dem F < f 1 gilt, um den Pegel der konstanten Antriebsleistung des Motors bei niedrigen Drehzahlen durch Anheben des Wertes V/F oder des Wertes V im niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen.

Da es ferner eine Beschränkung in der Nutzbarmachung von Abgasenergie eines Motors gibt, besteht ebenfalls eine Begrenzung in der durch das Abgas erhältlichen Leistungskapazität.

Der Ausgang oder die Leistung des Generators kann durch einen Steuermechanismus oder ein Steuergerät derart gesteuert werden, daß eine vorbestimmte Beziehung von Frequenz und Spannung erreicht wird. Dabei werden erfindungsgemäß die Drehmomentcharakteristika des (Elektro)-Motors in der oben beschriebenen Weise gesteuert. Dies ermöglicht einen ausreichenden und wirkungsvollen Betrieb des Generators im mittleren Drehzahlbereich, bei dem die Betriebszeitrate D des Verbrennungsmotors hoch ist, so daß die Menge der rückgewinnbaren Energie und somit der Wirkungsgrad der Energierückgewinnung erhöht wird.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Induktionsmotor verwendet wird, kann die Generatorleistung in sehr wirkungsvoller Weise in der Nähe der Frequenz F des Motors eingesetzt werden, die im wesentlichen einem Drittel bis einer Hälfte der maximalen Frequenz Fmax entspricht. Als Ergebnis hiervon wird das Drehmoment T des Motors bei relativ niedrigen Drehzahlen zwei- oder dreimal größer als dies der Fall ist bei einer konstanten Drehmomentsteuerung durch Beibehalten eines konstanten Wertes von V/F.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles für eine Anordnung zum Rückgewinnen von Abgasenergie bei einer Brennkraftmaschine oder einem Verbrennungsmotor;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Charakteristika zum Erläutern der Betriebsweise der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Drehmomentcharakteristika zum Erläutern der Betriebsweise der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der allgemeinen Drehmomentcharakteristika für einen Verbrennungsmotor und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der allgemeinen Beziehung zwischen der Motordrehzahl N und der Motorbetriebsrate D bei einem Kraftfahrzeug.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist ein Steuermechanismus oder ein Steuergerät enthalten, das eine Inverter-Funktion hat, sowie ein Induktionsmotor, der mit veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz durch einen Steuermechanismus oder ein Steuergerät betrieben wird. Bei dieser Anordnung wird der Verbrennungsmotor 1 durch einen Starter oder Anlasser (nicht dargestellt) angelassen. Nach Beendigung des Anlaßvorganges wird eine Turbine 2 durch das Abgas des Motors 1 angetrieben, um einen Wechselstromgenerator 3 anzutreiben, der mit der Turbine 2 gekoppelt ist. Der Generator 3 kann ebenfalls ein Gleichstromgenerator sein.

In Abweichung hiervon kann der Inverter in dem Steuergerät 4 durch einen Zykluswandler ersetzt werden, der zum Umwandeln der Frequenz der Wechselstromleistung vom Wechselstromgenerator 3 in eine andere Frequenz auf direktem Wege ohne Umwandlung in Gleichstrom im Verfahren der Frequenzumwandlung geeignet ist.

Die durch den Generator 3 erzeugte Leistung wird durch ein Steuergerät 4 geregelt, das mit einer derartigen Inverter-Funktion ausgestattet ist, daß es die Antriebsenergie bei einer geeigneten Frequenz F und der Spannung V liefert, wobei diese daraufhin einem Wechselstrommotor (einem Induktions-Motor) zugeführt wird, um diesen zu drehen.

Ein Elektromotor 5 ist mit der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 1 über Leistungsübertragungsgetriebe 8 und 9 verbunden, die aus Drehzahlreduktionsgeräten bestehen, wie beispielsweise aus Reduktionsgetrieben. Er wird in der Weise gesteuert, daß seine Leistung zu der Leistung des Verbrennungsmotors 1 während des Beschleunigens oder des Laufens addiert wird, wobei die Drehzahl, die dem Getriebe 9 vom Getriebe 8 zugeführt wird, größer ist als diejenige, die dem Getriebe 9 direkt vom Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird.

Andererseits wird beim Bremsen der Motor 5 als Elektrogenerator betrieben, wobei das Steuergerät 4 in einer regenerativen Betriebsweise betrieben wird, um mittels einer Spannungssteuerschaltung 10 Leistung in einer Batterie 11 zu speichern.

Die Inverter-Ausgangsspannung V = VA (F) des Steuergerätes 4 wird durch eine Eingangsspannung V _G gesteuert (d. h. die Ausgangsspannung des Generators 3), wobei die Spannung V bezüglich der Frequenz F ein Maximum bei dem Wert VaM in der Kurve Va gemäß Fig. 2 aufweist.

Ferner muß der Motor 5 Leistung in der Weise erzeugen, daß die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 beim Beschleunigen bzw. beim Lauf erhöht wird. Aus diesem Grund wird die Inverter-Ausgangsspannung (d. h. der Eingang des Motors 5) des Steuergerätes 4 durch einen Eingangs(Leistungs)-Detektor 7 erfaßt. Das Steuergerät 4 steuert auf diese Weise die Inverter-Ausgangsfrequenz F und die Spannung V derart, daß die Ausgangsspannung im wesentlichen der Kurve V = Va (F) gemäß Fig. 2 in dem Zustand entspricht, bei dem die Antriebsleistung, die dem Motor 5 zugeführt wird, nicht größer ist als ein voreingestellter maximaler Pegel, so daß die Leistung des Motors 5 so hoch wie möglich gemacht werden kann.

Nachfolgend wird die oben beschriebene Steuerung durch das Steuergerät 4 detailliert beschrieben.

(1) Bei ausreichender Leistung des Generators 3 gilt folgendes:
Die Ausgangsspannung des Inverters, d. h. die Treiberspannung V des Motors 5 bezüglich einer Eingangsfrequenz F wird derart gesteuert, daß sie auf der Grundlage der Charakteristik V = Va (F) gemäß Fig. 2 gesteuert wird. Insbesondere wird eine Steuerung in der Weise vorgenommen, daß der Motor 5 das Getriebe 8 bei konstanten Drehmomentcharakteristika antreibt, wobei das Drehmoment Ta im wesentlichen umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz F² vermindert wird, wenn die Frequenz F einen vorbestimmten Wert f 1 = (1/2) · Fmax entspricht.
In diesem Fall ist der Drehmomentwert T = Ta (Fmax) = tau _L am Punkt L der Kurve T = Ta (F) in Fig. 2 durch folgende Gleichung gegeben:

(f 1/Fmax)² × τ₁ = (1/2) × τ₂.

Da f 1 = Fmax/2, ist ein vorbestimmter Wert τ₁ des Drehmoments Ta ungefähr doppelt so hoch wie der Drehmomentwert τ₂ der konstanten Drehmomentcharakteristik Tb bei dem üblichen konstanten V/F-Steuerverfahren.

Da ferner die Frequenz F proportional zur Motordrehzahl N des Verbrennungsmotors 1 ist, entspricht der vorbestimmte Wert f 1 dem vorbestimmten Wert n 1, der etwa der Hälfte der maximalen Motordrehzahl Nmax des Verbrennungsmotors 1 entspricht. Als Ergebnis hiervon zeigt der Ausgang P des Motors 5 bezüglich der Frequenz F (= Konstante · N) die in Fig. 2 gezeigte Charakteristik Pa.

Bei dem oben angegebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Frequenz f 1 der Hälfte der maximalen Frequenz Fmax entspricht. Die Frequenz f 1 kann jedoch auch auf einen geeigneten Wert eingestellt werden, der der Bedingung f 1 = (1/3-1/2) · Fmax entspricht, wie dies unter Bezugnahme auf das Motorbetriebszeitverhältnis D in Fmax erläutert wurde. Wenn die Bedingung f 1 = (1/3) · Fmax ausgewählt ist, gilt τ₁ = 3 × τ₂, wobei n 1 = Nmax/3.

(2) Wenn die Leistung des Generators 3 nicht ausreicht, um der Leistungscharakteristik Pa zu genügen (beispielsweise in einem Fall, bei dem das Verfahren und Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zu Rückgewinnen von Abgasenergie eines Motors in einem Personenwagen, wobei das Gaspedal nicht ausreichend weit heruntergetreten wird und der Generator 3 daher keine ausreichende Ausgangsleistung erzeugt), gilt folgendes:

In diesem Fall wird die Spannung V derart gesteuert, daß der Motor das Getriebe 8 mit dem maximalen Drehmoment T antreibt, das bei der gegebenen Frequenz F verfügbar ist. Daher ist die in diesem Fall erzeugte Drehmomentcharakteristik eine Kurve, die in der Fig. 2 nach unten bezüglich der Kurve T = Ta (F) verschoben ist.

Fig. 2 zeigt gleichfalls die Drehmomentcharakteristik T = Tb (F) und die Spannungscharakteristik V = Vb (F) eines Vergleichsbeispieles oder eines vergleichsweisen Abgasenergie-Rückgewinnungsverfahrens, bei dem der Motor derart gesteuert wird, daß er eine konstante Drehmomentcharakteristik bei dem Drehmomentwert tau₂ hat, bei dem die auf die Zeit bezogene Leistung oder die Leistungsrate (die Maximalleistung) bei der maximalen Motordrehzahl Fmax erhalten wird, d. h. in der Weise, daß das Verhältnis V/F konstant ist, so daß immer der Drehmomentwert Tb erzielt wird.

Es sei angemerkt, daß selbstverständlich die Eigenschaften des Motors 5 des erfindungsgemäßen Gerätes mit den Charakteristika V = Va (F) und T = Ta (F) verschieden sind gegenüber den Eigenschaften des Motors bei Vergleichsbeispiel mit den Charakteristika V = Vb (F) und T = Tb (F). Insbesondere sind die Eigenschaften des Motors 5 des erfindungsgemäßen Gerätes derart, daß das Produkt des Eingangsstromes des Motors 5 und dessen Eingangsimpedanz bei einer gegebenen Frequenz bei dem Gerät nach dem Ausführungsbeispiel erheblich höher ist, als dasjenige bei der gegeben Frequenz gemäß dem Vergleichsbeispiel, wenn die Frequenz bei einer niedrigen Frequenz unterhalb von f 1 oder im Mittenfrequenzbereich um f 1 herum liegt. So kann beispielsweise die Impedanz des Motors 5 bei dem Ausführungsbeispiel doppelt so hoch sein als diejenige des Vergleichsbeispiels bei der gleichen Frequenz, wenn man die Annahme trifft, daß die Abweichungen in den anderen Faktoren, wie beispielsweise der Größe des Schlupfes, vernachlässigbar sind.

Beim Vergleich dieser Charakteristika des Vergleichsverfahrens mit denjenigen des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels wird es klar, daß im niedrigen Drehzahlbereich N des Verbrennungsmotors unterhalb von f 1 das Ausführungsbeispiel ein Drehmoment von T = Ta (F) = τ₁ liefert, das um den Faktor Fmax/f 1 (etwa zweifach) höher ist als das Drehmoment beim Vergleichsverfahren.

Ferner wird im hohen Drehzahlbereich bei F < f 1 das Drehmoment T = Ta (F) ∼ τ₁/F² unterdrückt, so daß aus diesem Grunde eine zu große Last des Motors 5 verhindert werden kann. Mit anderen Worten wird die Generatorleistung des Generators 3 bei diesem Ausführungsbeispiel bei einer Frequenz von der Hälfte der maximalen Frequenz Fmax oder oberhalb dieser Frequenz derart durch das Steuergerät 4 gesteuert, daß die Spannung V = Va (F) konstant ist und daß das Verhältnis V/F kleiner wird, wenn die Frequenz F ansteigt. Als Ergebnis wird der Kernverlust des Motors 5 reduziert und ein hoher Wirkungsgrad im hohen Drehzahlbereich sichergestellt, bei dem ein hohes Drehmoment nicht benötigt wird. Ferner ist im niedrigen Drehzahlbereich der Kernverlust aufgrund der niedrigen Frequenz gleichfalls gering, so daß die Generatorleistung im wesentlichen vollständig bis zur Drehzahl f 1 = (1/2) · Fmax genutzt werden kann, so daß eine ausreichende Abgasenergie- Rückgewinnung ermöglicht wird.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich der Drehmomentcharakteristika des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit denjenigen bei dem Vergleichsverfahren. In Fig. 3 bezeichnet die Kurve A diejenige, die allein durch den Verbrennungsmotor erreicht wird, die Kurve J, diejenige des Vergleichsbeispiels gemäß Fig. 2, das definiert ist durch V = Vb (F) und T = Tb (F), und wobei die Kurve H diejenige des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 bezeichnet. Wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist, ist es bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel möglich, ein höheres Drehmoment T _E im niedrigen Drehzahlbereich F ≦ f 1 (N ≦ n 1) zu erzielen, indem die Betriebszeitrate D hoch ist, so daß eine Drehmomentcharakteristik mit gutem Wirkungsgrad erreicht wird.

Erneut bezugnehmend auf Fig. 1 beinhaltet das dort gezeigte Gerät einen Drehzahlmesser 6. Das Steuergerät 4 empfängt die Information über die Drehzahl N des Verbrennungsmotors 1 vom Drehzahlmesser 6 und beschränkt die Frequenz F des Motors 5 auf einen vorbestimmten Wert, der mit der Drehzahl N zusammenpaßt. Als Ergebnis hiervon kann eine Überlastung des Motors 5 hinreichend verhindert werden.

Insbesondere ermittelt das Steuergerät 4 die Ausgangsspannung und die Frequenz, die dem Wechselstrommotor 5 in der Form von Wechselleistung zuzuführen ist, gemäß der Beziehung, die durch die Kurve bzw. die beiden Verbindungslinien V = Va (F) in Fig. 2 definiert sind, wie bereits erläutert wurde, und führt die so ermittelte Wechselleistung dem Motor 5 zu, um den Motor 5 bei einer Drehzahl zu betreiben, der der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors 1 entspricht, die durch den Drehzahlmesser 6 erfaßt wird. Daraufhin paßt das Steuergerät 4 die Ausgangsspannung V, die dem Motor 5 zugeführt wird, sowie die Frequenz F an, während das Ergebnis dieser Erfassung durch den Leistungsdetektor 7 überwacht wird, um das Ausgangsdrehmoment T des Motors 5 zu maximieren. Es sei angenommen, daß die Spannung V einheitlich bestimmt wird gemäß der Gleichung V = Va (F) gemäß Fig. 2 und daß das Steuergerät die Frequenz F der Ausgangsspannung V derart steuert, daß die dem Motor 5 zugeführte Leistung innerhalb eines Bereiches maximiert wird, der zur Vermeidung einer Überlast oder eines Überstromes in dem Motor 5 benötigt wird. Als Ergebnis dieser Steuerung ist die Frequenz F der Wechselspannung und des dem Motor 5 zugeführten Wechselstromes geringfügig größer als diejenige Frequenz, die genau der Motordrehzahl N entspricht, welche durch den Drehzahlmesser 6 erfaßt wird.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Motor 5 mit dem Verbrennungsmotor 1 über die Getriebe 8 und 9 verbunden. Daher kann der Motor 5 gleichfalls als Anlassermotor für die Verbrennungsmaschine 1 dienen, wenn die Wechselleistung, die durch eine Frequenz F und eine Spannung V definiert ist, die durch den Inverter des Steuergerätes 4 ermittelt werden, von der Batterie 11 dem Motor 5 zugeführt werden.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung hat folgende Vorteile:
(1) Im niedrigen Drehzahlbereich, in dem ein hohes Drehmoment benötigt wird, kann ein Drehmoment T geliefert werden, das um den Faktor Fmax/f 1 (etwa zweifach) größer ist als beim Stand der Technik trotz der gleichen Generatorkapazität. Dies verbessert erheblich die Beschleunigung eines Kraftfahrzeuges oder eines anderen Gerätes.
(2) Im oberen Drehzahlbereich, bei dem die Drehzahl oder Frequenz F des Motors oberhalb von f 1 liegt, wird trotz des relativ geringen Drehmomentes T ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet, da kein hohes Drehmoment T bei hohen Drehzahlen naturgemäß benötigt wird. Zusätzlich können Motorverluste erheblich vermindert werden, wenn das Antriebsdrehmoment des Motors oder die Leistung des Motors im oberen Drehzahlbereich relativ gesehen vermindert wird, was zu einer Temperaturverminderung im Motor und damit zu einer Verlängerung der Lebensdauer und Verbesserung der Zuverlässigkeit führt.
(3) Aufgrund des hohen Drehmomentes im niedrigen Drehzahlbereich kann das Übersetzungsverhältnis der Motordrehzahl, bezogen auf die Drehzahl der Antriebswelle, bei gegebener Fahrtgeschwindigkeit hoch gewählt werden, was weiterhin die Motordrehzahl reduziert und zu einer erheblichen Kraftstoffersparnis führt.

Claims

1. Verfahren zum Rückgewinnen von Energie aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine (1) mit einem von den Abgasen angetriebenen Turbogenerator (2, 3) und einem mit Strom aus dem Turbogenerator gespeisten Elektromotor (5), der unter Steuerung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ein Drehmoment an deren Kurbelwelle abgibt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors (5) im Bereich hoher und niedriger Drehzahlen innerhalb eines veränderlichen Steuerbereichs für die Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) unterschiedlich gesteuert wird und
daß der Elektromotor (5) im Bereich niedriger Drehzahlen mit konstanter Drehmomentcharakteristik und im Bereich hoher Drehzahlen mit reduzierter Drehmomentcharakteristik betrieben wird, so daß sein Drehmoment im Bereich hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine (1) kleiner wird als im Bereich niedriger Drehzahlen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Drehmoment des Elektromotors (5) im Bereich hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine (1) umgekehrt proportional zum Quadrat der Antriebsfrequenz für den Elektromotor (5) gesteuert wird.

3. Anordnung zum Rückgewinnen von Energie aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine mit

- einem von den Abgasen der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Turbogenerator (2, 3),
- einem Elektromotor (5), dessen Ausgangswelle mit der Ausgangswelle der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt ist, und
- einer Steuerung (4) zum Betreiben des Elektromotors (5) mittels Leistung aus dem Turbogenerator (2, 3) im Sinne einer Addition der Antriebskraft des Elektromotors (5) zu der der Brennkraftmaschine (1),

dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung (4) den Elektromotor (5) innerhalb eines variablen Steuerbereichs für die Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine (1) mit konstanter Drehmomentcharakteristik und im Bereich hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine (1) mit reduzierter Drehmomentcharakteristik betreibt, so daß das Drehmoment des Elektromotors (5) im Bereich hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine (1) niedriger ist als im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine (1).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung (4) das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors (5) im Bereich hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine (1) umgekehrt proportional zum Quadrat der Antriebsfrequenz für den Elektromotor (5) einstellt.