Elektrofahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit elektromotorischem Antrieb.
Elektrofahrzeuge, also Fahrzeuge, insbesondere Straßenfahrzeuge, mit elektromotorischem Antrieb sind allgemein bekannt. Problematisch ist dabei häufig die erzielbare Reichweite eines derartigen Elektrofahrzeugs, da bekannte Speicher für elektrische Energie, in der Regel Batterien, nur eine begrenzte Speicherkapazität besitzen. Bei Fahrzeugen, die ausschließlich elektromotorisch angetrieben sind, kann ein sogenannter Range-Extender zum Einsatz kommen. Hierbei handelt es sich um eine Brennkraftmaschine, die mit einem Kraftstoff betrieben wird und die einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Mit der so gewonnenen elektrischen Energie, kann dann wieder der jeweilige elektromotorische Antrieb des Fahrzeugs bzw. die jeweilige Batterie versorgt werden. Ein derartiges Fahrzeug kann auch als serielles Hybridfahrzeug bezeichnet werden, da über den einen Antrieb, nämlich die Brennkraftmaschine, Energie zur Versorgung des in Reihe nachgeordneten anderen Antriebs, nämlich des jeweiligen Elektromotors, erzeugt wird. Ein solcher Range-Extender kann als Einheit konfiguriert sein und entspricht daher einer Motor-Generator-Einheit.
Eine solche Motor-Generator-Einheit umfasst allgemein einen Kolbenmotor mit interner Verbrennung, also eine Brennkraftmaschine und einen damit antriebsverbundenen Generator zur Stromerzeugung. Eine derartige Motor-Generator- Einheit kann stationär zur Stromerzeugung verwendet werden, beispielsweise auf Baustellen oder im Outdoor-Bereich. Ebenso lässt sich eine derartige Motor- Generator-Einheit mobil einsetzen, nämlich in einem Fahrzeug. Von besonderem Interesse ist dabei wie vorstehend erläutert die Verwendung in einem Elektrofahrzeug, um die Reichweite des Elektrofahrzeugs bedarfsabhängig zu vergrö-
ßern. Ein solches Elektrofahrzeug umfasst zumindest einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs. Die Versorgung mit elektrischer Energie erfolgt dabei grundsätzlich über eine im Fahrzeug mitgeführte Batterie. Für den Fall, dass diese Batterie erschöpft ist, kann mit Hilfe einer derartigen Motor-Generator-Einheit elektrische Leistung erzeugt werden, um die Stromversorgung des jeweiligen Elektromotors zu gewährleisten bzw. um die Batterie des Fahrzeugs wieder aufzuladen. Bei derartigen mobilen Anwendungen wird eine solche Motor- Generator-Einheit wie erwähnt häufig als„Range-Extender" bezeichnet.
Gerade für derartige mobile Anwendungen ist es von hoher Bedeutung, dass sowohl der Kolbenmotor als auch der Generator jeweils ein vergleichsweise geringes Gewicht besitzen, damit im jeweiligen Fahrzeug möglichst wenig zusätzliche Masse mitgeführt werden muss. Ein niedriges Gewicht beim Kolbenmotor und beim Generator geht mit geringen Trägheitsmassen beim Kolbenmotor und beim Generator einher. Das bedeutet, dass beim Kolbenmotor jeder Expansionshub eines Zylinders zu einer signifikanten Beschleunigung einer mit dem Kolben gekoppelten Kurbelwelle führt. Ferner nimmt die Kurbelwellengeschwindigkeit bei den beiden darauffolgenden Hüben des jeweiligen Kolbens, nämlich beim Ausschiebehub und beim darauffolgenden Ansaughub wieder ab. Beim darauffolgenden Kompressionshub wird die Kurbelwelle außerdem signifikant abgebremst. Ist an den Kolbenmotor außerdem eine Last angehängt, insbesondere in Form einer Leistungsanforderung des Generators, wirkt ein vom Generator erzeugtes Generatormoment dem Motormoment entgegen und führt in Kurbelwel- lenwinkelbereichen, in denen kein Expansionshub eines Kolbens vorliegt, zu einem starken Abbremsen der Kurbelwelle. Hierdurch kommt es innerhalb eines Rotationszyklusses der Kurbelwelle, der sich dadurch charakterisiert, dass alle mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben jeden ihrer Arbeitstakte einmal durchlaufen haben, zu einer vergleichsweisen großen Drehzahldifferenz zwischen ei-
ner maximalen Drehgeschwindigkeit und einer minimalen Drehgeschwindigkeit innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses.
Sofern die Kurbelwelle mit mehreren Kolben antriebsverbunden ist, überlagern sich die einzelnen Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge entsprechend der jeweiligen Phasenverschiebung der Kolben bezogen auf einen Kurbelwellenwinkel. Das bedeutet, dass ein derartiger leichter Kolbenmotor erhebliche Vibrationen erzeugt. Ein stark vibrierender oder schwingender Kolbenmotor ist jedoch gerade bei Elektrofahrzeugen bzw. bei Fahrzeugen mit seriellem Hybridantrieb unerwünscht, da ein derartiges Elektrofahrzeug während des normalen Fahrbetriebs, bei dem nur der wenigstens eine Elektromotor den Vortrieb des Fahrzeugs bewirkt, extrem ruhig läuft. Das bedarfsabhängige Zuschalten des Kolbenmotors einer Motor-Generator-Einheit wird daher von den Nutzern solcher Elektrofahr- zeuge aufgrund der plötzlich spürbaren und ggf. hörbaren Schwingungen und Vibrationen sehr häufig als störend empfunden. Die Nutzer sind oftmals irritiert und verunsichert und gehen zu Unrecht von einem Schaden des Fahrzeugs aus.
Um derartige Vibrationen und Schwingungen bei leichten Kolbenmotoren zu reduzieren, ist es grundsätzlich möglich, die Kurbelwelle mit einer Schwungmasse zu koppeln, wodurch insgesamt die Trägheitsmasse des Kolbenmotors beträchtlich erhöht werden kann. Gleichzeitig nimmt dabei das Gewicht der gesamten Motor-Generator-Einheit entsprechend zu. Außerdem erhöhen sich dadurch die Kosten sowie der erforderliche Bauraum.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Fahrzeug der vorstehend beschriebenen Art, das mit einer solchen Motor-Generator-Einheit ausgestattet ist, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich bei einem geringen Gewicht insbesondere durch eine reduzierte Schwingungsneigung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mittels eines dynamisch veränderten bzw. angepassten Generatormoments innerhalb eines Rotationszyk- lusses der Kurbelwelle, bei dem alle Kolben jeweils alle ihre Arbeitstakte einmal durchlaufen, variierenden Motormomenten entgegenzuwirken. Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass ein Beschleunigen der Kurbelwelle und ein Abbremsen der Kurbelwelle mit den über die Kolben in die Kurbelwelle eingeleiteten Motormomenten korrelieren. Erhöhte Motormomente führen zu einer Beschleunigung der Kurbelwelle, während reduzierte Motormomente zu einem Abbremsen der Kurbelwelle führen. Die Generatormomente wirken den Motormomenten entgegen, so dass hohe Generatormomente die Kurbelwelle stark abbremsen, während reduzierte Generatormomente die Kurbelwelle nur wenig abbremsen. Innerhalb eines Rotationszyklusses der Kurbelwelle wird erfindungsgemäß das Generatormoment dynamisch und synchron zum Motormoment variiert, derart, dass höheren Motormomenten entsprechend höhere Generatormomente entgegenwirken, während bei niedrigeren Motormomenten entsprechend niedrigere oder keine Generatormomente entgegenwirken. Dies führt während des Betriebs der Motor-Generator-Einheit dazu, dass die Kurbelwelle bei hohen Motormomenten am Beschleunigen behindert wird, während bei niedrigen Motormomenten die bremsenden Generatormomente reduziert sind, wodurch in diesen Bereichen die Abbremsung der Kurbelwelle nicht oder nur reduziert erfolgt. Auf diese Weise lässt sich ein Drehzahlverlauf der Kurbelwelle innerhalb ihres Rotationszyklusses vergleichmäßigen, wodurch ein Abstand zwischen einer maximalen Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle und einer minimalen Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle innerhalb eines Rotationszyklusses reduziert wer-
den kann. In der Folge nimmt die Neigung des Kolbenmotors zu Schwingungen und Vibrationen signifikant ab.
Dabei ist es insbesondere möglich, innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses während Phasen bzw. während Kurbelwellenwinkeln, in denen ein erhöhtes Motormoment herrscht, diesem ein höheres Generatormoment entgegenzusetzen, wodurch während diesen Phasen bzw. Winkelbereichen der Motor-Generator- Einheit mehr elektrische Leistung entnommen werden kann. Hierdurch lassen sich diejenigen Phasen bzw. Winkelbereiche ausgleichen, während denen bei einem reduzierten Generatormoment weniger elektrische Energie entnommen werden kann. Insbesondere ist es dadurch möglich, der Motor-Generator-Einheit im zeitlichen Mittel gleichviel elektrische Energie zu entziehen wie dies bei einem konstanten Generatormoment auf einem mittleren Niveau der Fall ist, wobei jedoch durch die vorgeschlagene dynamische Ansteuerung des Generators das Vibrations- bzw. Schwingungsverhalten der Motor-Generator-Einheit erheblich verbessert ist. Die Variation des Generatormoments erfolgt dabei synchron zu einem Verlauf des Motormoments. Da diese Veränderung oder Anpassung des Generatormoments innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses erfolgt, liegt ein dynamisches Generatormoment vor. Da diese dynamische Anpassung abhängig vom Verlauf des Motormoments erfolgt, ist das dynamische Generatormoment mit dem Motormoment synchronisiert.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses der Kurbelwelle das Generatormoment erhöht werden, wenn das Motormoment zunimmt, und reduziert werden, wenn das Motormoment abnimmt. Insbesondere werden somit die dem Motormoment entgegenwirkenden Generatormomente synchron erhöht und reduziert, und zwar innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses. Die hier gewählte Formulierung umfasst dabei sowohl ein Umschalten des Generatormoments zwischen nur zwei verschiedenen Wer-
ten als auch ein proportionales Nachführen des Generatormoments entsprechend dem Verlauf des Motormoments. Ebenso sind grundsätzlich beliebige gestufte Adaptionen denkbar.
Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Generator zum Erhöhen des Generatormoments eingeschaltet wird, insbesondere auf einem konstanten Wert, und zum Reduzieren des Generatormoments ausgeschaltet wird. Im ausgeschalteten Zustand erzeugt der Generator sein kleinstes Gegenmoment, das im Wesentlichen nur durch seine Massenträgheit sowie durch Reibungseffekte bestimmt ist. Eine derartige dynamische Generatorsteuerung lässt sich besonders einfach realisieren.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zum Erhöhen des Generatormoments eine vom Generator abgegebene elektrische Leistung erhöht wird, während zum Reduzieren des Generatormoments eine vom Generator abgegebene elektrische Leistung reduziert wird. Beispielsweise lässt sich in einer Fahrzeuganwendung ein Ladestrom, der zum Aufladen einer elektrischen Batterie genutzt wird, vergleichsweise einfach steuern, wodurch die am Generator abgenommene elektrische Leistung steuerbar ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann ein erhöhtes Motormoment während eines Expansionshubs eines Kolbens des Kolbenmotors vorliegen. Sofern der Kolbenmotor mehrere Kolben aufweist, sind diese hinsichtlich ihrer Expansionshübe üblicherweise bezüglich des Kurbelwellenwinkels phasenverschoben mit der Kurbelwelle gekoppelt. Dabei kann der Expansionshub eines jeden Zylinders zu einem erhöhten Motormoment führen. Jeder Expansionshub erstreckt sich üblicherweise über 180° Kurbelwellenwinkel. Sofern die einzelnen Expansionshübe unmittelbar aufeinanderfolgen, kann auch ein größerer Winkelbereich mit erhöhtem Motormoment definiert werden, der bei zwei aufeinander-
folgenden Expansionshüben bei zwei verschiedenen Kolben beispielsweise 360° Kurbelwellenwinkel umfassen kann.
Beispielsweise können innerhalb des jeweiligen in Grad Kurbelwellenwinkel gemessenen Rotationszyklusses ein erster Winkelbereich mit einem im Mittel reduzierten Motormoment und ein zweiter Winkelbereich mit einem im Mittel höheren Motormoment vorliegen, wobei dann das Generatormoment im ersten Winkelbereich reduziert wird und im zweiten Winkelbereich erhöht wird. Insbesondere kann im ersten Winkelbereich der Generator mit einem konstanten reduzierten Motormoment betrieben werden oder sogar ausgeschaltet werden, während er im zweiten Winkelbereich ein konstantes, vergleichsweise hohes Generatormoment aufweist bzw. erzeugt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Generatormoment innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses entsprechend einem Verlauf des Motormoments variiert werden. Das Generatormoment folgt in diesem Fall weitgehend den Schwankungen des Motormoments, wobei auch hier eine mehr oder weniger stark gestufte Nachführung des Generatormoments abhängig vom Motormoment realisierbar ist.
Von besonderem Interesse ist eine Ausführungsform, bei welcher der Kolbenmotor nach dem Vier-Takt-Prinzip arbeitet, so dass der Rotationszyklus seiner Kurbelwelle 720° Kurbelwellenwinkel beträgt.
Sofern entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung nun der Kolbenmotor mit nur zwei Kolben arbeitet, die insbesondere in Reihe angeordnet sind, kann vorgesehen sein, dass die beiden Kolben mit der Kurbelwelle so antriebsverbunden sind, dass die Expansionshübe der beiden Kolben um 180° Kurbelwellenwinkel zueinander phasenverschoben sind. Das bedeutet, dass in einem Winkelbereich
von 0° bis 180° der erste Kolben seinen Expansionshub durchführt, während in einem Winkelbereich von 180° bis 360° der zweite Kolben seinen Expansionshub durchführt. Diese beiden Expansionshübe können nun winkelmäßig zu einem gemeinsamen Winkelbereich zusammengefasst werden, der sich von 0° bis 360° Kurbelwellenwinkel erstreckt und innerhalb dem im Mittel ein höheres Motormoment vorliegt. Dies würde dem vorstehend eingeführten zweiten Winkelbereich entsprechen. In einem vorausgehenden oder nachfolgenden Winkelbereich, der sich entweder von -360° bis 0° Kurbelwellenwinkel oder von 360° bis 720° Kurbelwellenwinkel erstreckt, liegt dann der erste Winkelbereich vor, in dem im Mittel ein deutlich reduziertes Motormoment herrscht. Sofern entsprechend einer besonders einfachen Ausführungsform der Generator nur zwischen einem Einschaltzustand und einem Ausschaltzustand umgeschaltet wird, um das Generatormoment zu variieren, bleibt der Generator während des ersten Winkelbereichs ausgeschaltet, während er während des zweiten Winkelbereichs eingeschaltet ist.
Ferner ist denkbar, den Generator als Elektromotor zu betreiben, um negative Generatorenmomente zu erzeugen, die ein Beschleunigen der Kurbelwelle bewirken. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn negative Motormomente vorliegen, die ein Abbremsen der Kurbelwelle bewirken. Die negativen Generatorenmomente können die negativen Motormomente kompensieren.
Eine erfindungsgemäße Motor-Generator-Einheit, die bevorzugt in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommt, zeichnet sich somit durch einen Kolbenmotor mit interner Verbrennung und einen Generator zur Stromerzeugung aus, der mit dem Kolbenmotor antriebsverbunden ist. Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die so ausgestaltet und programmiert ist, dass sie das vorstehend beschriebene Betriebsverfahren durchführt bzw. dass sie das Generatormoment abhängig vom Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle des Kolbenmotors einstellt.
Hierzu ist die Steuereinrichtung einerseits mit dem Kolbenmotor und andererseits mit dem Generator auf geeignete Weise verbunden. Insbesondere kennt die Steuereinrichtung die aktuelle Drehlage der Kurbelwelle, um abhängig vom jeweiligen Kurbelwellenwinkel das Generatormoment dynamisch, also innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses der Kurbelwelle zu variieren.
Dabei kann die Steuereinrichtung insbesondere so konfiguriert sein, dass sie das vorstehend erläuterte Betriebsverfahren einschließlich der genannten Varianten während des Betriebs der Motor-Generator-Einheit ausführen kann.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher der Kolbenmotor als Vier-Takt-Motor ausgestaltet ist und genau zwei Kolben zum Antreiben der Kurbelwelle aufweist, deren Expansionshübe um 180° Kurbelwellenwinkel zueinander versetzt sind. Der so gebildete Range-Extender baut sehr kompakt und besitzt nur ein relativ geringes Gewicht. Die Steuereinrichtung unterteilt nun den 720° Kurbelwellenwinkel umfassenden Rotationszykluss in zwei gleich große, aufeinanderfolgende Winkelbereiche von jeweils 360° Kurbelwellenwinkel. In einem ersten Winkelbereich, in dem keine Expansionshübe stattfinden, schaltet die Steuereinrichtung den Generator aus. Im unmittelbar darauf folgenden zweiten Winkelbereich, in dem beide Kolben ihre Expansionshübe durchführen, schaltet die Steuereinrichtung den Generator an, um ein dem erhöhten Motormoment ausgleichend entgegenwirkendes Generatormoment zu erzeugen. Hierdurch lässt sich mit sehr einfachen Maßnahmen die Schwingungsneigung des Kolbenmotors signifikant reduzieren.
Ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ist mit wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs und mit einer Motor- Generator-Einheit der vorstehenden Art ausgestattet, um den jeweiligen Elektromotor mit Strom versorgen zu können. Insbesondere umfasst ein derartiges
Elektrofahrzeug zumindest eine wiederaufladbare Batterie zum Speichern elektrischer Energie, wobei mit Hilfe der Motor-Generator-Einheit diese Batterie und/oder der jeweilige Elektromotor mit Strom versorgt werden kann/können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines
Fahrzeugs,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem ein Motormoment für zwei Zylinder über einem Kurbelwellenwinkel aufgetragen ist,
Fig. 3 ein Diagramm, in dem das Motormoment für einen Motor über dem
Kurbelwellenwinkel aufgetragen ist,
Fig. 4 ein Diagramm, in dem eine Motordrehzahl über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen ist, und zwar zum einen für ein konstantes Generatormoment und zum anderen für ein dynamisches Generatormoment,
Fig. 5 ein Diagramm, in dem ein relatives Generatormoment über dem
Kurbelwellenwinkel aufgetragen ist, und zwar zum einen für ein konstantes Generatormoment und zum anderen für ein dynamisches Generatormoment,
Fig. 6 ein Diagramm, in dem ein Zylindermitteldruck über der Motordrehzahl für eine Vielzahl unterschiedlicher Motormomente aufgetragen ist.
Entsprechend Figur 1 umfasst ein Elektrofahrzeug 1 zumindest einen Elektromotor 2 zum Antreiben des Fahrzeugs. Ferner ist das Fahrzeug 1 mit einer Motor- Generator-Einheit 3 ausgestattet, die zur Stromversorgung des Elektromotors 2 dient. Die Motor-Generator-Einheit 3 umfasst einen Kolbenmotor 4 mit interner Verbrennung und einen Generator 5 zur Stromerzeugung, der mit dem Kolbenmotor 4 antriebsverbunden ist. Das Fahrzeug 1 ist außerdem mit wenigstens einer Batterie 6 ausgestattet. Der Elektromotor 2, die Batterie 6 und der Generator 5 sind auf geeignete Weise so miteinander verschaltet, dass die Stromversorgung des jeweiligen Elektromotors 2 über die Batterie 6 oder über den Generator 5 erfolgen kann und dass die Batterie 6 mit Hilfe des Generators 5 aufgeladen werden kann. Das Fahrzeug besitzt somit einen seriellen Hybridantrieb.
Das Fahrzeug 1 ist außerdem mit einem Kraftstofftank 7 zur Versorgung des Kolbenmotors 4 mit Kraftstoff ausgestattet. Der Kolbenmotor 4 dient nicht zum Antreiben des Fahrzeugs 1 , sondern nur zum Antreiben des Generators 5, so dass
die Antnebsleistung des Kolbenmotors 4 mit Hilfe des Generators 5 in elektrische Leistung transformiert werden kann, die dann zur Stromversorgung des Elektromotors 2 genutzt werden kann.
Die Motor-Generator-Einheit 3 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 8, die einerseits mit dem Kolbenmotor 4 und andererseits mit dem Generator 5 kommuniziert. Des Weiteren kommuniziert die Steuereinrichtung 8 mit einer Fahrzeugsteuereinrichtung 9, die ihrerseits auf geeignete Weise mit der Batterie 6 und mit dem jeweiligen Elektromotor 2 gekoppelt ist. Es ist klar, dass die Steuereinrichtungen 8, 9 außerdem mit weiteren Sensoren, Bedienelementen und dergleichen verbunden sein können.
Der Kolbenmotor 4 umfasst in üblicher weise eine Kurbelwelle 10, die mit wenigstens einem Kolben 1 1 des Kolbenmotors 4 antriebsverbunden ist, üblicherweise über je eine Pleuelstange 12. Der jeweilige Kolben 1 1 ist innerhalb des Kolbenmotors 4 in einem Zylinder 13 hubverstellbar angeordnet. Beim hier vorgestellten Kolbenmotor 4 handelt es sich bevorzugt um einen Zwei-Zylinder- Reihenmotor, der nach dem Vier-Takt-Prinzip arbeitet. Somit führt jeder Kolben 1 1 während zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle 10 aufeinanderfolgend jeweils einen Expansionshub oder -takt, einen Ausschiebehub oder -takt, einen Ansaughub oder -takt und einen Kompressionshub oder -takt durch. Jeder einzelne Hub oder Takt umfasst 180° Kurbelwellenwinkel. Um bei jedem Zylinder 13 bzw. bei jedem Kolben 1 1 alle vier Takte durchfahren zu können, muss die Kurbelwelle 10 einen Rotationszyklus durchlaufen, der folglich 720° Kurbelwellenwinkel umfasst.
Die Steuereinrichtung 8 der Motor-Generator-Einheit 3 ist so ausgestaltet bzw. programmiert, dass sie ein am Generator 5 wirksames Generatormoment abhängig vom Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 10 des Kolbenmotors 4 einstellen
kann, also innerhalb des Rotationszyklusses dynamisch verändern bzw. variieren kann. Die Steuereinrichtung 8 kann hierzu insbesondere das nachfolgend beschriebene Betriebsverfahren einschließlich der erwähnten Varianten durchführen. Dieses Betriebsverfahren wird dabei anhand eines Kolbenmotors 4 beschrieben, der genau zwei Zylinder in Reihenanordnung aufweist und nach dem Vier-Takt-Prinzip arbeitet. Es ist klar, dass dieses Betriebsverfahren grundsätzlich auch für eine andere Anzahl an Zylindern und/oder für eine andere Anordnung der Zylinder und/oder auch für das Zwei-Takt-Prinzip anwendbar ist.
Im Diagramm der Figur 2 findet sich mit durchgezogener Linie ein erster Verlauf 14 eines Motormoments, das in einem ersten Zylinder 13 mit Hilfe eines ersten Kolbens 1 1 auf die Kurbelwelle 10 übertragen wird. Ein entsprechender zweiter Verlauf 15 eines zweiten Zylinders 13 bzw. eines zweiten Kolbens 1 1 ist mit unterbrochener Line dargestellt. Das Diagramm der Figur 2 erstreckt sich in der Abszisse über 720° Kurbelwellenwinkel, also über einen einzigen Rotationszyklus der Kurbelwelle 10. Die vier Takte des jeweiligen Zylinders 13 sind dabei in vier Hubbewegungen des zugehörigen Kolbens 1 1 unterteilt, die sich jeweils über etwa 180° Kurbelwellenwinkel erstrecken. Erkennbar zeigt der erste Verlauf 14 in einem Winkelbereich von 0° bis 180° den Expansionshub mit einer maximalen Momentübertragung auf die Kurbelwelle 10. Daran schließt sich in einem Winkelbereich von 180° bis 360° ein Ausschiebehub an, in dem der zugehörige Kolben 1 1 die bei der Verbrennung entstandenen Verbrennungsabgase aus dem zugehörigen Zylinder 13 ausschiebt. Hierzu benötigt der jeweilige Kolben 1 1 Kraft, die er der Kurbelwelle 10 in Form eines Negativmoments entnimmt. Daran schließt sich in einem Winkelbereich von -360° bis -180° ein Saughub an, der in Figur 2 ein leicht positives Moment erzeugt. Anschließend erfolgt von -180° bis 0° ein Kompressionshub, in dem die angesaugte Frischluft verdichtet wird und der sich durch eine vergleichsweise hohe Momentaufnahme, also ein Negativmoment,
auszeichnet. Der zweite Verlauf 15 korreliert zum ersten Verlauf 14, ist diesbezüglich jedoch um 180° phasenverschoben.
Im Diagramm der Figur 3 sind die beiden Verläufe 14, 15 der Fig. 2 zu einem Gesamtverlauf 16 zusammengefasst, der den Verlauf des vom Kolbenmotor 4 auf die Kurbelwelle 10 aufgebrachten Motormoments repräsentiert. Erkennbar erfolgt in einem Winkelbereich von -360° bis etwa -90° im Wesentlichen kein Momenteneintrag in die Kurbelwelle 10. Starke, beschleunigend wirkende positive Momente liegen in Winkelbereichen von 0° bis 90° und von 180° bis 360° vor. Relativ hohe negative, abbremsend wirkende Momente liegen dagegen in den Bereich von etwa -90° bis 0° und 90° bis 180° vor.
Im Diagramm der Figur 4 ist nun mit durchgezogener Linie ein Verlauf 17 einer Motordrehzahl abhängig vom Kurbelwellenwinkel über einen gesamten Rotationszyklus dargestellt. Die Motordrehzahl entspricht dabei der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 10. Erkennbar schwankt die Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle 10 innerhalb eines einzigen Rotationszyklusses. Dies ist darauf zurückzuführen, dass positive Motormomente eine Beschleunigung der Kurbelwelle 10 bewirken, während negative Motormomente ein Abbremsen der Kurbelwelle 10 bewirken. Ist die Kurbelwelle 10 außerdem mit dem Generator 5 antriebsverbunden, kann außerdem ein dem Motormoment entgegenwirkendes Generatormoment ein Abbremsen der Kurbelwelle 10 bewirken. Im Diagramm der Figur 4 sind außerdem Generatormomente vorhanden. Für den mit durchgezogener Linie dargestellten Verlauf 17 wird dabei ein konstantes Generatormoment angenommen, wie es bei einer herkömmlichen Betriebsweise einer derartigen Motor- Generator-Einheit 3 der Fall ist. In der Folge kommt es im Winkelbereich von -360° bis -90° zu einem Abbremsen der Kurbelwelle 10 aufgrund des konstanten Generatormoments, obwohl gemäß Figur 3 in diesem Winkelbereich kein Motormoment vorliegt. Im Winkelbereich von -90° bis 0° kommt es zu einem starken
Abbremsen der Kurbelwelle 10 aufgrund des negativen Motormoments gemäß dem Verlauf 16 der Figur 3. Anschließend kommt es im Winkelbereich von 0° bis 90° wieder zu einer starken Beschleunigung der Kurbelwelle 10, was auf das hohe positive Motormoment des Verlaufs 16 in Figur 3 zurückzuführen ist. Anschließend bricht der Verlauf 17 der Figur 4 im Winkelbereich von 90° bis 180° wieder kurzzeitig ein, das heißt die Drehzahl der Kurbelwelle 10 nimmt wieder etwas ab, was auf da negative Motormoment des Verlaufs 16 gemäß Figur 3 zurückzuführen ist. Anschließend steigt in Figur 4 die Drehzahl gemäß dem Verlauf 17 im Winkelbereich von 180° bis 360° wieder stark an, was auf das positive Motormoment gemäß dem Verlauf 16 aus Figur 3 zurückzuführen ist. Dieser herkömmliche Verlauf 17, der bei einem konstanten Generatormoment entsteht, besitzt bei 18 ein Minimum mit minimaler Drehzahl der Kurbelwelle 10 und bei 19 ein Maximum bei maximaler Drehzahl der Kurbelwelle 10. Eine Differenz zwischen Minimum 18 und Maximum 19 ist in Figur 4 mit 20 bezeichnet. Diese Differenz 20 ist vergleichsweise groß. Diese Differenz 20 tritt innerhalb jedes Rotati- onszyklusses auf, wodurch die Kurbelwelle 10 vergleichsweise unruhig läuft, so dass der Kolbenmotor 4 eine vergleichsweise hohe Tendenz zu Schwingungen und Vibrationen zeigt. Diese Drehzahldifferenz 20 ist umso höher, je niedriger die Drehzahl des Kolbenmotors 4 ist und je höher das an der Kurbelwelle 10 angreifende Generatormoment ist. Ferner vergrößert sich diese Drehzahldifferenz mit abnehmender Trägheitsmasse des Kolbenmotors 4 bzw. der gesamten Motor- Generator-Einheit 3.
In Figur 5 ist mit durchgezogener Linie ein Verlauf 21 eines herkömmlichen konstanten Generatormoments eingetragen, das im Folgenden ebenfalls mit 21 bezeichnet wird, wobei die Ordinate ein relatives Generatormoment repräsentiert, das also auf ein mittleres Motormoment bezogen ist. Das konstante Generatormoment 21 bzw. der konstante Verlauf 21 besitzt somit einen Wert nahe bei 1 , jedoch unterhalb von 1 . Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschla-
gen, das Generatormonnent innerhalb eine Rotationszyklusses nicht konstant zu halten, sondern innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses synchron, also abgestimmt auf den Verlauf 16 des Motormoments zu variieren. In Figur 5 ist dabei eine besonders einfache Ausführungsform dargestellt, bei welcher in einem ersten Winkelbereich von -360° bis 0° der Generator 5 ausgeschaltet ist und dementsprechend im Wesentlichen kein Generatormoment erzeugt, während er in einem Winkelbereich von 0° bis 360° eingeschaltet ist und dabei ein vergleichsweise großes Generatormoment erzeugt, dessen Wert sich in der Nähe von 2, jedoch unterhalb von 2 befindet. Dieser dynamische Verlauf des Generatormoments ist im Diagramm der Figur 5 mit unterbrochener Linie dargestellt und mit 22 bezeichnet, wobei im Folgenden auch das dynamische Generatorenmoment selbst mit 22 bezeichnet wird.
Zurückkommend auf Figur 4 wird dieses dynamische Generatormoment 22 im Betrieb der Motor-Generator-Einheit 3 angewandt. Der daraus resultierende Verlauf für die Drehzahl der Kurbelwelle 10 ist im Diagramm der Figur 4 mit unterbrochener Linie dargestellt und mit 23 bezeichnet. Erkennbar nimmt die Drehzahl im Winkelbereich von -360° bis 90° wieder ab, jedoch längst nicht so stark wie beim Verlauf 17 mit konstantem Generatormoment 22 gemäß dem konstanten Verlauf 22 in Figur 5. Dies ist darauf zurückzuführen, dass gemäß dem dynamischen Verlauf 22 in Figur 5 während diesem Winkelbereich kein Generatormoment vorliegt, das abbremsend auf die Kurbelwelle 10 einwirken könnte. Dass die Motordrehzahl bzw. die Drehzahl der Kurbelwelle 10 dennoch abnimmt, ist weitgehend auf Reibungseffekte zurückzuführen. Im Winkelbereich von -90° bis 0° nimmt die Motordrehzahl stärker ab, jedoch längst nicht so stark wie im Falle eines konstanten Generatormoments 21 . Dies liegt daran, dass hier nur das negative Motormoment gemäß dem Verlauf 16 aus Figur 3 wirksam ist, während gemäß dem dynamischen Verlauf 22 in Figur 5 nach wie vor kein Generatormoment anliegt. Im Winkelbereich von 0° bis 90° steigt die Motordrehzahl an, was auf das
hohe positive Motormonnent gemäß dem Verlauf 16 in Figur 3 zurückzuführen ist. Der Drehzahlanstieg ist jedoch nicht so stark wie im Verlauf 17 mit konstantem Generatormoment 21 . Dies ist darauf zurückzuführen, dass gemäß dem dynamischen Verlauf 22 in Figur 5 das dynamische Generatormoment 22 etwa doppelt so groß gewählt ist wie das konstante Generatormoment 21 entsprechend dem Verlauf 21 in Figur 5. Anschließend folgt im Verlauf 23 der Motordrehzahl im Winkelbereich von 90° bis 180° wieder eine Abbremsung aufgrund des negativen Motormoments im Verlauf 16 der Figur 3. Diese Abbremsung ist im Verlauf 23 mit dem dynamischen Generatormoment 22 dabei stärker ausgeprägt als im Verlauf 17 mit konstantem Generatormoment 21 . Dies liegt daran, dass hier das abbremsende Generatormoment deutlich größer ist, nämlich etwa doppelt so groß ist wie das konstante Generatormoment 21 . Im Winkelbereich von 180° bis 360° nimmt die Motordrehzahl wieder zu, was durch das positive Motormoment im Verlauf 16 gemäß Figur 3 zurückzuführen ist. Auch hier fällt der Drehzahlanstieg im Verlauf 23 mit dynamischem Generatormoment 22 schwächer aus als im Verlauf 17 mit konstantem Generatormoment 21 , was auf das etwa doppelt so hohe negative bzw. abbremsende Generatormoment gemäß dem Verlauf 22 zurückzuführen ist.
Wie sich Figur 4 entnehmen lässt, besitzt somit auch der Verlauf 23 der Drehzahl mit dynamischem Generatormoment 22 bei 24 ein Minimum mit minimaler Motordrehzahl und bei 25 ein Maximum mit maximaler Motordrehzahl. Hierdurch ergibt sich wieder eine Drehzahldifferenz 26 für den Verlauf 23 mit dynamischem Generatormoment 22, die signifikant kleiner ist als die Drehzahldifferenz 20 des Verlaufs 17 mit konstantem Generatormoment 21 . In der Folge ist die Tendenz zu Schwingungen und Vibrationen des Kolbenmotors 4 bzw. der gesamten Motor- Generator-Einheit 3 signifikant reduziert. Da außerdem gemäß der hier betrachteten Ausführungsform das dynamische Generatormoment 22 über die Hälfte des Rotationszyklusses doppelt so groß ist wie das sich konstant über den gesamten
Rotationszyklus erstreckende konstante Generatormoment 21 , ist die Leistungsausbeute in beiden Fällen etwa gleich groß.
In Figur 6 ist rein exemplarisch der Zylindermitteldruck über verschiedene Motordrehzahlen aufgetragen, wobei eine Vielzahl von unterschiedlichen Verläufen wiedergegeben sind, die sich bei unterschiedlichen Motorlasten, also bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen am Generator 5 einstellen. Die durchgezogenen Linien entsprechen dabei wieder Verläufen, die sich bei konstantem Generatormoment 21 einstellen. Mit unterbrochener Linie sind dagegen Verläufe eingetragen, die sich bei dynamischem Generatormoment 22 einstellen. Die einzelnen Verläufe sind dabei durch Zahlenwerte charakterisiert, die unterschiedliche Lastfälle repräsentieren sollen. Insgesamt kann dem Diagramm entnommen werden, dass sich die vorstehend beschriebene Beruhigung des Drehzahlverlaufs der Kurbelwelle 10 innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses im Wesentlichen im gesamten Kennfeld des Kolbenmotors 4 realisieren lässt, also bei unterschiedlichen Drehzahlen und bei unterschiedlichen Lastfällen. Im Diagramm der Figur 6 ist außerdem mit punktierter Linie ein Verlauf 27 eingetragen, der den maximal einstellbaren Zylindermitteldruck in Abhängigkeit der Motordrehzahl repräsentiert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann somit innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses das Generatormoment 5 erhöht werden, wenn das Motormoment zunimmt, und reduziert werden, wenn das Motormoment abnimmt. Beim hier vorgestellten, besonders einfach realisierbaren Ausführungsbeispiel wird zum Erhöhen des Generatormoments der Generator 5 eingeschaltet, während zum Reduzieren des Generatormoments der Generator 5 ausgeschaltet wird. Es ist klar, dass insbesondere bei kleineren Drehzahlen der Kurbelwelle 10 auch eine bessere dynamische Anpassung des Generatormoments an den Verlauf des Motormoments realisierbar ist. Insbesondere ist denkbar, dass mehrere von Null
verschiedene, unterschiedliche Generatormomente erzeugt werden können, um dem Verlauf 16 des Motormoments insgesamt besser folgen zu können.
Zum Erhöhen des Generatormoments kann beispielsweise eine vom Generator 5 abgegebene elektrische Leistung erhöht werden. Zum Reduzieren des Generatormoments kann dagegen eine vom Generator 5 abgegebene elektrische Leistung reduziert werden.
Wie sich dem Zusammenhang der Figuren 2 und 3 entnehmen lässt, liegt ein erhöhtes Motormoment vor allem dann vor, wenn einer der Kolben 1 1 einen Expansionshub durchführt.
Beim hier gezeigten Beispiel liegt innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses ein erster Winkelbereich vor, der sich hier von -360° bis 0° Kurbelwellenwinkel erstreckt und in dem ein im Mittel reduziertes Motormoment vorliegt. Ein zweiter Winkelbereich erstreckt sich dann von 0° bis 360° Kurbelwellenwinkel. In diesem zweiten Winkelbereich liegt dagegen ein höheres Motormoment vor. Gemäß Figur 5 wird das Generatormoment im ersten Winkelbereich reduziert, insbesondere durch Ausschalten des Generators 5, während das Generatormoment im zweiten Winkelbereich erhöht wird, nämlich insbesondere durch Einschalten des Generators 5 und Beaufschlagen des Generators 5 mit einem konstanten Strombedarf, wodurch sich am Generator 5 ein konstantes Generatormoment ergibt.
Zweckmäßig kann jedoch auch vorgesehen sein, das Generatormoment innerhalb des jeweiligen Rotationszyklusses entsprechend dem Verlauf 16 des Motormoments zu variieren. Im Fall der beiden Maxima im Verlauf 16 des Motormoments gemäß dem Diagramm der Figur 3 ist denkbar, diesen beiden Maxima jeweils ein separates Generatormoment zuzuordnen.
Insbesondere ist auch denkbar, positiven Abschnitten im Verlauf 16 des Motormoments ein vergleichsweise hohes Generatormoment zuzuordnen. Bei Motormomenten, die im Verlauf 16 im Bereich Null liegen, kann das Generatormoment ebenfalls auf Null gesetzt werden. In Bereichen des Verlaufs 16, in denen das Motormoment negativ wird, kann das Generatormoment ebenfalls auf Null gesetzt werden. Ebenso ist gemäß einer speziellen Ausführungsform denkbar, in diesen Bereichen mit negativem Motormoment auch negative Generatormomente zu erzeugen, indem der Generator 5 vorübergehend als Elektromotor betrieben wird, dessen Antriebsmoment die Kurbelwelle 10 antreibt, also beschleunigt. Durch diese Maßnahme können die Drehzahlabfälle während der Kompressionshübe der einzelnen Zylinder 13 bzw. Kolben 1 1 nochmals reduziert werden. Die hierzu benötigte elektrische Energie kann durch ein erhöhtes Generatormoment in den Phasen besonders hoher Motormomente, also durch eine erhöhte Leistungsausbeute in diesen Phasen kompensiert werden.