DE4134160A1 - Kraftfahrzeug und verfahren zum betrieb dieses kraftfahrzeugs - Google Patents

Kraftfahrzeug und verfahren zum betrieb dieses kraftfahrzeugs

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Uwe Dipl Ing Adler
Hans-Juergen Dr Ing Drexl
Dieter Dr Ing Lutz
Franz Dipl Ing Nagler
Martin Dr Ing Ochs
Stefan Dr Ing Schiebold
Hans-Joachim Schmidt-Bruecken
Wolfgang Dipl Ing Thieler
Michael Dr Ing Wagner
Holger Dr Ing Westendorf
Rainer Wychnanek
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Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei unabhängig voneinander verbrennungsmotorisch angetriebenen elektrischen Generatoren, die über mindestens eine Leistungselektronik mindestens einen Elektromotor mit elektrischem Strom versorgen, wobei die Elektromotoren antriebsmäßig jeweils mit mindestens einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeugs.
Jeder Verbrennungsmotor wird auf eine bestimmte maximale Leistung ausgelegt. Sein Wirkungsgrad ist abhängig vom jeweils gewählten Betriebspunkt. In Fig. 1 ist der Zusammenhang zwischen dem normierten Wirkungsgrad (η/ηmax.) und der vom Verbrennungsmotor abgegebenen normierten Leistung (P/Pmax.) qualitativ dargestellt. Bei einer bestimmten Leistung erreicht der Motor seinen höchsten Wirkungsgrad; liegt die abgegebene Leistung höher oder tiefer als bei diesem Betriebsoptimum, dann verschlechtert sich der Wirkungsgrad.
Aus der DE 37 41 891 C2 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, das als Antriebsquelle über zwei leistungsgleiche Verbrennungsmotoren verfügt, die über je eine Schaltkupplung mit einem gemeinsamen Summiergetriebe verbindbar sind. Das Summiergetriebe wiederum ist mit einem Schalt- oder Automatikgetriebe gekoppelt, über das die Antriebsleistung in den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs abgegeben wird. Dieses Antriebskonzept, das für Lastkraftwagen und Reisebusse vorgesehen ist, bietet die Möglichkeit, unter Beibehaltung einer hohen möglichen Maximalantriebsleistung in Betriebsphasen mit Teillastbetrieb, während deren weniger als die Hälfte der maximalen Leistung des Kraftfahrzeugs benötigt wird (beispielsweise bei relativ konstanter Autobahnfahrt) nur einen der beiden Verbrennungsmotoren für den Antrieb zu nutzen. Dadurch kann ein geringerer Energieverbrauch erreicht werden, da der einzelne benutzte Verbrennungsmotor vielfach näher an seinem günstigsten Betriebspunkt betrieben werden kann als ein vergleichbarer Verbrennungsmotor, der auf die gesamte Maximalleistung des Fahrzeugs ausgelegt ist. Wesentliche Nachteile dieser Lösung sind insbesondere in dem erforderlichen Bau-, Wartungs- und Reparaturaufwand für das Summiergetriebe und die Kupplungen zur wahlweisen voneinander unabhängigen Auskopplung der Verbrennungsmotoren aus dem Antriebsstrang zu sehen.
Für den Antrieb des Kompressors einer Klimaanlage und eines elektrischen Generators in einem Kraftfahrzeug ist es aus der DE 39 41 998 C1 bekannt, einen vom Fahrmotor völlig unabhängigen Verbrennungsmotor einzusetzen. Damit soll ein verbrauchsgünstiger Betrieb von Nebenaggregaten des Kraftfahrzeugs ermöglicht werden. Für den Fahrzeugantrieb selbst wird dieser zusätzliche Verbrennungsmotor nicht benutzt.
Aus der gattungsbildenden DE 36 20 362 A1 ist es darüber hinaus bekannt, ein mit zwei Verbrennungsmotoren ausgestattetes Kraftfahrzeug mit zwei elektrischen Generatoren zu versehen, die die abgegebene Leistung der Verbrennungsmotoren in elektrischen Strom umsetzen. Dieser Strom wird in einen oder mehrere Elektromotoren eingespeist, die als Fahrmotoren mit den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind. Der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs weist daher keine mechanische Kopplung zwischen den Verbrennungsmotoren und den Antriebsrädern auf. Ähnlich wie bei dem aus der DE 37 41 891 C2 bekannten Kraftfahrzeug soll auch hier ein bei verschiedenen Leistungsstufen möglichst verbrauchsgünstiger Fahrbetrieb erreicht werden, indem wahlweise einer der beiden Verbrennungsmotoren oder beide gleichzeitig betrieben werden können. Durch voneinander verschiedene Auslegung der Maximalleistung der beiden Verbrennungsmotoren lassen sich auf diese Weise drei verschiedene Maximalleistungsstufen realisieren, so daß das Kraftfahrzeug dementsprechend in drei Betriebspunkten verbrauchsoptimal gefahren werden kann. Um während möglichst langer Betriebsphasen in einem verbrauchsoptimalen Betriebspunkt bleiben zu können, ist vorgeschlagen worden, dieses Fahrzeug mit einem Rotationsenergiespeicher auszustatten, aus dem kurzfristig Antriebsenergie entnommen oder in diesen eingespeist werden kann, um die aktuell abgegebene Leistung des Verbrennungsmotors mit dem aktuellen Leistungsbedarf für den Antrieb in Einklang zu bringen.
Bei dem bekannten Fahrzeug gemäß DE 36 20 362 A1 stellen die beiden Verbrennungsmotoren zwei völlig unabhängige und räumlich getrennt angeordnete Einheiten dar, deren Einzelverhalten nicht untereinander koordiniert wird. Eine unmittelbare Anpassung der Verbrennungsmotorleistung an den aktuellen Leistungsbedarf des Kraftfahrzeugs ist im Hinblick auf einen verbrauchsgünstigen und/oder schadstoffarmen Betrieb nur sehr grob möglich, nämlich durch Ein- oder Ausschalten der beiden Verbrennungsmotoren.
Über die Problematik eines zu erwartenden unterschiedlich schnellen Verschleißes der beiden Verbrennungsmotoren wird in dieser Schrift nichts ausgesagt. Vielmehr wird dort als bevorzugt eine Ausführungsform beschrieben, bei der der zweite Verbrennungsmotor besonders leicht ausbaubar angeordnet sein soll, um ihn zwecks Gewichtsersparnis nur für Fahrten mit entsprechendem Bedarf an Antriebsleistung mitzuführen. Das aber läuft der Forderung nach einer gleichmäßigen Abnutzung der beiden Verbrennungsmotoren genau entgegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb vorzuschlagen, bei dem unter Wahrung einer kompakten Bauweise eine bessere Anpassung der verbrennungsmotorisch erzeugten Leistung an den tatsächlichen Leistungsbedarf bei weitgehendem Betrieb des Verbrennungsmotors im Bereich eines im Hinblick auf Optimierungskriterien wie Verbrauch, Schadstoffentstehung und/oder Lärmentstehung günstigen Betriebspunktes möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 2 bis 12 ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Im Patentanspruch 13 ist ein Verfahren für einen zweckmäßigen Betrieb eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs angegeben. Durch die Merkmale der Unteransprüche 14 und 15 ist dieses Verfahren in vorteilhafter Weise ausgestaltbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert, wobei durchweg von Verbrennungsmotoren in Hubkolbenbauart die Rede ist. Selbstverständlich kann die Erfindung auch mit Verbrennungsmotoren anderer Bauarten ausgeführt werden. Der verwendete Begriff "Zylinder" ist dementsprechend in einem erweiterten Sinn zu verstehen:
Ein 2-Zylinder-Verbrennungsmotor umfaßt beispielsweise auch einen 2-Scheiben-Rotationskolbenmotor. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Verlauf des normierten Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der normierten abgegeben Leistung,
Fig. 2 einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor mit zwei baugleichen Teilmotoren,
Fig. 3 einen 6-Zylinder-Verbrennungsmotor mit drei unterschiedlich dimensionierten Teilmotoren,
Fig. 4 einen Verbrennungsmotor mit drei in anderer Weise räumlich zueinander angeordneten Teilmotoren,
Fig. 5 einen 5-Zylinder-Verbrennungsmotor mit fünf Teilmotoren und
Fig. 6 schematische Darstellungen verschiedener Fahrzeugantriebskonzepte.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für eine Optimierung des Betriebs eines verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs im Hinblick auf Kriterien wie spezifischer Kraftstoffverbrauch und Entstehung von Geräuschen und Schadstoffen im Verbrennungsprozeß die Möglichkeit zu einer bedarfsabhängigen zeitweiligen antriebsmäßigen Stillegung eines Teils des verfügbaren Verbrennungsmotorantriebs vorteilhaft ist.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist nämlich zu erwarten, daß bei einer regelmäßigen Nutzung des gesamten Verbrennungsmotorantriebs wegen des zeitlich unterschiedlich hohen Bedarfs an Antriebsleistung häufig deutlich außerhalb des optimalen Betriebspunktes gefahren werden muß. Bei dem aus der DE 36 20 362 A1 bekannten Fahrzeug ist dieses Problem bereits wesentlich gemildert, da, wie eingangs geschildert, das Fahrzeug nicht mehr über nur einen sondern über drei Leistungsstufen verfügt, in denen ein optimaler Betriebspunkt einstellbar ist, da die beiden Verbrennungsmotoren wahlweise einzeln oder auch zusammen betrieben werden können. Die Erfindung geht über diesen Stand jedoch deutlich hinaus und schlägt die Aufteilung des Verbrennungsmotors in unabhängig voneinander betreibbare Teilmotoren vor. Das bedeutet, daß der Verbrennungsmotor als bauliche Einheit bestehen bleibt und nicht wie in der bekannten Lösung zwei räumlich voneinander getrennte Einzelaggregate gebildet werden. Dies bringt erhebliche Vorteile mit sich. So kann bei der vorliegenden Erfindung beispielsweise die Zylinderzahl der kleinsten unabhängig betreibbaren Einheit (Teilmotor) bis auf 1 reduziert werden, während bei der bekannten Lösung allein schon aus Gründen der Schwingungsbeherrschung (Massenkraft- und Gaskraftausgleich) von vornherein Mehrzylindermaschinen (z. B. drei oder vier Zylinder) für die beiden Verbrennungsmotoren vorzusehen sind. Solche Einzylinder-Teilmotoren können in beliebiger Kombination zeitweilig gemeinsam betrieben oder abgeschaltet werden. Dadurch ergeben sich wesentlich mehr Leistungsstufen, in denen der verbrennungsmotorische Antrieb in bezug auf das jeweils gewünschte Zielkriterium (z. B. Verbrauch, Schadstoff-, Geräuschemission) im optimalen Betriebspunkt arbeiten kann. Es ist also eine deutlich feinstufigere Anpassung an den aktuellen Leistungsbedarf möglich; dies ist bedeutsam, wenn keine Zwischenspeicherung der vom Verbrennungsmotor erzeugten Leistung erfolgt.
Die Fig. 2 zeigt schematisch das Beispiel eines erfindungsgemäßen 4-Zylinder-Verbrennungsmotors V, der in zwei Teilmotoren V1 und V2 aufgeteilt ist. Jeder Teilmotor V1, V2 besitzt eine unabhängige Kurbelwelle K1 bzw. K2 für die Kraftübertragung von den Kolben der jeweils zwei Zylinder, in denen die Verbrennung des Kraftstoffs stattfindet.
Die Betätigung der Ventile sowie die Zuführungen für Kraftstoff und gegebenenfalls Strom für die Zündung, die nicht bildlich dargestellt sind, erfolgen für jeden Teilmotor V1, V2 separat. Ähnlich wie es keine gemeinsame Kurbelwelle gibt, ist also auch keine gemeinsame Nockenwelle für die Ventilsteuerung vorgesehen. Dennoch kann dieser Verbrennungsmotor V nach außen wie ein normaler 4-Zylinder-Motor betrieben werden. Dies wird erreicht durch eine nicht dargestellte elektronische Steuerung, die die beiden Teilmotoren V1, V2 hinsichtlich Drehzahl und relativer Phasenlage der beiden Kurbelwellen K1, K2 so einregeln kann, als wäre eine mechanische Kopplung zwischen beiden Teilmotoren V1, V2 vorhanden.
Die Abtriebswellen der beiden Teilmotoren V1, V2, d. h. hier die beiden Kurbelwellen K1, K2 sind jeweils mechanisch an einen elektrischen Generator G1 bzw. G2 gekoppelt. Sobald daher einer oder beide Teilmotoren in Betrieb gesetzt sind, kann von dem Generator G1 bzw. G2 bzw. von beiden elektrischer Strom erzeugt werden. Dieser Strom wird dann über entsprechende Leistungselektroniken L1 und L2, wie dies durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist, an einen oder mehrere Elektromotoren, die nicht dargestellt sind, als Antriebsenergie weitergeleitet. Somit sind für die Versorgung der Elektromotoren zwei völlig getrennte Stromerzeugungseinheiten geschaffen, so daß eine hohe Verfügbarkeit des Fahrzeugantriebs von vornherein gewährleistet ist, da das Fahrzeug (mit verminderter Leistung) auch dann noch betriebsbereit ist, wenn einer der Teilmotoren V1, V2 oder einer der Generatoren G1, G2 oder eine der beiden Leistungselektroniken L1, L2 gestört sind.
Mit besonderem Vorteil werden für die Generatoren und Elektromotoren eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs Gleichstrommaschinen in Form multipler elektronisch gesteuerter Dauermagnetmaschinen eingesetzt.
Diese haben eine hohe Leistungsdichte, erfordern also vergleichsweise wenig Einbauraum und sind hinsichtlich der Drehzahl und der Leistung bei hohem Wirkungsgrad sehr gut regelbar. Bei Betrieb beider Teilmotoren V1, V2 können diese daher so aufeinander abgestimmt werden, daß sich nach außen hin das Verhalten eines herkömmlichen 4-Zylindermotors ergibt. Eine solche Möglichkeit ist bei dem bekannten gattungsgemäßen Fahrzeug nicht gegeben.
Die Generatoren G1, G2 können auch als Anlaßmotor für die Teilmotoren V1, V2 eingesetzt werden. Die Energie für das Anlassen kann einem Speicher (z. B. Bleiakku) oder gegebenenfalls auch einem in Betrieb befindlichen Generator entnommen werden. Da der "Anlasser" G1 bzw. G2 eine der Teilmotorleistung entsprechende Leistung besitzt, kann ein Teilmotor V1, V2 in kürzester Zeit auf seine gewünschte Betriebsdrehzahl "angeschleppt" werden, sofern genügend elektrischer Strom hierfür bereitgestellt wird.
Die Erkennung der Phasenlage einer Kurbelwelle K1, K2 ist über die Winkellage des Rotors des damit gekoppelten Generators G1, G2, die für die Generatorsteuerung ohnehin als elektrisches Signal vorliegt, problemlos möglich. Die Synchronisation der Kurbelwellenlagen kann daher auf einfache Weise durch entsprechende Veränderung der Rotorwinkellagen erzielt werden.
In Fig. 3 ist ein 6-Zylinder-Verbrennungsmotor dargestellt, der in drei Teilmotoren V1, V2, V3 unterteilt ist, welche wiederum jeweils zwei Zylinder aufweisen. Während in Fig. 2 die Teilmotoren V1, V2 baugleich ausgeführt sind, liegt in Fig. 3 bei den Teilmotoren V1, V2, V3 hinsichtlich ihrer Baugröße und damit ihrer Leistung eine deutliche Abstufung vor. Diese kann beispielsweise so sein, daß der nächstgrößere Teilmotor auf die doppelte Leistung ausgelegt ist, wie sie bei dem kleineren Teilmotor vorliegt.
Im dargestellten Fall mit drei Teilmotoren V1, V2, V3 (Gesamtleistung z. B. 70 KW) wäre also Teilmotor V2 (z. B. 20 KW) doppelt so stark wie Teilmotor V1 (z. B. 10 KW) und Teilmotor V3 (z. B. 40 KW) doppelt so stark wie Teilmotor V2. Durch eine solche Auslegung läßt sich die Maximalleistung gleichmäßig durch entsprechende Kombination der gleichzeitig betriebenen Teilmotoren V1 bzw. V2 bzw. V3 in insgesamt 7 Leistungsstufen (23 - 1) unterteilen, wobei in jeder Leistungsstufe ein optimaler Betriebspunkt im Hinblick auf die Zielkriterien gegeben ist. Bei vier derartigen Teilmotoren würden sich sogar 15 gleichmäßig voneinander beabstandete Leistungsstufen (24 - 1) realisieren lassen.
Aus Gründen der Laufruhe empfiehlt es sich, jeden der Teilmotoren V1, V2, V3 mit zwei Zylindern auszustatten. Die voneinander getrennten Kurbelwellen K1, K2, K3 sind wiederum antriebsmäßig an separate Generatoren G1, G2, G3 gekoppelt, die ihrerseits separaten Leistungselektroniken L1, L2, L3 zugeordnet sind. Die durch einen Pfeil angedeutete Stromzuführung zum Elektroantrieb ist im vorliegenden Fall als Sammelleitung ausgeführt, könnte aber auch, wenn mehrere Elektromotoren für den Antrieb vorgesehen sind, wie in Fig. 2 separat ausgebildet sein. Der Elektroantrieb kann im vorliegenden Fall beispielsweise durch einen an die Kardanwelle des Kraftfahrzeugs angeflanschten einzelnen Elektromotor realisiert sein. Im Unterschied zu Fig. 2 ist die vorliegende Baueinheit aus Verbrennungsmotor V und den Generatoren G1, G2, G3 elektrisch nicht nur an den Elektroantrieb, sondern zusätzlich an einen elektrisch ladbaren Energiespeicher (z. B. Akku, Kondensator, chemischer Energiespeicher), insbesondere einen als Elektromotor/Generator ausgebildeten Rotationsenergiespeicher S angeschlossen. Dadurch ist es möglich, die jeweils für den Betrieb gewählte Kombination von Teilmotoren V1, V2, V3 praktisch ständig im optimalen Betriebspunkt zu betreiben, da die Differenz der tatsächlich vom Fahrer augenblicklich angeforderten Antriebsleistung zur augenblicklich von den Generatoren G1, G2, G3 abgegebenen Leistung vom Energiespeicher S aufgenommen bzw. abgegeben werden kann. Abweichungen vom optimalen Betriebspunkt der Teilmotoren V1, V2, V3 sind zur Leistungsanpassung kaum noch erforderlich.
Die räumliche Anordnung der Teilmotoren V1, V2, V3 und der Generatoren G1, G2, G3 kann, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, so erfolgen, daß die beiden kleineren Teilmotoren V1, V2 nebeneinander und dem größten Teilmotor V3 gegenüberliegend positioniert sind. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Baueinheit. Im Fall der Fig. 4 sind die drei Generatoren E1, E2, E3 im Unterschied zu Fig. 2 und 3 an eine gemeinsame Leistungselektronik L angeschlossen, in der die einzelnen Leistungselektroniken zur Steuerung der Generatoren G1, G2, G3 räumlich zusammengefaßt sind.
Die Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors V. Es handelt sich um einen Motor, der in fünf Teilmotoren V1-V5 mit jeweils einem Zylinder aufgeteilt ist. Jeder Teilmotor V1-V5 weist gleiche Bauart auf. Die separaten Kurbelwellen K1-K5 sind entsprechend den vorhergehenden Ausführungen jeweils an einen eigenen elektrischen Generator G1-G5 angekoppelt. Die mit dem Kurbelgehäuse der Teilmotoren V1-V5 mechanisch verbundenen Statoren S₁-S₅ der Generatoren G1-G5 sind innenliegend angeordnet. Die Rotoren RT1-RT5 (Außenläufer) der Generatoren G1-G5 wirken jeweils als Schwungscheibe für die einzelnen Teilmotoren V1-V5. Elektrische Verbindungen und Steuereinrichtungen sind nicht eingezeichnet, können jedoch wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung konzipiert sein. Der besondere Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß die Generatoren G1-G5 jeweils im Kurbelgehäuse des zugeordneten Teilmotors V1-V5 untergebracht sind und dadurch eine besonders platzsparende Bauform erreicht wird. Eine solche Bauweise eines Verbrennungsmotors ist auch aus fertigungstechnischer Sicht sehr vorteilhaft, da aus völlig baugleichen Teilmotoren (hier V1-V5) Motoren mit beliebiger Zylinderzahl (z. B. 4, 6 oder 8 Zylinder) baukastenmäßig zusammengesetzt werden können. Durch die entsprechend vereinfachte Ersatzteilhaltung ergeben sich auch im Hinblick auf Service und Reparaturen deutliche - Vorteile. Es handelt sich um ein hochredundantes Gesamtsystem, das daher eine extrem gute Verfügbarkeit aufweist. Durch die beliebige Einstellbarkeit der Phasenlagen der Kurbelwellen K1-K5 kann der Massenausgleich für beliebige Zylinderzahlen jeweils optimiert werden, so daß ohne mechanische Eingriffe bei jeder Zahl augenblicklich betriebener Teilmotoren V1-V5 eine Minimierung der Motorschwingungsintensität erzielt werden kann.
Die Ausführungsform mit baugleichen Teilmotoren hat auch den Vorteil, daß bei einem Teillastbetrieb, bei dem nicht alle Teilmotoren in Betrieb sind, durch im Zeitverlauf unterschiedliche Auswahl von Teilmotoren für bestimmte Leistungsstufen eine gleichmäßige Abnutzung aller Teilmotoren möglich ist. Hierzu muß die elektronische Steuerung die Betriebszeiten und Belastungsparameter (z. B. anhand der abgegebenen elektrischen Leistung des zugeordneten Generators) erfassen und auswerten. Teilmotoren mit bisher geringerer Nutzung werden dadurch im weiteren Fahrbetrieb bevorzugt eingesetzt.
Fig. 6 zeigt vier verschiedene Antriebskonzepte für erfindungsgemäße Kraftfahrzeuge. In diesen Beispielen sind die mit E1-E4 bezeichneten Elektromotoren für den Fahrzeugantrieb nicht, wie vorstehend als Möglichkeit bereits erwähnt, an eine Kardanwelle angeflanscht oder über ein Getriebe mit der Kardanwelle verbunden, sondern sind jeweils mechanisch unmittelbar mit einem Antriebsrad R1-R4 gekoppelt. Dadurch entfällt der Aufwand und das Gewicht für eine Kardanwelle und auch für ein Differentialgetriebe.
In Fig. 6a ist ein Hinterradantrieb dargestellt. Die an die beiden Teilmotoren V1 und V2 angekoppelten Generatoren G1 und G2, die den elektrischen Fahrstrom für die beiden Elektromotoren E1 und E2 der Antriebsräder R1 und R2 liefern, sind elektrisch mit einer räumlich zusammengefaßten aber funktional bezüglich der Steuerung der Generatoren G1, G2 und Elektromotoren E1, E2 geteilt ausgeführten Leistungselektronik L verbunden. In entsprechender Weise ist der in Fig. 6b dargestellte Vorderradantrieb realisiert, bei dem die Elektromotoren E3 und E4 mit den vorderen Antriebsrädern R3 und R4 gekoppelt sind. Man erkennt, daß wegen des generellen Fehlens von Übersetzungsgetrieben, Differentialgetrieben und Kardanwellen der Bauaufwand bei erfindungsgemäßen Fahrzeugen für einen Vorderradantrieb und einen Hinterradantrieb etwa gleich niedrig ausfallen.
Demzufolge kann auch ein Allradantrieb, wie er in Fig. 6c dargestellt ist, mit insbesondere im Vergleich zur konventionellen rein mechanischen Bauweise geringem Mehraufwand gegenüber einem Vorder- oder Hinterradantrieb realisiert werden. Fig. 6d zeigt eine Abwandlung des Allradantriebs, bei dem den beiden Generatoren G1, G2 jeweils separate Leistungselektroniken L1, L2 zugeordnet sind. Während die Elektromotoren E1, E2 der Hinterräder R1 und R2 von der Leistungselektronik L1 mit Strom versorgt werden, ist die Leistungselektronik L2 den beiden Elektromotoren E3 und E4 der Vorderräder R₃ und R4 zugeordnet. Da auch mindestens zwei Teilmotoren V1, V2 vorgesehen sind, ergeben sich hierfür zwei voneinander unabhängige Antriebsstränge. Durch die zweckmäßige elektrische Kopplung zwischen den beiden Leistungselektroniken L1 und L2 kann jedoch auch bei Betrieb nur eines einzigen Teilmotors V1, V2 noch eine Energieversorgung für beide Antriebsstränge gewährleistet werden.
Im Fahrbetrieb eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs wird von der elektronischen Steuerung jeweils eine solche Kombination von Teilmotoren für den Antrieb eingesetzt, bei der die vom Fahrer angeforderte Antriebsleistung möglichst nahe am erreichbaren Optimum im Hinblick auf das oder die ausgewählten Zielkriterien liegt. Bei Erhöhung oder Verminderung der angeforderten Antriebsleistung, d. h. bei stärkerer Abweichung vom bisherigen "optimalen" Betriebspunkt prüft die elektronische Steuerung, ob bei einer anderen Kombination von Teilmotoren ein bezüglich der Zielkriterien günstigerer Betrieb möglich ist und nimmt ggf. zusätzliche Teilmotoren in Betrieb (innerhalb von Sekundenbruchteilen) und/oder schaltet einzelne Teilmotoren ab.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist in der Redundanz des Fahrzeugantriebs zu sehen, die eine sehr hohe Verfügbarkeit gewährleistet.
Durch die Möglichkeit zur Optimierung des Verbrennungsmotorsystems im Hinblick auf verschiedene Zielkriterien kann eine geringere Umweltbelastung (Schadstoffausstoß, Geräuschemission) und ein sparsamerer Umgang mit Ressourcen (Kraftstoffverbrauch, Materialschonung durch gleichmäßige Abnutzung) erreicht werden.

Claims (15)

1. Kraftfahrzeug mit mindestens zwei unabhängig voneinander verbrennungsmotorisch angetriebenen elektrischen Generatoren (G1- G5), die über mindestens eine Leistungselektronik (L, L1, L2, L3) mindestens einen Elektromotor (E1-E4) mit elektrischem Strom versorgen, wobei der oder die Elektromotoren (E1-E4) antriebsmäßig jeweils mit mindestens einem Antriebsrad (R1-R4) des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach außen eine bauliche Einheit darstellender und mindestens zwei Zylinder aufweisender Verbrennungsmotor (V) vorgesehen ist, der in mindestens zwei hinsichtlich der Betätigung von Ventilen für die Brennräume des Verbrennungsmotors (V) voneinander unabhängige Teilmotoren (V1-V5) mit jeweils eigener Abtriebswelle (Kurbelwellen K1-K5) aufgeteilt ist, wobei jede der Abtriebswellen (K1-K5) mit einem eigenen elektrischen Generator (G1-G5) verbunden ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Teilmotoren (V1-V5) jeweils eine separate Leistungselektronik (L1-L3) zugeordnet ist.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektroniken (L1-L3) der Generatoren (G1-G3) elektrisch untereinander verbunden sind.
4. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Generatoren (G1-G5) und die Elektromotoren (E1-E4) als Gleichstrommaschinen in Form multipler elektronisch gesteuerter Dauermagnetmaschinen ausgebildet sind.
5. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Antriebsrad (R1-R4) ein eigener Elektromotor (E1-E4) zugeordnet ist.
6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Teilmotoren (V1-V5) vorgesehen sind.
7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilmotor (V1-V3) mindestens zwei Zylinder aufweist.
8. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmotoren (V1-V5) untereinander baugleich ausgeführt sind.
9. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teilmotoren (V1-V3) eine unterschiedliche Leistungsstärke aufweisen, wobei vorzugsweise eine Leistungsabstufung der Teilmotoren (V1-V3) untereinander in der Art vorliegt, daß ein Teilmotor (V1, V2) jeweils etwa die halbe Leistung des nächststärkeren Teilmotors (V2 bzw. V3) aufweist.
10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektroniken (L, L1-L3) elektrisch mit einem elektrisch ladbaren Energiespeicher, insbesondere einem als Elektromotor/Generator ausgebildeten Rotationsenergiespeicher verbunden sind.
11. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektroniken (L1, L2) jeweils den Elektromotoren (E1, E2 bzw. E3, E4) für die Antriebsräder (R1, R2 bzw. R3, R4) jeweils einer Achse des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind.
12. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren (G1-G5) jeweils innerhalb des Kurbelgehäuses des zugeordneten Teilmotors (V1-V5) angeordnet sind.
13. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß während des Fahrbetriebs die elektronische Steuerung je nach Fahrsituation eine solche Kombination von Teilmotoren (V1-V5) in Betrieb setzt oder hält, bei der im Hinblick auf eines oder mehrere der Zielkriterien "geringer Kraftstoffverbrauch", "geringe Schadstoffentstehung" und "geringe Geräuschemission" bei der momentan vom Fahrer angeforderten Leistung des Verbrennungsmotors (V) ein Optimum entsteht.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei untereinander baugleichen Teilmotoren (V1-V5) im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors (V) die vom Fahrer angeforderte Leistung des Verbrennungsmotors (V) mittels der elektronischen Steuerung durch wechselweise Nutzung unterschiedlicher Kombinationen der jeweils betriebenen Teilmotoren (V1-V5) in der Weise bereitgestellt wird, daß alle Teilmotoren (V1-V5) im Hinblick auf ihren Verschleiß im zeitlichen Mittel möglichst gleich stark beansprucht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmotoren (V1-V5) zur Erzielung eines schwingungsarmen Betriebs im Hinblick auf Drehzahl und relative Phasenlage der Kurbelwellen (K1-K5) so aufeinander eingestellt und bei Drehzahländerungen so geregelt werden, daß sich ein Massenkraft- und Gaskraftausgleich im Verbrennungsmotor (V) einstellt.
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