DE3842632A1 - Hybrid-antriebseinrichtung fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Hybrid-antriebseinrichtung fuer kraftfahrzeuge

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Description

Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Antriebseinrichtung für Kraftfahrzeuge, insbesondere Stadtlinienbusse, Zubringer­ fahrzeuge und Kommunalfahrzeuge, mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik gemäß der DE-PS 29 04 572, Darstellung gemäß Fig. 3 mit zugehöriger Beschreibung. Weiterhin sei erwähnt der druckschriftliche Bericht über den Vortrag des Erfinders Faust Hagin "Regene­ rative braking systems for citybuses", gehalten auf "The 20th Intersociety Energy Conversion Conference (August 18-23, 1985)" in London - Bezug genommen wird dabei insbesondere auf die Darstellung in Fig. 4, Seite 4, mit zugehörigem Text. Außerdem wird auf die DE-30 22 373 A1, die DE-21 53 961 A1, den Artikel "Schwungrad-Energiespeicher für Straßenfahrzeuge" aus "VDI-Nachrichten Nr. 36, Sept. 1977, Seite 18 ff", die DE-31 40 492 A1, und den Artikel "Duale Antriebe im öffent­ lichen Personennahverkehr" aus "Verkehr und Technik, 1983, Heft 5, Seite 163 ff" verwiesen.
Allen diesen bekannten Hybrid-Antrieben liegt das Problem zugrunde, daß sie nur für bestimmte Zwecke bzw. bestimmte Einsatzarten optimiert sind. Dies bedeutet, es kann den un­ terschiedlichen Verkehrssituationen insbesondere aus Sicht des Umweltschutzes mit Bezug auf die Abgasemissionen nicht hinreichend Rechnung getragen werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hybrid-Antriebs­ einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden und auszulegen, daß ein den unterschiedlichen Verkehrssituatio­ nen angepaßter und aus Sicht des Umweltschutzes günstiger, insbesondere innerörtlicher Betrieb eines Fahrzeuges möglich ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Hybrid-Antriebs­ einrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Kombination mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Erst durch diese konkrete Auslegung der einzelnen Aggregate des Antriebsstranges als solches und in gegenseitiger Ab­ stimmung ist ein ausreichend langer und leistungsmäßig genü­ gender Antrieb des Fahrzeugs ohne Unterstützung durch den Verbrennungsmotor möglich. Die Batterie, welche die Elektro­ maschine im Motorbetrieb mit Energie versorgt, hat eine ver­ gleichsweise bescheidene Größe und fällt daher weder raummä­ ßig noch gewichtsmäßig aus dem üblichen Rahmen. Weitere Vor­ teile der erfindungsgemäßen Lösung sind des besseren Ver­ ständnisses wegen erst in der Figurenbeschreibung aufgeführt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten der erfin­ dungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.
Nachstehend ist die erfindungsgemäße Lösung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Zeichnung ist in den Fig. 1 und 2 jeweils eine Ausführungsform einer Hybrid-Antriebseinrichtung darge­ stellt, die in einem im Kommunalbereich eingesetzten Fahr­ zeug, wie Stadtlinienbus, Müllsammelfahrzeug oder sonstigem im kommunalen Zustell- bzw. Lieferdienst eingesetzten Fahr­ zeug eingebaut ist. In beiden Figuren sind gleiche bzw. ein­ ander entsprechende Bauteile der Übersichtlichkeit wegen mit gleichem Bezugszeichen angezogen.
Die Antriebseinrichtung umfaßt als Hauptbaugruppen einen Verbrennungsmotor 1 mit Brennsstoffzumeßeinrichtung 2, ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe 3 mit einem vierwelligen Planetendifferential 4 und zwei Hy­ dromaschinen 5, 6, einen auf wenigstens eine Fahrzeugachse 7 wirkenden Achsantriebsstrang 8, ein Schwungrad 9, eine Elek­ tromaschine 10, eine Batterie 11, eine den Betrieb der Elek­ tromaschine 10 und des Ladens und Entladens der Batterie 11 regelnde Regeleinrichtung 12 und eine elektronische Be­ triebsregel- und -steuereinrichtung 13.
Das als Kernstück der Hybrid-Antriebseinrichtung dienende und wegen seines erwiesenermaßen günstigen Wirkungsgrades verwendete Leistungsverzweigungsgetriebe 3 hat eine als er­ ste Antriebswelle fungierende Eingangswelle 14, eine zweite Antriebswelle 15, eine Nebenwelle 16, an der die Hydroma­ schine 5 mit ihrer Welle angeschlossen ist, eine weitere Ne­ benwelle 17, an der die Hydromaschine 6 mit ihrer Welle an­ geschlossen ist, und eine Ausgangswelle 18, an der der Achs­ antriebsstrang 8 angeschlossen ist. Der durch das Planeten­ differential 4 gebildete mechanische Teil des Leistungsver­ zweigungsgetriebes 3 umfaßt ein fest mit der Eingangswelle 14 verbundenes großes Sonnenrad 19, ein fest an der zweiten An­ triebswelle 15 angeordnetes kleines Sonnenrad 20, zwei Reihen miteinander jeweils verbundener Planetenräder 21, 22, einen mit der Getriebe-Ausgangswelle 18 fest verbundenen Steg 23 mit Außenverzahnung 24 und ein Hohlrad 25. Letzteres hat ei­ ne Innenverzahnung 26, mit der die Planetenräder 22 kämmen, und eine Außenverzahnung 27, mit dem ein Zahnrad 28 kämmt, das fest auf der Nebenwelle 16 sitzt und so die Antriebsver­ bindung zwischen Hydromaschine 5 und Planetendifferential 4 herstellt. Die Hydromaschine 5 ist ebenso wie die Hydroma­ schine 6 in beiden Drehrichtungen als Motor oder Pumpe be­ treibbar und mit letzterer über hydraulische Druckleitun­ gen 29, 30 unter Zwischenschaltung eines Steuerblockes 31 verbunden.
Auf der zweiten, als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 15 sitzt fest ein Zahnrad 32, mit dem ein drehbar, aber axial gesichert auf der Nebenwelle 17 gelagertes Zahnrad 33 kämmt. Auf der Nebenwelle 17 ist außerdem ein weiteres Zahnrad 34 drehbar, aber axial gesichert angeordnet, das mit der Außen­ verzahnung 24 am Steg 23 in Eingriff steht. Mit 35 ist das drehfest, aber axial auf der Nebenwelle 17 verschiebbare Schaltorgan einer Wechselschaltkupplung bezeichnet, mit dem nach Verschiebung aus neutraler 0-Stellung in der einen Schaltstellung a das Zahnrad 34, in der anderen Schaltstel­ lung c dagegen das andere Zahnrad 33 drehfest mit der Neben­ welle 17 gekuppelt werden kann. In der zwischen beiden Schaltstellungen a, c liegenden 0-Stellung ist keines der beiden Zahnräder 33, 34 mit der Nebenwelle 17 verbunden.
Die Drehzahl der Ausgangswelle 18 des Leistungsverzweigungs­ getriebes 3 sumiert sich aus den Drehzahlen des großen Son­ nenrades 19 und des Hohlrades 25, welche die Umlaufgeschwin­ digkeit der Planetenräder 21, 22 bzw. des Steges 23 festle­ gen. Die Hydromaschine 5 bewirkt durch ihre Drehzahl und Drehrichtung über die Verzahnung 27, 28 die Drehzahl und Drehrichtung des Hohlrades 25.
Dabei ergibt sich für das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 fol­ gende Wirkung:
Für den Fall, daß das Fahrzeug aus dem Stand oder aus Langsam- bzw. Kriechgangfahrt heraus beschleunigt werden soll, arbeitet die Hydromaschine 5 in einem ersten Arbeitsbereich des Lei­ stungsverzweigungsgetriebes 3 (n Ausgang 18 : n Eingang 14 50%) bei einer Drehrichtung des Hohlrades 25 umgekehrt zur Dreh­ richtung des großen Sonnenrades 19 als Pumpe und liefert die umgesetzte Leistung über die Druckleitungen 29, 30 an die Hydromaschine 6. Diese arbeitet in diesem Fall als Motor und treibt die Nebenwelle 17 an. Das Schaltorgan 35 der Wechsel­ schaltkupplung befindet sich in Schaltstellung a, in der das Zahnrad 34 mit der Nebenwelle 17 gekuppelt und damit Lei­ stung über den Steg 23 auf die Ausgangswelle 18 übertragbar ist.
Mit größer werdender Drehzahl der Ausgangswelle 18 ergibt sich ein Betriebspunkt, bei dem die Hydromaschine 5 zumin­ dest annähernd stillsteht und die in das Leistungsverzwei­ gungsgetriebe 3 eingespeiste Antriebsleistung praktisch rein mechanisch vom Planetendifferential 4 übertragen wird. In dieser Situation erfolgt, sofern das Fahrzeug weiter be­ schleunigt werden soll, der Übergang in einen zweiten Be­ triebsbereich des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 (n Ausgang 18 : n Eingang 14 50%) durch Umschaltung des Schalt­ organes der Wechselschaltkupplung in Schaltposition c, wo­ rauf die Hydromaschine 6 dann über die Nebenwelle 17, das daran angekuppelte Zahnrad 33 und das mit diesen kämmende Zahnrad 32 mit der zweiten Antriebswelle 15 antriebsmäßig verbunden ist. Die Hydromaschine 5 arbeitet in diesem zwei­ ten Betriebsbereich, bei gleicher Drehrichtung des Hohlra­ des 25 und des großen Sonnenrades 19 wie vorher, als Motor, der seine Antriebsleistung von der jetzt als Pumpe arbeiten­ den Hydromaschine 6 über die Druckleitungen 29, 30 zugeführt bekommt. Die Hydromaschine 6 erhält demnach ihre Antriebs­ leistung von der Eingangswelle 14 her über das große Sonnen­ rad 19, die Planetenräder 21, 22, das kleine Sonnenrad 20 und die zweite Antriebswelle 15, den geschlossenen Getriebe­ zug 32, 33 und die Nebenwelle 17 zugeführt.
Die dem Leistungsverzweigungsgetriebe 3 zugeführte Antriebs­ leistung wird für unterschiedliche Fahrbetriebsweisen in un­ terschiedlichen Ortsbereichen auf unterschiedliche Weise aufgebracht, nämlich
  • A) von der Leistung aus der Batterie beziehenden, als Motor betriebenen Elektromaschine 10 zusammen mit dem Schwung­ rad 9 bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 1, wobei die­ ser Fall bei Fahrt z.B. in Fußgängerzonen oder innerört­ lichen Bereichen mit starkem Fußgängerverkehr gegeben ist,
  • B) von dem Verbrennungsmotor 1 bei auf Generatorbetrieb um­ geschalteter Elektromaschine 10, wobei dieser Fall für Konstantgeschwindigkeitfahrt in einer weniger abgasemis­ sionsgefährdeten innerörtlichen Zone gilt, und
  • C) vom Verbrennungsmotor 1 und der Leistung aus der Batterie beziehenden, als Motor betriebenen Elektromaschine 10 und dem Schwungrad 9, wobei dieser Fall für rasches Beschleuni­ gen außerhalb von abgasemissionsgefährdeten innerörtli­ chen Zonen oder außerorts gegeben ist.
Um diese unterschiedliche Art der Leistungsbereitstellung optimal und den örtlichen Bedingungen bestens angepaßt rea­ lisieren zu können, ist eine sehr differenzierte und exakte Auslegung aller Antriebsstrangkomponenten und auch eine auf­ wendige Regel- und Steuereinrichtung notwendig.
lm einzelnen ist dies auf nachfolgend dargelegte Weise mit exakt aufeinander abgestimmten Einzelmaßnahmen gelöst:
  • 1. Die Elektromaschine 10 ist sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar. Die Elektromaschine 10 wird immer in jenen Fahrzyklen als Generator zum Aufladen der Batte­ rie 11 betrieben, wenn ihr Einsatz als Motor nicht not­ wendig oder wegen eines zu hohen Entladungsgrades der Batterie 11 notwendig ist. Der Einsatz der Elektromaschi­ ne 10 als Motor erfolgt dann, wenn notwendig und soweit bzw. solange die Speicherkapazität der Batterie 11 ausreicht.
  • 2. Die Summe der Maximalleistungen des Verbrennungsmotors 1 und der Elektromaschine 10 beträgt mindestens 7 KW/Tonne max. zulässigem Fahrzeuggesamtgewicht.
  • 3. Die von der Elektromaschine 10 maximal abgebbare Dauer­ leistung ist kleiner als 50% der vom Verbrennungsmotor 1 abgebbaren Maximalleistung.
  • 4. Die Elektromaschine 10 ist entweder direkt oder über ein Transfergetriebe auf eine der beiden Antriebswellen 14 bzw. 15 des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 wirksam. Im Fall gemäß Fig. 1 wirkt die Elektromaschine 10 über ein aus den eine Übersetzung ins Langsame bewirkenden Zahnrä­ dern 36, 37 bestehendes Transfergetriebe auf die erste Antriebswelle - Eingangswelle 14 - des Leistungsverzwei­ gungsgetriebes 3. Im Fall gemäß Fig. 2 wirkt die Elektroma­ schine 10 auf die zweite Antriebswelle 15 des Leistungs­ verzweigungsgetriebes 3, und zwar über eine Welle 38 und ein aus den eine Übersetzung ins langsame bewirkenden Zahnrädern 39, 40 bestehendes Transfergetriebe, wobei dessen größeres Zahnrad 40 mit dem Zahnrad 33 des Lei­ stungsverzweigungsgetriebes 3 kämmt und dieses Zahnrad 33 zusammen mit dem Zahnrad 32 den Getriebezug zur zweiten Antriebswelle 15 schließt. Vorzugsweise ist die Maximal­ drehzahl der Elektromaschine 10 mindestens doppelt so groß wie jene des Verbrennungsmotors 1 und außerdem die Mindestdrehzahl der Elektromaschine 10 größer als die Ma­ ximaldrehzahl des Verbrennungsmotors 1.
  • 5. Der Verbrennungsmotor 1 ist direkt oder über ein Trans­ fergetriebe auf die erste Antriebswelle 14 des Leistungs­ verzweigungsgetriebes 3 wirksam. Im Fall von Fig. 1 ist der Verbrennungsmotor 1 über eine schaltbare Kupplung 41 und ein aus den eine Übersetzung ins Schnelle bewirkenden Zahnrädern 42, 43 gebildetes Transfergetriebe auf die er­ ste Antriebswelle 14 (Eingangswelle) wirksam. Im Fall ge­ mäß Fig. 2 ist der Antriebsmotor 1 über eine Einrichtung 44, bei der es sich um eine schaltbare Kupplung oder eine Freilaufeinrichtung (Überhohlkupplung) handeln kann, di­ rekt auf die erste Antriebswelle 14 (Eingangswelle) des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 wirksam. Die von Sensoren 45, bzw. 46, 47 erfaßte Motordrehzahl ist ebenso Regelkrite­ rium wie die durch entsprechende Einstellung der Brenn­ stoffzumeßeinrichtung 2 erzielbare Motorleistung. Vorzugswei­ se wirken der Verbrennungsmotor 1 und die Elektromaschine 10 in einem festen, d.h. nicht variablen, Drehzahlverhältnis zueinander, was die Regelung dieser beiden Aggregate vereinfacht.
  • 6. Das Schwungrad 9 ist auf einen maximalen Energieinhalt ausgelegt, der kleiner als 70 Wh/Tonne max. zulässiges Fahrzeuggesamtgewicht ist. Das in einem Gehäuse 48 dreh­ bar gelagert aufgenommene Schwungrad 9 ist entweder di­ rekt - wie im Fall gemäß Fig. 1 über eine schaltbare Kupplung 49 - oder indirekt über ein Transfergetriebe auf die zweite Antriebswelle 15 des Leistungsverzweigungsge­ triebes 3 wirksam. Der indirekte Fall ist in Fig. 2 ge­ zeigt, wobei das Schwungrad 9 in den zur Elektromaschine 10 führenden Getriebezug 32, 33, 40, 39, 38 integriert ist und mittels einer vorgeschalteten Schaltkupplung 50 sowie nachgeschalteten Schaltkupplung 51 an die Welle 38 oder die Elektromaschine 10 ankuppelbar ist. Vorzugsweise wir­ ken das Schwungrad 9 und die Elektromaschine 10 in festem Drehzahlverhältnis bei direkter Verbindung miteinander zusammen, was die Regelung des Betriebes dieser beiden Aggregate ebenfalls vereinfacht. Die von einem Sensor 52 erfaßte Drehzahl mit Minimum- und Maximum-Sollwert ist ein Regelungskriterium für den Speicherinhalt des Schwun­ grades 9. Das Schwungrad 9 wird grundsätzlich nicht unter einen Mindestgrenzwert entladen; das Laden erfolgt - je nach Fahrsituation - von der Elektromaschine 10 al­ lein oder gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor 1 bzw. beim Bremsen des Fahrzeuges durch Einspeisung der anfallenden kinetischen Energie.
  • Dabei wird das Laden des Schwungrades 9 durch den Ver­ brennungsmotor 1 und/oder die Elektromaschine 10 auf ei­ nen Speichergrad in der Größenordnung von etwa 80% des Maximums begrenzt, um die Weiterladung des Schwungrades 9 durch die beim Bremsen des Fahrzeuges anfallende Energie zu ermöglichen. Das Schwungrad 9 dient zur Bereitstellung von Antriebsenergie in bestimmten Fahrbetriebszuständen, insbesondere Beschleunigungsphasen, und zur Phlegmatisie­ rung des Verbrennungsmotors 1, wobei es im letzteren Fall bewirkt, daß Drehzahl-/Leistungs-Änderungen nur relativ langsam vonstatten gehen und der Verbrennungsmotor 1 mög­ lichst entlang einer bestimmten abgasemissions- bzw. kraft­ stoffverbrauchsoptimierten Leistungs-/Drehzahl-Kennlinie betrieben wird.
  • 7. Die Battierie 11 ist auf einem maximalen Energieinhalt von kleiner als 4 KWh/Tonne max. zulässiges Fahrzeugge­ samtgewicht ausgelegt. Das Laden der Batterie 11 erfolgt bei Notwendigkeit, bzw. wenn der Betrieb des Fahrzeugs es zuläßt. Dabei ist der Ladezustand der Batterie 11, wel­ cher von einem Meßorgan 53 erfaßt wird, unter Berücksich­ tigung von Minimum- und Maximum-Sollwert ein Regelkrite­ rium.
  • 8. Die Betriebsregel- und -steuereinrichtung 13 ist durch ein elektronisches Gerät gebildet, das eine Eingabe-/Aus­ gabe-Peripherie mit Signalwandlungsschaltungen, einen Mi­ kroprozessor, Datenspeicher, Programmspeicher und Aus­ gangsleistungsverstärkerschaltungen umfaßt. Die Betriebs­ regel- und -steuereinrichtung 13 arbeitet auf der Basis zugeführter, von Sensoren erfaßter Istwerte, eingespei­ cherter Kennlinien eines Drehzahl-/Leistungs-Kennfeldes des Verbrennungsmotors 1, und errechnet per Programm Sollwerte für eine fahrsituationsangepaßte Betriebsweise aller Aggregate des Antriebsstranges und gibt entspre­ chende Befehle zur notwendigen Ein- bzw. Verstellung von dessen Komponenten aus. Als Istwerterfassungsorgane sind die bereits genannten Sensoren 45, 46, 47, 52, weitere, die Drehzahl von Wellen 14, 15, 16, 17, 18 des Leistungs­ verzweigungsgetriebes 3 erfassende Sensoren 54, 55, 56, 57, 58, das Meßorgan 53 und gegebenenfalls weitere, nicht gezeigte Sensoren an der Eingangsperipherie der Betriebs­ regel- und -steuereinrichtung 13 angeschlossen. An der Ausgangsperipherie bzw. den jeweiligen Leistungsverstär­ kerschaltungen sind das Verstellorgan der Brennstoffzu­ meßeinrichtung 2, die Regeleinrichtung 12 der Elektroma­ schine 10, die elektrischen Schaltorgane der Kupplun­ gen 35, 41, 49 (Fig. 1) bzw. 35, 50, 51 (Fig. 2), die elektrischen Schaltorgane des Steuerblockes 31 und die elektrischen Schaltorgane der Verstelleinrichtungen der beiden Hydromaschinen 5, 6 angeschlossen. Außerdem sind an die Eingangsperipherie der Betriebsregel- und -steuer­ einrichtung 13 die Weggeber des Fahrpedals 59, des Be­ triebsbremspedals 60, der Feststellbremse 61, eines Be­ triebsartenwahlschalters 62 (mit Stellung V = Vorwärts­ fahrt, N = Leerlauf, R = Rückwärtsfahrt) und ein Fahrpro­ grammwahlschalter 63 angeschlossen, mit welch letzterem von einem Regel- und Steuerprogramm für innerörtlichen Fahrbetrieb auf ein Regel- und Steuerprogramm für außer­ örtlichen Fahrbetrieb und zurück umgeschaltet werden kann.
Die Betriebsregel- und -steuereinrichtung 13 übernimmt das gesamte Antriebsstrang-Management, wobei sie aufgrund ihrer Berechnungen mit entsprechenden Ausgabebefehlen
  • a) die Einstellung der Brennstoffzumeßeinrichtung 2 (Einspritzpumpe oder Vergaser), damit die abzugebende Leistung des Verbrennungsmotors 1 bestimmt,
  • b) die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 bestimmt,
  • c) die Drehzahl des Schwungrades 9 bestimmt,
  • d) die Regelung des Betriebes der Elektromaschine 10 im Hinblick auf Leistungsabgabe im Generatorbetrieb an die Batterie 11 bzw. im Hinblick auf Leistungsaufnahme im Motorbetrieb aus der Batterie 11 bestimmt,
und somit im Plus-Minus-Verfahren die Summe der Leistun­ gen des Verbrennungsmotors 1, der Elektromaschine 10 und des Schwungrades 9 an die am Achsantriebsstrang 8 für den jeweils angestrebten Fahrbetrieb erforderliche Lei­ stung anpaßt.
Nachstehend ist auf einige fahrsituationsspezifische Be­ triebsverhältnisse noch näher eingegangen.
  • A: Fahrt in Fußgängerzonen oder innerörtlichen Bereichen mit starkem Fußgängerverkehr, oder Bereichen, wo Abgas­ emissionen völlig unerwünscht sind, z.B. in längeren Tunnels:
  • In diesem Fall wird das Fahrzeug ohne Verbrennungsmo­ tor 1 betrieben, d.h., letzterer ist abgeschaltet. Die erforderliche Antriebsleistung wird von der als Motor betriebenen, aus der der Batterie 11 gespeisten Elek­ tromaschine 10 im Zusammenwirken mit dem Schwungrad 9 erbracht. Für den Fall, daß die Kapazität der Batterie 11 bei Entladung den unteren Grenzwert erreicht und/oder die Drehzahl des Schwungrades 9 den unteren Sollwert bei Leistungsabgabe erreicht und/oder eine Fahrzeugbe­ schleunigung und/oder eine Bergfahrt erforderlich ist, wird der Verbrennungsmotor 1 automatisch von der Betriebsregel- und -steuereinrichtung 13 gestartet, mit deren Leistung dann die Fahrt in der vom Fahrer auf­ grund der Fahrpedalbetätigung ausgelösten erforderli­ chen Weise fortsetzbar, das Schwungrad 9 und gegeben­ enfalls auch die Batterie 11 über die dann als Genera­ tor betriebene Elektromaschine 10 aufladbar ist. Dieser zuletztgenannte Fall kommt außer bei den genannten Ver­ hältnissen auch beim Übergang aus der zugrundeliegen­ den Betriebszone in eine weniger abgasemissionsgefähr­ dete innerörtliche Zone zur Anwendung.
  • B: Fahrt innerorts bei konstanten Geschwindigkeiten (d.h. ohne Beschleunigung) in einer gegenüber Zone A weniger abgasemissionsgefährdeten Zone:
  • In diesem Fall liefert der Verbrennungsmotor 1 die zum Fahrzeugantrieb notwendige Leistung. Der Verbrennungs­ motor 1 wird von der Betriebsregel- und -steuereinrich­ tung 13 jedoch auf eine gegenüber der für den reinen Konstantfahrtbetrieb erforderlichen Leistung höhere Leistungsabgabe gebracht, durch entsprechende Befehle an die Brennstoffzumeßeinrichtung 2, wobei die diesbe­ zügliche Überschußleistung zum Antrieb der dann als Ge­ nerator arbeitenden und die Batterie 11 aufladenden Elek­ tromaschine 10, sowie zum Laden des Schwungrades 9 dient. Sobald jedoch der Maximalladezustand der Batterie 11 erreicht und signalisiert ist, wird die Überschußlei­ stung des Verbrennungsmotors 1 auf das für Konstant­ fahrt erforderliche Maß zurückgenommen und außerdem die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 gedrückt.
  • C: Beschleunigung der Fahrt innerorts in einer gegenüber Zone A weniger abgasemissionsgefährdeten Zone:
  • In diesem Fall werden zum Verbrennungsmotor 1 auch die dann als Motor zu betreibende, aus der Batterie 11 ge­ speiste Elektromaschine 10 und das Schwungrad 9 zur Leistungsabgabe mit herangezogen durch entsprechende Einflußnahme von der Betriebsregel- und -steuereinrich­ tung 13. Grundsätzlich wird der Verbrennungsmotor 1 dann, wenn aktiviert und in Betrieb, im innerörtlichen, nor­ malerweise bis 50 km/h gehenden Fahrbetrieb, durch das Schwungrad 9 phlegmatisiert betrieben, d.h. in einem Drehzahl-/Leistungs-Bereich mit günstigsten Abgasemis­ sionswerten. Diese Betriebsweise ist durch die Dreh­ zahl-/Leistungs-Kennlinien eines im Datenspeicher abge­ speicherten abgasoptimierten Motorkennfeldes vorgege­ ben. Die Wahl dieses Programmes erfolgt vom Fahrer durch entsprechende Einstellung des Fahrprogrammwahl­ schalters 63 auf "Innerortsfahrt".
  • D: Die in vorstehenden Kapiteln A, B, C gegebene Priori­ tät des Erreichens günstigster Abgasemissionswerte kann bei belassen abgasgefährdeter Ortsbereiche oder Fahrt auf innerörtlichen Schnellstraßen oder bei außer­ örtlichen Überlandfahrten auf Landstraßen bzw. Auto­ bahnen aufgegeben und statt dessen durch Umschaltung des Programmwahlschalters 63 auf "Schnellfahrt" ein Programm gewählt werden, dem ein auf Kraftstoffver­ brauchsoptimierung ausgelegtes und in einem anderen Da­ tenspeicher abgespeichertes Drehzahl-/Leistungs-Kenn­ feld des Verbrennungsmotors 1 als Arbeitsbasis zugrundeliegt.
  • In diesem Fall wird der Verbrennungsmotor 1 dynami­ scher, d.h. weniger phlegmatisch betrieben, Drehzahl und Leistung des Verbrennungsmotors 1 können sich schneller ändern. Entsprechend angepaßt erfolgt die Regelung und Steuerung des Aufladens und Entladens der Batterie 11 und des Schwungrades 9, für Konstantfahrt und Beschleunigung jedoch im Grundsatz so wie im Fall der "Innerortsfahrt".
Schließlich ist es mittels der Betriebsregel- und -steuer­ einrichtung 13 auch möglich, dann, wenn von Sensoren eine zu starke Druckdifferenz zwischen Drücken vor und nach einem Katalysator bzw. Partikelfilter im Abgasstrang festgestellt und gemeldet wird, den Verbrennungsmotor 1 zum Regenerieren des Katalysators bzw. Partikelfilters auf Vollast zu betrei­ ben, um Abgas mit für die Regeneration ausreichend hoher Temperatur zu erzeugen. Dieser künstlich gegenüber norma­ ler Fahrbetriebssituation herbeigeführte Motorbetrieb bleibt nur solange aufrechterhalten, wie für die Regeneration notwendig bzw. solange eine bestimmte Druckdifferenz im Ab­ gasstrang gegeben ist.

Claims (9)

1. Hybrid-Antriebseinrichtung für Kraftfahrzeuge, insbeson­ dere Stadtlinienbusse, andere Kommunalfahrzeuge, Zubrin­ gerfahrzeuge und dergleichen, mit einem Verbrennungsmo­ tor (1) und einem hydrostatisch-mechanischen Leistungs­ verzweigungsgetriebe (3), das zwei Hydromaschinen (5, 6) und ein vierwelliges Planetendifferential (4) umfaßt, wo­ bei auf eine erste Antriebswelle (14) der Verbrennungs­ motor (1) wirkt, über eine zweite Antriebswelle (15) ein Schwungrad (9) mit einem kleinen Sonnenrad (20) im Plane­ tendifferential (4) in Wirkverbindung bringbar und eine Abtriebswelle (18) mit dem Achsantriebsstrang (8) des Fahrzeugs verbunden ist, wobei ferner die erste Hydroma­ schine (5) auf eine Nebenwelle (16) wirksam ist, die zweite Hydromaschine (6) dagegen in einem ersten Betriebs­ bereich auf die Abtriebswelle (18), in einem zweiten Be­ triebsbereich dagegen über die zweite Antriebswelle (15) auf das kleine Sonnenrad (20) wirkt, und die diesbezügli­ che Umschaltung über eine Schaltkupplung (35) erfolgt, gekennzeichnet durch eine Kombination mit folgenden Merk­ malen, nämlich
  • a) außer dem Verbrennungsmotor (1) ist eine Elektroma­ schine (10) vorgesehen, die - an eine Regelung (12) angeschlossen - sowohl als aus einer elektrischen Bat­ terie (11) gespeister Motor oder als besagte Batterie (11) aufladender Generator betreibbar ist,
  • b) die Summe der Maximalleistungen des Verbrennungsmotors (1) und der Elektromaschine (10) beträgt mindestens 7 KW/Tonne max. zulässigem Fahrzeuggesamtgewicht,
  • c) die von der Elektromaschine (10) maximal abgebbare Dauerleistung ist kleiner als 50% der vom Verbren­ nungsmotor (1) abgebbaren Maximalleistung,
  • d) die Elektromaschine (10) ist entweder direkt oder über ein Transfergetriebe auf eine der beiden Antriebswel­ len (14, 15) des Leistungsverzweigungsgetriebes (3) wirksam,
  • e) das Schwungrad (9) ist auf einen maximalen Energiein­ halt ausgelegt, der kleiner als 70 Wh/Tonne max. zu­ lässiges Fahrzeuggesamtgewicht ist,
  • f) die Batterie (11) ist auf einen maximalen Energiein­ halt von kleiner als 4 KWh/Tonne max. zulässiges Fahr­ zeuggesamtgewicht ausgelegt,
  • g) einer elektronischen Betriebsregel- und -steuereinrich­ tung (13), die rechnergestützt arbeitet und anhand zu­ geführter Betriebszustands-Istwerte auf der Basis ein­ gespeicherter Daten Sollwerte für eine fahrsituations­ angepaßte Betriebsweise aller Aggregate des Antriebs­ stranges errechnet und Befehle an letztere ausgibt, derart, daß im Plus-Minus-Verfahren die Summe der Lei­ stungen des Verbrennungsmotors (1), der Elektromaschi­ ne (10) im Generator- und Motorbetrieb und des Schwung­ rades (9) im Lade- und Entladebetrieb an die am Achs­ antriebsstrang (8) für den jeweils angestrebten Fahr­ betrieb erforderliche Leistung angepaßt wird.
2. Hybrid-Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) und die Elek­ tromaschine (10) in einem festen, nicht variablen Dreh­ zahlverhältnis zueinander wirken.
3. Hybrid-Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektromaschine (10) und das Schwungrad (9) in einem festen, nicht variablen Drehzahl­ verhältnis, vorzugsweise direkt miteinander verbunden, zusammenwirken.
4. Hybrid-Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Verbrennungsmotor (1) und er­ ster Antriebswelle (14) des Leistungsverzweigungsgetrie­ bes (3) ein Transfergetriebe (42, 43) für Übersetzung ins Schnelle vorgesehen ist.
5. Hybrid-Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Elektromaschine (10) und jener der beiden Antriebswellen (14 bzw. 15) des Leistungsver­ zweigungsgetriebes (3), auf die sie wirkt, ein Transfer­ getriebe (36, 37 bzw. 39, 40, 33, 32) für Übersetzung ins Langsame vorgesehen ist.
6. Hybrid-Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Maximaldrehzahl der Elektromaschi­ ne (10) mindestens doppelt so groß wie jene des Verbren­ nungsmotors (1) ist.
7. Hybrid-Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestdrehzahl der Elektroma­ schine (10) größer als die Maximaldrehzahl des Verbren­ nungsmotors (1) ist.
8. Hybrid-Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektronische Betriebsregel- und -steuereinrichtung (13) eine Mikroprozessor, eine Ein- und Ausgabe-Peripherie, Datenspeicher, Programmspeicher, Signalaufbereitungsschaltungen und Ausgangsverstärker­ schaltungen umfaßt.
9. Hybrid-Antriebseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsregel- und -steuereinrichtung (13) per Programm sowohl mit einem auf Abgasemissionsoptimierung abgestellten Drehzahl-/Leistungs- Kennfeld als auch mit einem auf Kraftstoffverbrauchsopti­ mierung abgestellten Drehzahl-/Leistungs-Kennfeld arbeiten kann, die beide in Datenspeichern eingespeichert und wahlweise vom Fahrer durch Betätigung eines Fahrprogramm­ wahlschalters (63) abrufbar bzw. aktivierbar sind.
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