WO2010145628A1 - Kraftfahrzeug mit einer brennkraftmaschine sowie einem elektromotor - Google Patents

Kraftfahrzeug mit einer brennkraftmaschine sowie einem elektromotor Download PDF

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WO2010145628A1
WO2010145628A1 PCT/DE2010/000410 DE2010000410W WO2010145628A1 WO 2010145628 A1 WO2010145628 A1 WO 2010145628A1 DE 2010000410 W DE2010000410 W DE 2010000410W WO 2010145628 A1 WO2010145628 A1 WO 2010145628A1
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combustion engine
motor vehicle
exhaust gas
cylinder
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Peter Kuhn
Frank Obrist
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Obrist Engineering Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a motor vehicle with an internal combustion engine and at least one electromechanical energy converter, which are used in cooperation for propulsion of the motor vehicle, wherein the internal combustion engine is used during operation of the motor vehicle for the vast majority of time in a particularly efficient operating range or is turned off.
  • hybrid vehicles various systems for motor vehicles with drive systems are presented on the market, in which at least one internal combustion engine and at least one electric motor are used to drive the respective motor vehicle (so-called hybrid vehicles).
  • a hybrid system with serial arrangement of internal combustion engine and electric motor (s) is provided. Its advantage lies in the about 25% more efficient implementation of an internal combustion engine supplied amount of energy of a liquid fuel - compared with an individual operation of the internal combustion engine after the Otto process.
  • an internal combustion engine according to Patent No. DE 879183 or as well as an internal combustion engine according to the patent DE 60116942T2 are known as state of the art.
  • a so-called 5-stroke combustion method is described in which fuel can be converted into drive power with higher efficiency in each case.
  • These as traction motors operated 5-stroke engines have several disadvantages. Used as a traction motor, the stroke volume increases due to the specific design of 2-liter to 4-liter engines (with approx. 20% increased power). This leads to an unacceptable enlargement of the engine and is considered as a reason that this could not enforce technically yet more efficient but disadvantageous machine design. Furthermore, the dynamic operation of such a motor is not adequately represented. An idea to make the engine more powerful by turbocharging was published in the patent DE 60116942 T2.
  • the object of the invention is to provide a drive unit for a motor vehicle which, with good practicality, has a particularly high overall efficiency. It is another object of the invention to provide a motor vehicle available that will meet future environmental and consumption requirements in a cost effective manner.
  • a drive unit according to the invention for a motor vehicle comprises an internal combustion engine having at least two combustion chambers, in particular combustion cylinders in which each with a time interval (ignition angle) a fuel-air mixture (starting mixture) is chemically exothermically reacted such that an exhaust gas mixture with respect to the starting mixture increased latent heat and with increased pressure is generated, wherein the exhaust gas mixture on the pistons movably mounted in the combustion pistons exerts a compressive force such that with the aid of the piston, an output shaft (crankshaft) is set in rotation, wherein the combustion chambers another working space in the form of an expansion - Cylinder is assigned, in the expelled from the combustion chambers exhaust gas mixture - with the release of mechanical power to the output shaft (crankshaft) - relaxed and subsequently in a Exhaust gas outlet is transferred, wherein a first electromechanical energy converter is mechanically coupled to the output shaft of the internal combustion engine and exchanges electrical energy with an
  • combustion chambers of the internal combustion engine have a compression ratio of less than 9: 1, in particular less than 8: 1.
  • the internal combustion engine is operated in a predominant operating state approximately stationary in a speed range between 1000 U / min and 5000 U / min or it is shut down.
  • a fluctuation range of +/- 250 rpm can be provided by a preferred value of, for example, 2000 rpm.
  • the operating state of the internal combustion engine is largely stationarily placed in that region of the torque-speed level in which the lowest specific fuel consumption of the internal combustion engine is located.
  • the region of highest efficiency of the first electromechanical energy converter is selected in just the same torque / rpm range.
  • the internal combustion engine has at least two operated according to a four-stroke combustion chambers and an acting on the same output shaft expansion cylinder in which expelled from the combustion chambers exhaust gas mixture is relaxed, wherein the first electromechanical energy converter is mechanically coupled to the output shaft of the internal combustion engine and is operated mainly as a generator for charging a storage unit for electrical energy, wherein the further electromechanical energy converter is provided as a drive and brake unit for at least one wheel shaft of the motor vehicle, the internal combustion engine in operation with a less than 500 rev / min fluctuating speed (quasi stationary), in particular in a speed range between 1000 U / min and 5000 U / min is operated or shut down.
  • the first electromechanical energy converter is preferably used for setting the load and / or the torque of the internal combustion engine and for starting the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is assigned an exhaust gas turbocharger, in which the exhaust gas mixture discharged from the expansion cylinder is further expanded in an exhaust gas turbocharger, the air to be supplied to the combustion chambers being precompressed with the aid of the exhaust gas turbocharger.
  • the overall efficiency of the drive can be further increased and exhaust gas energy can be exploited to the greatest possible extent.
  • at least one exhaust gas recirculation device is preferably provided for at least part of the exhaust gas, which is expanded in the exhaust gas turbocharger.
  • the internal combustion engine comprises two four-stroke cylinders operating in uniform firing intervals of 360 ° and an additional, larger expansion cylinder for a subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinders, wherein the expansion cylinder alternately relaxes combustion gases received alternately from the two four-stroke cylinders in a two-stroke process , wherein the transfer of gases from the Four-cycle cylinders through openings in a cylindrical wall of the expansion cylinder, in particular with an oriented approximately perpendicular to the cylinder axis flow direction.
  • the four-stroke cylinder according to the invention preferably have the same lifting height and the same displacement.
  • the expansion cylinder preferably has an increased by at least 25% stroke volume, which is set via an appropriate choice of the cylinder diameter and the lifting height, wherein the lifting height of the expansion cylinder relative to the lifting height of the four-stroke cylinder is increased. More preferably, a series arrangement of the three cylinders described is provided such that the cylinder center axes all come to lie in a common plane. More preferably, the expansion cylinder projects beyond the two four-stroke cylinders in the region of the cylinder head, ie the upper reversing position of the piston in the expansion cylinder has a greater distance from the axis of rotation of the crankshaft than the uppermost positions of the pistons of the four-stroke cylinder.
  • an overflow channel between the expansion cylinder and adjacent four-stroke cylinder can be provided which extends between an outlet opening on the substantially round end face of the four-stroke cylinder and a slot-shaped opening in the cylindrical wall of the expansion cylinder.
  • Such an overflow channel may preferably have a flow deflection of 90 ° or less.
  • a nearly adiabatic expansion of the exhaust gas and / or afterburning can thus be realized.
  • the internal combustion engine is assigned a thermally effective insulation such that an internal temperature of the internal combustion engine of more than 100 0 C at standard ambient conditions, especially at an outside temperature of 20 0 C, drops by less than 3 K per minute.
  • the fuel according to the invention, the combustion engine has an insulating encapsulation whose constituents can have different thermal insulation properties, but whose overall behavior causes the (stopped) internal combustion engine to cool down by less than 3 K / min.
  • the exhaust gas outlet of the expansion cylinder blocking exhaust outlet valve is wholly or partly made of a ceramic material.
  • the exhaust valve of the expansion cylinder thus has a low heat storage capacity and contributes significantly to the thermal insulation of the expansion cylinder.
  • the outlet-lift valve blocking the exhaust gas outlet of the expansion cylinder has a main axis which is aligned parallel to the main axis of the expansion cylinder, preferably arranged coincident thereto.
  • the internal combustion engine has a first cylinder group with two operating in uniform firing interval four-stroke cylinders and an additional expansion cylinder for subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinder, wherein the expansion cylinder alternately relaxes from the two four-stroke cylinders absorbed combustion gases, and wherein the internal combustion engine at least one second cylinder group, which is configured substantially equal to the first cylinder group and arranged inclined in V-shape, star shape or boxer shape with an angle greater than 0 ° to the first cylinder group, wherein the first and the second cylinder group, a common output shaft (crankshaft ).
  • the crankshaft is coupled to one or two electromechanical energy converters which supply electrical energy to a respective one connected to the electromechanical energy converter Dispense battery.
  • Such designed engine find especially in boat and aircraft engines use.
  • second-order mass forces are compensated by compensating masses moved at twice the crankshaft speed.
  • the different lever and mass ratios in the combustion cylinders on the one hand and the expansion cylinder on the other hand can be compensated according to the invention by means of a balance shaft in an advantageous manner.
  • a motor vehicle having the features of claim 13.
  • a motor vehicle according to the invention comprises a drive unit together with an internal combustion engine with at least two combustion chambers, in particular combustion cylinders, in each of which with a time interval (ignition angle) a fuel-air mixture (Starting mixture) is chemically exothermically reacted such that an exhaust gas mixture with respect to the starting mixture increased latent heat and increased pressure is generated.
  • the exhaust gas mixture exerts a compressive force on pistons movably mounted in the combustion chambers in such a way that an output shaft (crankshaft) is set in rotation by means of the pistons, wherein the combustion chambers are assigned a further working space in the form of an expansion cylinder in which the combustion chambers expelled exhaust gas mixture is released while releasing mechanical power to the output shaft (crankshaft) and subsequently transferred to an exhaust gas outlet.
  • the drive unit has a first electromechanical energy converter, which is mechanically coupled to the output shaft of the internal combustion engine and exchanges electrical energy with a storage unit for electrical energy, and another electromechanical energy converter, which is mechanically coupled to at least one wheel shaft of the motor vehicle and also electrical energy exchanged with the storage unit for electric power.
  • demand is determined essentially on the basis of the state of charge of the storage unit for electrical energy (accumulator, "battery”.) Peak loads can be handled by electric motor as well as start-up processes without making any changes to the operating state of the internal combustion engine or even switching them on Balancing reservoir for energy between the continuous power level of the stationary particularly efficient operable internal combustion engine and the short-term discontinuous power requirements in the operation of modern motor vehicles.
  • the drive unit in particular the internal combustion engine, a thermally effective insulation assigned such that an internal temperature of the internal combustion engine of more than 100 0 C at standard ambient conditions (in particular 20 0 C air temperature) and at a constitutionalwindanströmung with a flow speed of 80 km / h, even when the internal combustion engine is stopped or stopped, drops by less than 3 K per minute.
  • the internal combustion engine has a first cylinder group with two four-stroke cylinders and an additional expansion cylinder for subsequent expansion of the exhaust gas mixture of the four-stroke cylinder, wherein the expansion cylinder alternately from the two four-stroke cylinders absorbed combustion gases, and wherein the cylinder group has a common exhaust outlet and a subsequent common, thermally insulated exhaust pipe, whose radial thermal conductivity ⁇ is designed lower than 50 W / (m * K).
  • the catalytic converter is assigned a catalytic converter in the region of an exhaust gas line, exhaust gas being taken from the exhaust gas pipeline downstream of the catalytic converter and directed via targeted exhaust gas recirculation to a heat exchanger via which heat is transferred from the exhaust gas to the cooling water wherein the cooled exhaust gas is then supplied either to the intake side of the internal combustion engine or to the exhaust pipe again.
  • exhaust gas the internal combustion engine fed after exiting the expansion cylinder an exhaust gas turbocharger.
  • an exhaust gas purifying catalyst and a pipe branching element are installed in the exhaust gas line, wherein by means of the pipe branching element at least a part of the exhaust gas can be supplied to said heat exchanger and optionally subsequently to the internal combustion engine.
  • the drive unit is designed as a serial hybrid system such that the Auslege ancient is less than or equal to the associated power value according to the driving - resistance of the motor vehicle in the plane, at 145 at a defined reference speed, in particular at 125 km / h km / h or 160 km / h in the plane is reached.
  • a reference speed in particular a continuous travel speed is assumed in the plane, which may otherwise be chosen differently from country to country and / or standard or sport PKW.
  • the vehicle preferably has a power requirement at a constant speed with reference speed in the plane, which is selected as the output power of the internal combustion engine and as the output power of the entire hybrid system. Higher power requirements than the Auslege ancient - for example, when driving uphill and / or higher vehicle speed - according to the invention essentially covered by short-term power extraction from the electrochemical energy storage (accumulator, battery).
  • 1 is a schematic diagram of a first motor vehicle according to the invention with an internal combustion engine ("5-stroke engine”) in a serial hybrid arrangement
  • 2 shows a schematic diagram of a second motor vehicle according to the invention with an internal combustion engine (“5-stroke engine”) in a serial hybrid arrangement
  • 3 is a longitudinal section of a third engine according to the invention with three cylinders
  • FIG. 3a shows a cylinder head for a fourth internal combustion engine according to the invention in a longitudinal section, a cross section and a view from below,
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of a detail of the internal combustion engine according to FIG. 3, FIG.
  • FIG. 5b is a temperature-time diagram showing a temperature profile of an internal combustion engine according to the invention when the internal combustion engine is initially stopped;
  • Fig. 5c is a schematic diagram of the state of charge of the battery [in percent of the nominal state of charge] in a motor vehicle according to the invention when driving through a NEDC driving cycle and
  • Fig. 6 is a schematic diagram of a driving resistance curve of a motor vehicle according to the invention.
  • a motor vehicle according to the invention in the form of a passenger car 1 is equipped with a drive unit 2 according to the invention, which is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 5.
  • the motor vehicle can be used as vehicle be designed for the transport of goods as well as a motorcycle, bus, construction vehicle or the like. Alternatively, the motor vehicle can also be operated track-bound on rails. In any case, it has a driven wheel shaft 4 rotated by the drive unit and at least one driven wheel 5.
  • the drive unit 2 essentially comprises an internal combustion engine 2.1, which is referred to elsewhere as a "5-stroke engine.”
  • the internal combustion engine 2.1 in turn has at least two combustion chambers V, in particular combustion cylinders 2.2, in each case with a time interval Fuel-air mixture (starting mixture) is converted chemically exothermically such that an exhaust gas mixture with respect to the starting mixed increased latent heat and increased pressure is generated, the exhaust gas mixture in the combustion chambers V movably mounted piston Z a compressive force exerts such that by means of the piston Z, an output shaft 2.4 (“crankshaft”) is set in rotation, wherein the combustion chambers V is assigned a further working space in the form of an expansion cylinder 2.3, in the exhaust gas mixture ejected from the combustion chambers, releasing mechanical power to the output shaft 2.4 relaxed and subsequently into a Abgasla Ausla ss 20 überge-> leads.
  • the internal combustion engine 2.1 receives the operation of liquid or gaseous fuel, in the form of a preferably organic substance, for.
  • liquid or gaseous fuel in the form of a preferably organic substance, for.
  • gasoline or diesel fuel or gasoline alcohol, biogas or methane or hydrogen gas or the like from a entrained in the motor vehicle 1 fuel tank. 3
  • the internal combustion engine 2.1 has, in particular, at least two reciprocating cylinders 2.2 (two-stroke or four-stroke cylinders) operating at an ignition interval of 360 ° with combustion chambers V, in which the fuel is preferably ignited externally ignited by an Otto process with ambient air ,
  • the internal combustion engine 2.1 has a further reciprocating cylinder 2.3 (expansion cylinder) for a subsequent further expansion of the combustion gases (fifth cycle). This relaxes from the two combustion cylinders 2.2 overflowed combustion gases and pushes them via an exhaust gas outlet in a downstream exhaust pipe 6.1, 6.2.
  • the further reciprocating cylinder 2.3 (expansion cylinder) preferably operates in a kind of two-stroke process, wherein the exhaust gas of the combustion cylinder 2.2 is released substantially adiabatically while releasing mechanical work.
  • the piston of the expansion cylinder 2.3 gives its power, like the pistons of the other two cylinders 2.2, preferably to a common output shaft 2.4 (crankshaft) (compare, in particular, FIG. 3).
  • a first electromechanical energy converter G (“generator”) is coupled to the crankshaft 2.4 via a clutch and / or a gearbox
  • a specific refinement of the first electromechanical energy converter G can be found in US 2009/0224628 A1, with respect to its construction (in particular, for the construction of the stator and the rotor using permanent magnets) and the operating conditions of the generator G.
  • This generator G exchanges electrical energy with a storage unit B for electrical energy by means of power electronics E via electrical connection cables 2.5, 2.6. "Battery”, accumulator) off.
  • a process computer or a control unit C controls both the operating state of the generator G and the operating state of the battery B and the internal combustion engine 2.1.
  • the first electromechanical energy converter G is for the most part used as a generator to pick up mechanical energy of the internal combustion engine 2.1 and to transfer it to the battery B in the form of electrical energy.
  • the generator G can also be used for starting and accelerating the internal combustion engine 2.1 from a standstill. It is preferable to convert the internal combustion engine 2.1 as quickly as possible from a rest state (standstill) into the optimum operating state with the aid of the first electromechanical energy converter G. lead by the internal combustion engine 2.1 is dragged by the generator G in an operating state with rated speed.
  • the rated speed should be within a range of the (mathematical-physical) torque-rpm diagram of the internal combustion engine in which the internal combustion engine has a particularly low specific fuel consumption.
  • the first electromechanical energy converter G is provided, the then working internal combustion engine 2.1 to provide a nominal load, which is also in a range of torque-torque diagram of the internal combustion engine, in which the internal combustion engine has a particularly low specific fuel consumption.
  • the generator G should have the best possible efficiency, in particular not deviate more than 15% of its maximum efficiency.
  • the internal combustion engine is thus assigned an electromechanical energy converter in the form of a generator G, which is mechanically coupled with an output shaft of the internal combustion engine 2.1 with or without transmission or clutch and can be driven by the internal combustion engine 2.1.
  • the generator G can, as shown in detail in Fig. 3, be set on the rotor side directly to a crankshaft of the internal combustion engine.
  • the generator G is designed in such a way that it also has the highest possible efficiency in the best point (selected for the internal combustion engine 2.1), the currents to be delivered and the voltage (s) of the generator G being in turn matched to the current storage unit B. Because the previously described subsystem (internal combustion engine, generator, electronics, battery) operates essentially under the same conditions, all design parameters can be optimized for these conditions.
  • the internal combustion engine is operated quasi stationary at a rated speed of 2000 U / min with a nearly constant torque of 150 Nm against the load of the first electromechanical energy converter G in a preferred embodiment.
  • a preferred fluctuation range of the rotational speed during a driving cycle of the motor vehicle 1 is 500 rpm at the nominal speed. speed (ie about +/- 250 rpm).
  • the rated speed can be adjusted (possibly permanently) even in such a bandwidth - depending, for example, on permanently changed power requirements for the internal combustion engine, on (varying) fuel properties or ambient conditions.
  • the internal combustion engine is operated quasi stationary at a rated speed of about 3500 U / min and a nominal torque of about 100 Nm.
  • the performance parameters of the mutually associated components internal combustion engine, generator, power electronics and battery are adjusted accordingly to this operating condition.
  • the internal combustion engine is preferably operated as long as in particular at nominal conditions until the battery B by supplying electrical energy at a share of 75% (or optionally optionally of 85% or 100%) of the intended maximum maximum storage capacity for the operation (set state of charge SOC) arrived is.
  • the internal combustion engine 2.1 Upon reaching such a state of charge of the battery should be stopped by the computer unit C, the internal combustion engine 2.1 and only when needed, e.g. when the state of charge decreases to below 50% below the desired state of charge SOC (or at a state of charge of 45% or 60% of the desired state of charge) or in the case of power requirements of the motor vehicle above the power level of the battery B.
  • 100% of the desired state of charge preferably corresponds to between 50% and 75% of the physically possible maximum charge state of the battery.
  • the level of the desired state of charge is preferably selected as a function of average downtimes of the vehicle.
  • the drive unit 2 of the motor vehicle 1 (as can be seen from FIGS. 1 and 2) has a further electromechanical energy converter in the form of a (Drive) motor-generator unit M / G on.
  • the (drive motor) generator unit M / G is, for example via a differential D and / or a transmission (not shown) verbiinden with a drive shaft (wheel shaft 4), which directly drives the wheels of the motor vehicle.
  • the further electromechanical energy converter M / G (motor-generator unit) exchanges via electrical connection cable 2.6, 2.7 and electronics also electrical energy with the storage unit B for electrical energy.
  • the process computer or the control unit C controls both the operating state of the motor-generator unit M / G and the operating state of the battery B.
  • the operating parameters of the motor-generator unit M / G are tuned to the operating behavior of the motor vehicle, since the motor-generator unit M / G draws their energy from the battery and is largely decoupled on this particular of the components internal combustion engine and generator.
  • separate drive e-motors may be provided for the axles individually associated with the wheels, which in turn could draw their power from a central power storage unit.
  • One or more drive motor-generator units M / G are used according to the invention as traction motors, which transmit the required torque for the propulsion of the motor vehicle to the wheels.
  • both the motor-generator unit M / G and the internal combustion engine via a differential and / or a (planetary) gear and / or a clutch to the wheel shaft 4 to be coupled or be coupled, so that results in an alternative configuration of the drive unit 2.
  • a load proportion of the internal combustion engine can be lower than the nominal load of the internal combustion engine 2.1, when at the same time the battery B is charged.
  • an internal combustion engine 2.1 for a drive unit 2 comprises several cylinder groups each consisting of two high-pressure cylinders and one (substantially) larger expansion cylinder (low-pressure cylinder).
  • the cylinder groups mentioned can be arranged in a row form, in V-shape, in box form or in star form (not shown in detail).
  • second-order mass forces are compensated by compensating masses moving at twice the crankshaft speed, if necessary.
  • a coupled via a fixed gear to the crankshaft balancing shaft is provided with balancing weights.
  • a further variant of the drive unit 2 according to the invention according to FIG. 2 includes a further variant of an internal combustion engine according to the invention, which can be removed in detail from DE 60116942 T2.
  • DE 60116942 T2 is in terms of a possible structure and principle operating method of the internal combustion engine
  • an exhaust gas turbocharger unit 7 (exhaust gas turbocharger, ATL) explained in detail in DE 60116942 T2 is provided, which is inserted in the exhaust gas lines 6.1,
  • the exhaust gas turbocharger unit 7 is released from the internal combustion engine discharged exhaust gas mixture and precompressed by means of the recovered energy fresh air for supply to the internal combustion engine.
  • the exhaust gas expelled from the expansion cylinder 2.3 is fed via the exhaust gas line 6.1 to an expansion turbine of the exhaust gas turbocharger 7.
  • the recovered mechanical energy is transmitted from the expansion turbine to a compressor wheel of the exhaust gas turbocharger 7, with which the internal combustion engine 2.1 ambient air to be supplied can be pre-compressed.
  • Downstream of the ATL is an exhaust gas purifying catalyst CC.
  • the internal combustion engine 2.1 (“5-stroke engine”) is particularly efficiently operated substantially stationary with almost constant speed (or in a small speed range of +/- 250 rpm around the rated speed) and integrated into a serial hybrid system, such as
  • the constant speed as well as the power of the internal combustion engine to be output are preferably chosen such that a point of the best possible efficiency or maximum efficiency of the internal combustion engine (best point) is approximated as well as possible can be shut down and restarted at the given time.
  • the best point is according to the invention in a speed range from 1000 U / min to about 5000 U / min, in particular between 1000 U / min to about 3500 U / min.
  • a serial hybrid system for a traction drive with an average drive power of significantly more than 30 kW can be interpreted.
  • such an overall system is designed so that the permanently deliverable by means of internal combustion engine 2.1 and generator G power is less than or equal to the drive power to be required at statutory or otherwise predetermined maximum speed and / or at a predetermined continuous travel speed.
  • rated power values of 28 kW, 40 kW and 60 kW are selected for continuous travel speeds of a mid-range car of 125 km / h, 145 km / h and 160 km / h, respectively. For smaller or larger vehicles deviating values are provided accordingly.
  • Fig. 6 results in a preferred interpretation of a drive concept for a motor vehicle 1 according to the invention according to the previous embodiments.
  • the electric power provided by the internal combustion engine 2.1 together with the generator G should be just high enough for a predetermined nominal speed v Dma ⁇ to be able to be displayed permanently by the internal combustion engine 2.1 and the directly coupled generator G at rated power.
  • a maximum steady-state speed v Dmax is set at approximately 120 km / h.
  • a driving resistance curve FK of a middle class vehicle according to FIG Nominal power P N of generator G and internal combustion engine 2.1 are determined: These are at 120 km / h continuous speed of the vehicle about 28 kW, which results from the Cartesian coordinates of the point Fl on the driving resistance line FK.
  • the described configuration are required for today's passenger cars displacement between 0.6 1 and 1.6 1 on the 5-stroke engine.
  • electromotive operating state all load conditions in city traffic are electrically covered in real driving operation. From speeds of about 60 km / h, the internal combustion engine 2.1 is temporarily switched on, and the battery B is temporarily charged - with simultaneous removal of energy by the (drive) motor-generator unit M / G.
  • FIG. 3 a simplified longitudinal section through a 5-stroke engine according to the invention
  • FIG. 4 an enlarged detail of the same engine.
  • the combustion cylinders 2.2 (four-stroke cylinders) are preferably operated in a four-stroke cycle, which is why they each have an intake valve 12 and an exhaust valve 13 in a cylinder head K assigned.
  • the valves are caused in operation (in a conventional manner) by a camshaft 14 to a translational movement against the forces of a respective closing spring 19, wherein the camshaft 14 is coupled via a belt or chain transmission 15 to the crankshaft 2.4 and stored on the cylinder head K.
  • Spark plugs are not shown, but are preferably used to carry out a four-stroke Otto combustion process.
  • the combustion cylinders 2.2 are arranged with the expansion cylinder 2.3 substantially in one and the same plane, the respective pistons of the cylinders 2.2, 2.3 acting on the common crankshaft 2.4 via preferably connecting rods of the same length.
  • a piston mass of the piston 11 in the expansion cylinder 2.3 is approximately twice as large as the mass of a piston in a combustion chamber of a combustion cylinder 2.2.
  • the diameter of the expansion cylinder 2.3 by about 25% to 45%, in particular by about 40% larger than the diameter of a combustion chamber V.
  • the stroke volume of the expansion cylinder 2.3 by about 100% greater than the displacement of a combustion cylinder , In particular, it can be seen from Fig.
  • an overflow channel 16 has at the upper front end of the combustion chamber of a combustion cylinder 2.2 a substantially circular opening L (outlet opening of the combustion cylinder), which can be closed by the outlet valve 13 of the associated combustion cylinder 2.2.
  • the overflow channel 16 has over its length initially a circular cross section and finally a substantially rectangular cross section, with which it opens at the upper end in the expansion cylinder 2.3.
  • the overflow channel 16 has a length of less than 5 cm.
  • the overflow channels 16 have not only a small length but also a small curvature with a correspondingly reduced deflection angle (with a change in direction of, for example, 70 ° to 90 °) - the harmful dead space in the overflow channels 16 is correspondingly low.
  • the transfer of the gases from the combustion cylinders 2.2 thus takes place through slot-shaped openings 17 in the cylindrical wall of the expansion cylinder 2.3 with a flow direction approximately perpendicular to the cylinder axis of the expansion cylinder 2.3.
  • the compression ratio equal expansion ratio
  • the compression ratio is selected as high as possible. This results in the highest demands on the knock resistance of the fuel and the highest pressures or forces on many parts.
  • a clear advantage is achieved by the combustion cylinders 2.2 undergoing structurally lower loads.
  • FIG. 3 for a erfin 1 is shown in fragmentary longitudinal section through the internal combustion engine 2.1 (or a section through a single cylinder group).
  • the overflow channels 16 which can be shut off by outlet valves 13 between the 4-cycle cylinders 2.2 (combustion chamber cylinders, right and left in FIG. 4) and the central, larger expansion cylinder 2.3 are particularly well recognizable here.
  • the expansion cylinder preferably has an enlarged length relative to the combustion chamber cylinder 2.2 and / or an enlarged diameter relative to the combustion chamber ZyI 2.2.
  • the walls of the additional expansion cylinder 2.3 have a heat loss-reducing coating Tl, T2, T3, T4 of suitable material.
  • An annular region near the cylinder head K may have a 0.1 mm to 2 mm thick coating and / or an annular insert Tl of a material with the lowest possible thermal conductivity.
  • coatings or inserts of stainless steel, in particular of nickel-containing steel or of a ceramic, more preferably of an aluminum oxide, of a (hard) anodized aluminum, nickel, titanium or the like are provided on the remaining cylinder wall of the expansion cylinder 2.3.
  • an optional coating or surface treatment T2 of up to 100 ⁇ m may be made of similar material.
  • a 0.1 mm to 2 mm thick coating and / or a disk-shaped insert T3 made of one of the abovementioned materials with the lowest possible thermal conductivity can be provided in the region of the expansion cylinder 2.3.
  • a 0.1 mm to 2 mm thick coating and / or a dome-shaped attachment T4 made of a material with the lowest possible thermal conductivity is also preferably provided on an upper side of the piston 11 of the expansion cylinder.
  • the Piston of the expansion cylinder to more than 50% of its volume made of a ceramic material.
  • the walls In the combustion chamber ZyI in 2.2, the walls must be kept at a relatively low temperature by liquid cooling so that the amount of charge does not become smaller as a result of heating on the walls and no ignition by condensation on a hot wall is allowed to occur.
  • these requirements are eliminated in the expansion cylinder 2.3, so that at a constant high temperature (especially in adiabatic relaxation) mechanical work can be obtained and less cooling heat must be dissipated.
  • cylinder liners made of ceramic materials, in particular nickel-containing stainless steel, titanium or the like, are provided for the expansion cylinder 2.3.
  • the expansion cylinder is centered, i. preferably associated with an identical (symmetry) axis an exhaust valve 18, via the exhaust gas can be transferred from the additional expansion cylinder in the exhaust system.
  • the outlet (stroke) valve 18 which blocks the exhaust gas outlet H, 20 of the expansion cylinder (2.3) has a main axis which is aligned parallel to the main axis AH of the expansion cylinder, preferably coincident thereto.
  • Said outlet (stroke) valve 18 may be wholly or partly made of a ceramic material and / or of a light metal such as titanium and / or provided with a ceramic coating.
  • the low mass has a positive effect, e.g. noises and lower mass forces.
  • Lower heat dissipation in conjunction with increased valve temperature may result in a reduction in heat loss of the expansion cylinder.
  • FIG. 3a shows, starting from the top right: longitudinal cut through the cylinder head K of an internal combustion engine similar to the engine shown in Figures 3 and 4; a cross section through the cylinder head in the region of the expansion cylinder along the line I -I; View from below of the cylinder head along the level II-II.
  • FIG. 3 a shows a view of a slot-shaped outlet opening 17 of the overflow channel in the expansion cylinder in the upper right-hand illustration.
  • the approximately crescent-shaped three-dimensional design of the overflow channels can also be taken from the left upper illustration in FIG. 3a.
  • the inlet openings I and the outlet openings A of the combustion cylinders are just as recognizable as the (single) outlet opening H of the expansion cylinder, through which the entire exhaust gas of the internal combustion engine passes into an exhaust tract, not shown in detail.
  • FIG. 5 shows a section through an intake valve 12 of an internal combustion engine 2.1 for a further, modified drive unit 2 according to the invention.
  • the essential aspect here is that the internal combustion engine according to FIG. 5 has an essentially complete encapsulation 50, which serves as heat and sound insulation.
  • Such an encapsulation 50 according to the invention is intended in particular to be penetrated by an intake pipe 20A, an exhaust pipe and optionally one or more electricity lines (cables) and a fuel line. Otherwise, such optimized insulation could be completely closed.
  • the insulation can be configured by a Kunststoffkapsei 51 with trapped air layer, by a foam sheathing 52 and / or other housing with low heat transfer rates.
  • the insulation is continued in the region of an exhaust pipe 6.2, so that the exhaust gas supplied to an exhaust gas purifying catalyst CC arrives as warm as possible at the catalyst.
  • the encapsulation comprises a plurality of different insulation elements 50, 51, 52, which extend over at least 80% of the outer surface of the internal combustion engine, so that it is effectively protected against heat losses as a result of heat radiation and ambient air inflow.
  • the drive unit in particular the internal combustion engine according to FIG.
  • FIGS. 5b and 5c an estimation in FIGS. 5b and 5c is shown, from which an exemplary profile of the engine core temperature MT results when the internal combustion engine is switched off and a motor vehicle according to the invention passes through a NEDC driving cycle.
  • the engine core temperature MT is inventively measured on the cylinder head K or on the crankcase.
  • Fig. 5c (in addition to the engine core temperature MT) in a solid line, the battery state of charge SOC [in percent of maximum] and the vehicle speed v [in km / h] over the test cycle time [in seconds] are shown.
  • mass m 1300 kg
  • drag coefficient cw 0.32
  • frontal area A 2.17 m 2
  • iges 6.5, f_rek 0.9.
  • FIG. 5 a illustrates a system and a method for exhaust gas energy recovery according to the invention, which can be combined with the previously described exemplary embodiments. Accordingly, identical reference numerals are assigned for identical or equivalent elements.
  • the exhaust gas energy recovery system comprises a multi-cylinder internal combustion engine 2.1 according to one of the embodiments described above, an exhaust gas turbocharger 7 and an exhaust gas catalytic converter CC.
  • a multi-cylinder internal combustion engine 2.1 5-stroke engine, so
  • energy is removed from the exhaust gas in a first stage by the exhaust gas in the expansion cylinder 2.3 is nachentspannt.
  • the heat and pressure of the exhaust gas are treated as in a fifth working clock converted into mechanical work and brought directly to the crankshaft 2.4 of the internal combustion engine 2.1.
  • the thus relaxed exhaust gas is supplied to the exhaust gas turbocharger 7 via an exhaust gas line 6.1.
  • the exhaust gas is extracted by the exhaust gas turbocharger 7 further energy before the exhaust gas enters an exhaust aftertreatment system (catalyst CC).
  • the exhaust-gas turbocharger compresses combustion air, which is supplied to the combustion cylinders 2.2 via an intake pipe 20A, and thus transfers energy extracted from the exhaust gas to the combustion air to be compressed.
  • a third stage for example, in a cold start process, residual exhaust heat (after the catalyst CC) can be transferred via an exhaust gas / water heat exchanger W to a cooling water circuit 2.8 of the internal combustion engine 2.1.
  • a control valve 6.3 is arranged in an exhaust branch pipe 6.4.
  • the exhaust gas thus cooled should be recirculated to an intake pipe 2OB in a cold start process after an air filter F of the internal combustion engine, resulting in a quasi-fourth stage of energy recovery or energy retention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Brennkraftmaschine (2.1) mit wenigstens zwei Brennräumen (V), insbesondere in Verbrennungszylindern (2.2), in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, wobei den Brennräumen (V) ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansionszylinders (2.3) zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen (V) ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (2.4) entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass (6.1) übergeführt wird. Erfindungsgemäß ist ein erster elektromechanischer Energiewandler (G) mechanisch an die Abtriebswelle (2.4) der Brennkraftmaschine (2.1) gekoppelt, der elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie (B) austauscht, wobei ein weiterer elektromechanischer Energiewandler (M/G) mechanisch mit wenigstens einer Radwelle (4) des Kraftfahrzeugs (1) gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit (B) für elektrische Energie austauscht. Anwendung in Personenkraftwagen.

Description

Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine sowie einem Elektromotor
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine sowie wenigstens einem elektromechanischen Energiewandler, die im Zusammenwirken zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden, wobei die Brennkraftmaschine beim Betrieb des Kraftfahrzeuges die überwiegende Zeit in einem besonders effizienten Betriebsbereich genutzt wird oder ausgeschaltet ist.
Stand der Technik
Nach heutigem Stand sind verschiedene Systeme für Kraftfahrzeuge mit AntriebsSystemen am Markt vorgestellt, bei denen wenigstens eine Brennkraftmaschine sowie mindestens ein Elektromotor zum Antrieb des jeweiligen Kraftfahrzeuges verwendet werden (so genannte Hybridfahrzeuge) . Im speziellen ist ein Hybridsystem mit serieller Anordnung von Brennkraftmaschine und Elektromotor (en) vorgesehen. Dessen Vorteil liegt in der um ca. 25 % effizienteren Umsetzung einer der Brennkraftmaschine zugeführten Energiemenge eines flüssigen Kraftstoffs - verglichen mit einem individuellen Betrieb der Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prozess .
Weiters sind nach Stand der Technik eine Verbrennungskraftmaschine nach Patent Nr. DE 879183 bzw. sowie eine Brennkraftmaschine nach der Patentschrift DE 60116942T2 als Stand der Technik bekannt. In diesen wird jeweils ein so genanntes 5 -Takt -Verbrennungsverfahren beschrieben, bei dem jeweils mit höherer Effizienz Kraftstoff in Antriebsleistung umgesetzt werden kann. Diese als Fahrmotoren betriebenen 5 -Takt -Motoren haben jedoch mehrere Nachteile. Als Fahrmotor genützt vergrößert sich das Hubvolumen durch die spezifische Ausführung von 2-Liter auf 4-Liter Motoren (bei ca. 20 % gesteigerter Leistung) . Dies führt zu einer unakzeptablen Vergrößerung des Motors und wird als Grund angesehen, dass sich diese zwar effizientere aber nachteilige Maschinenkonstruktion bisher nicht technisch durchsetzen konnte. Weiters ist der dynamische Betrieb eines solchen Motors nur unzureichend darstellbar. Eine Idee, den Motor durch Turboaufladung leistungsstärker zu machen, wurde in dem Patent DE 60116942 T2 veröffentlicht.
Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, die bei guter Praxistauglichkeit einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, das zukünftigen Umweltschutz- und Verbrauchsanforderungen auf kostengünstige Weise gerecht wird.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinheit nach Anspruch 1 gelöst. Dabei umfasst eine erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere VerbrennungsZylindern, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand (Zündwinkel) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansions- zylinders zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch - unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (Kurbelwelle) - entspannt und nachfolgend in einen Abgas -Auslass übergeführt wird, wobei ein erster elektromechanischer Energiewandler mechanisch an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie (Akkumulator, „Batterie") austauscht, und wobei ein weiterer elektromechanischer Energiewandler mechanisch mit wenigstens einer Radwelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit für elektrische Energie austauscht. Dabei ist der weitere elektromechanische Energiewandler zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges und zur Rückgewinnung von Bremsenergie vorgesehen. Der erste elektromechanische Energiewandler hingegen wird bevorzugt einerseits für einen Energieaustausch zwischen Kurbelwelle und Batterie sowie andererseits zur Einstellung der Last an der Kurbelwelle und als Starter-Maschine genutzt. Die Brennkraftmaschine wird bevorzugt fremd-gezündet nach einem Otto-Verfahren betrieben, um das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine besonders präzise steuern zu können. In den Brennräumen können prinzipiell verschiedene Arten von Brennverfahren durchgeführt werden, insbesondere Gleichraum- oder Gleichdruck-Verfahren im Zweitakt- oder Viertakt -Modus . Vor allem in einem Zweitakt -Modus kann eine merkliche Nachverbrennung des aus den Brennräumen ausgestoßenen Abgasgemiscb.es im Expansionszylinder realisiert werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Brennräume der Brennkraftmaschine ein Verdichtungsverhältnis von jeweils kleiner als 9 : 1, insbesondere kleiner als 8 : 1 auf.
In Ausgestaltung der Erfindung wird die Brennkraftmaschine in einem überwiegenden Betriebszustand näherungsweise stationär in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben oder sie ist stillgesetzt. Dabei kann eine Schwankungsbreite von +/- 250 U/min um einen bevorzugten Wert von beispielsweise 2000 U/min vorgesehen sein. In besonders bevorzugter Weise wird der Betriebszustand der Brennkraftmaschine weitgehend stationär in denjenigen Bereich der Drehmoment-Drehzahl-Ebene gelegt, in dem der geringste spezifische Kraftstoff-Verbrauch der Brennkraftmaschine liegt. Zusätzlich wird in weiter bevorzugter Weise der Bereich des höchsten Wirkungsgrades des ersten elektromechanischen Energiewandlers in eben demselben Drehmoment-/Drehzahlbereich gewählt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine wenigstens zwei nach einem Viertakt -Verfahren betriebene Brennräume sowie einen auf dieselbe Abtriebswelle wirkenden Expansionszylinder auf, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch entspannt wird, wobei der erste elektromechanische Energiewandler mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelt ist und überwiegend als Generator betrieben wird zum Aufladen einer Speichereinheit für elektrische Energie, wobei der weitere elektromechanische Energiewandler als Antriebs- und Bremseinheit für wenigstens eine Radwelle des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Brennkraftmaschine im Betrieb mit einer um weniger als 500 U/min schwankenden Drehzahl (quasi stationär) , insbesondere in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben wird oder stillgesetzt ist. Des Weiteren wird der erste elektromechanische Energiewandlers erfindungsgemäß bevorzugt zum Einstellen der Last und/oder das Drehmoments der Brennkraftmaschine sowie zum Starten der Brennkraftmaschine verwendet .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader zugeordnet, bei der das aus dem Expansionszylinder abgeführte Abgasgemisch in einem Abgasturbolader weiter entspannt wird, wobei den Brennräumen zuzuführende Luft mit Hilfe des Abgasturboladers vorverdichtet wird. Damit kann der Gesamt - Wirkungsgrad des Antriebs weiter gesteigert und Abgasenergie wei- testgehend ausgenutzt werden. Vor und/oder hinter dem Abgasturbolader ist weiter bevorzugt wenigstens eine Abgasrückführungseinrichtung für wenigstens einen Teil des Abgases vorgesehen, das im Abgasturbolader entspannt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine zwei in gleichmäßigem Zündabstand von 360° arbeitende Viertakt - zylinder sowie einen zusätzlichen, größeren Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern aufgenommene Verbrennungsgase quasi in einem Zweitaktverfahren entspannt, wobei die Überleitung der Gase aus den ViertaktZylindern durch Öffnungen in einer zylindrischen Wand des Expansionszylinders, insbesondere mit einer in etwa senkrecht zur Zylinderachse orientierten Strömungsrichtung erfolgt. Die Viertakt- Zylinder weisen erfindungsgemäß bevorzugt dieselbe Hubhöhe und dasselbe Hubvolumen auf. Im Unterschied dazu weist der Expansionszylinder bevorzugt ein um mindestens 25% gesteigertes Hubvolumen auf, das über eine entsprechende Wahl des Zylinderdurchmessers und der Hubhöhe eingestellt wird, wobei die Hubhöhe des Expansionszylinders gegenüber der Hubhöhe der Viertaktzylinder vergrößert ist. Weiter bevorzugt ist eine Reihenanordnung der drei beschriebenen Zylinder derart vorgesehen, dass die Zylindermittelachsen sämtlich in einer gemeinsamen Ebene zu liegen kommen. Weiter bevorzugt überragt der Expansionszylinder die beiden Viertaktzylinder im Bereich des Zylinderkopfes, d.h. die obere Umkehrposition des Kolbens im Expansionszylinder weist einen größeren Abstand zur Drehachse der Kurbelwelle auf als die obersten Positionen der Kolben der Viertaktzylinder. Damit kann ein Überströmkanal zwischen Expansionszylinder und benachbartem Viertaktzylinder vorgesehen werden, der sich zwischen einer Auslassöffnung an der im wesentlichen runden Stirnseite des Viertaktzylinders und einer schlitzförmigen Öffnung in der zylindrischen Wand des Expansionszylinders erstreckt. Ein solcher Überströmkanal kann bevorzugt eine Strömungs- umlenkung von 90° oder weniger aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine Wandung des ExpansionsZylinders und/oder eine Wandung des im Expansionszylinder geführten Kolbens eine Wärmeverluste mindernde Lage aus einem Material auf, dessen Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ist als 200 W/ (m * K) , insbesondere niedriger als 50 W/ (m * K) . In dem Expansionszylinder kann somit eine nahezu adiabate Entspannung des Abgases und/oder eine Nachverbrennung realisiert werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 1000C bei Norm- Umgebungsbedingungen, insbesondere bei einer Außentemperatur von 200C, um weniger als 3 K pro Minute absinkt. Dabei weist die Brenn- kraftmaschine erfindungsgemäß eine isolierend wirkende Kapselung auf, deren Bestandteile unterschiedliche thermische Isolations- eigenschaften haben können, jedoch im Gesamtverhalten eine Auskühlung der (stillgesetzten) Brennkraftmaschine um weniger als 3 K/min bewirkt .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das den Abgas-Auslass des ExpansionsZylinders sperrende Auslass-Hubventil ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff hergestellt. Das Auslass- Hubventil des Expansionszylinders weist so eine niedrige Wärmespeicherfähigkeit auf und trägt nachhaltig zur thermischen Isolierung des Expansionszylinders bei.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das den Abgas-Auslass des Expansionszylinders sperrende Auslass-Hubventil eine Hauptachse auf, die parallel zur Hauptachse des ExpansionsZylinders ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist. Damit können einerseits die Strömungsverhältnisse beim Überleiten der Abgase in einen angeschlossenen Abgasstrang optimiert werden. Andererseits lässt sich ein Deckelteil des Expansionszylinders fertigungstechnisch günstig rotationssymmetrisch herstellen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe mit zwei in gleichmäßigem Zündabstand arbeitenden ViertaktZylindern sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder auf, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden ViertaktZylindern aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei die Brennkraftmaschine wenigstens eine zweite Zylindergruppe aufweist, die im wesentlichen gleich der ersten Zylindergruppe ausgestaltet und in V-Form, Stern-Form oder Boxer- Form mit einem Winkel größer 0° zur ersten Zylindergruppe geneigt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Zylindergruppe eine gemeinsame Abtriebswelle (Kurbelwelle) antreiben. Bevorzugterweise ist in diesem Fall die Kurbelwelle mit einem oder zwei elektro- mechanischen Energiewandlern gekoppelt, die elektrische Energie an jeweils eine mit dem elektromechanischen Energiewandler verbundene Batterie abgeben. Solchermaßen gestaltete Brennkraftmaschinen finden besonders auch in Boots- und Flugzeugtriebwerken Verwendung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden Massenkräfte zweiter Ordnung durch mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegte Ausgleichsmassen ausgeglichen. Insbesondere die unterschiedlichen Hebel- und Massenverhältnisse bei den Verbrennungszylindern einerseits und dem Expansionszylinder andererseits können erfindungsgemäß mittels einer Ausgleichswelle in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Dabei weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug eine Antriebseinheit samt einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere VerbrennungsZylindern auf, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand (Zündwinkel) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird. Des weiteren übt das Abgasgemisch auf in den Brennräumen beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart aus, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen ein weiterer Arbeitsraum in Form eines ExpansionsZylinders zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (Kurbelwelle) entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass übergeführt wird. Ferner weist die Antriebseinheit einen ersten elektromechanischen Energiewandler auf, der mechanisch an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie austauscht, sowie einen weiteren elektromechanischen Energiewandler, der mechanisch mit wenigstens einer Radwelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit für elektrische Energie austauscht. Erfindungsgemäß ergibt sich damit ein Kraftfahrzeug, das über einen weiten Betriebsbereich dadurch mit hohem Wirkungsgrad gefahren werden kann, dass die Brennkraftmaschine bei Bedarf in einem Bereich niedrigen spezifischen Verbrauchs mit moderater Drehzahl betrieben wird. Der Bedarf wird erfindungsgemäß im wesentlichen anhand des Ladezustands der Speichereinheit für elektrische Energie (Akkumulator, „Batterie") ermittelt. Lastspitzen können dabei ebenso wie Anfahrvorgänge ausschließlich elektromotorisch bewältigt werden, ohne am Betriebszustand der Brennkraftmaschine Änderungen vorzunehmen oder diese überhaupt einzuschalten. Die Batterie dient dabei als Ausgleichsreservoir für Energie zwischen dem kontinuierlichen Leistungsniveau der stationär besonders effizient betreibbaren Brennkraftmaschine und den kurzzeitig diskontinuierlichen Leistungsanforderungen beim Betrieb moderner Kraftfahrzeuge.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit, insbesondere der Brennkraftmaschine eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 1000C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 200C Lufttemperatur) und bei einer Fahrtwindanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h auch bei abgestellter bzw. stillgesetzter Brennkraftmaschine um weniger als 3 K pro Minute absinkt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe mit zwei Viertaktzylindern sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder auf, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden ViertaktZylindern aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei der Zylindergruppe ein gemeinsamer Abgas-Auslass sowie eine anschließende gemeinsame, thermisch isolierte Abgasrohrleitung aufweist, deren radiale Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ausgelegt ist als 50 W/ (m * K) .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine im Bereich einer AbgasröhrIeitung ein Katalysator zugeordnet, wobei in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator Abgas aus der Abgas - rohrleitung entnommen wird und über eine gezielte Abgasrückführung zu einem Wärmetauscher geleitet wird, über den Wärme vom Abgas zum Kühlwasser transferiert wird, wobei das gekühlte Abgas dann entweder der Saugseite der Brennkraftmaschine oder erneut der Abgasrohrleitung zugeführt wird. In besonders vorteilhafter Weise wird Abgas der Brennkraftmaschine nach dem Austritt aus dem Expansionszylinder einem Abgasturbolader zugeführt. Nach dem Abgasturbolader sind ein Abgasreinigungskatalysator sowie ein Rohrverzweigungselement in den Abgasstrang eingebaut, wobei mittels des Rohrverzweigungselements zumindest ein Teil des Abgases dem genannten Wärmetauscher und ggf. anschließend der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinheit als serielles Hybridsystem derart ausgelegt, dass die Auslegeleistung kleiner oder gleich dem zugehörigen Leistungswert gemäß der Fahrt - Widerstandslinie des Kraftfahrzeugs in der Ebene ist, die bei einer definierten Referenzgeschwindigkeit, insbesondere bei 125 km/h, bei 145 km/h oder 160 km/h in der Ebene erreicht wird. Als Referenzgeschwindigkeit wird insbesondere eine Dauerreisegeschwindigkeit in der Ebene angenommen, die im übrigen von Land zu Land und/oder für Standard- oder Sport -PKW unterschiedlich gewählt sein kann. Das Fahrzeug weist bevorzugt bei konstanter Fahrt mit Referenzgeschwindigkeit in der Ebene einen Leistungsbedarf auf, der als Auslegeleistung der Brennkraftmaschine und als Auslegeleistung des gesamten Hybridsystems gewählt wird. Höhere Leistungsanforderungen als die Auslegeleistung - beispielsweise bei Bergfahrt und/oder höherer Fahrzeuggeschwindigkeit - werden erfindungsgemäß im wesentlichen über kurzzeitige Leistungsentnahme aus dem elektrochemischen Energiespeicher (Akkumulator, Batterie) gedeckt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Varianten ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der anhand der Zeichnungen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Hierzu zeigen
Fig. 1 in einer Prinzipskizze ein erstes erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine („5-Takt-Motor") in einer seriellen Hybridanordnung, Fig. 2 in einer Prinzipskizze ein zweites erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine („5-Takt-Motor") in einer seriellen Hybridanordnung,
Fig. 3 in einem Längsschnitt eine dritte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit drei Zylindern,
Fig. 3a einen Zylinderkopf für eine vierte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt, einem Querschnitt sowie einer Ansicht von unten,
Fig. 4 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt der Brennkraftmaschine nach Fig. 3,
Fig. 5 in einem Querschnitt die Brennkraftmaschine nach Fig. 3,
Fig. 5a in einer ausschnittsweisen Prinzipdarstellung eine modifizierte erfindungsgemäße Antriebseinheit,
Fig. 5b in einem Temperatur-Zeit-Diagramm einen Temperaturverlauf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bei zunächst stillgesetzter Brennkraftmaschine ,
Fig. 5c in einem Prinzip-Schaubild den Ladezustand der Batterie [in Prozent vom Soll -Ladezustand] in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bei Durchfahren eines NEFZ-Fahrzyklus sowie
Fig. 6 in einem Prinzip-Diagramm eine Fahrwiderstandskurve eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs .
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in Form eines Personenkraftwagens 1 mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 2 ausgestattet, die nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert wird. Das Kraftfahrzeug kann als Nutz- fahrzeug zum Transport von Gütern ebenso ausgestaltet sein, wie als Motorrad, Omnibus, Baufahrzeug oder dergleichen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug auch spurgebunden auf Schienen betrieben werden. In jedem Fall weist es eine durch die Antriebseinheit in Rotation versetzte angetriebene Radwelle 4 und wenigstens ein angetriebenes Rad 5 auf .
Die Antriebseinheit 2 umfasst im wesentlichen eine Brennkraftmaschine 2.1, auf die an anderer Stelle als „5-Takt-Motor" Bezug genommen wird. Die Brennkraftmaschine 2.1 wiederum weist wenigstens zwei Brennräume V, insbesondere Verbrennungszylinder 2.2 auf, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft- Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangs-igemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen V beweg->lich gelagerte Kolben Z eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben Z eine Abtriebswelle 2.4 („Kurbelwelle") in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen V ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansionszylinders 2.3 zugeordnet ist, in dem aus den Brenn-»räumen ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mecha->nischer Leistung an die Abtriebswelle 2.4 entspannt und nachfolgend in einen Abgas- Auslass 20 überge->führt wird. Die Brennkraftmaschine 2.1 erhält zum Betrieb flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff, in Form einer bevorzugt organischen Substanz, z. B. Otto- oder Diesel-Kraftstoff bzw. Benzin, Alkohol, Biogas oder Methan oder Wasserstoffgas oder dergleichen aus einem im Kraftfahrzeug 1 mitgeführten Kraftstofftank 3.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 2.1 weist insbesondere wenigstens zwei in einem Zündabstand von 360° arbeitende Hubkolbenzylinder 2.2 (Zwei-Takt- oder Vier-Takt-Zylinder) mit Brennräumen V auf, in denen der Kraftstoff bevorzugt fremdgezündet nach einem Otto-Verfahren exotherm mit Umgebungsluft verbrannt wird.
Das Verdichtungsverhältnis £ in den Brennräumen ist
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jeweils kleiner als 9 : 1, insbesondere kleiner als 8 : 1 gewählt, wobei VH = Hubvolumen, Vκ = Kompressionsvolumen der Brennräume. Ferner weist die Brennkraftmaschine 2.1 einen weiteren Hubkolbenzylinder 2.3 (Expansionszylinder) für eine anschließende weitere Expansion der Verbrennungsgase auf (Fünfter Takt) . Dieser entspannt aus den beiden Verbrennungszylindern 2.2 übergeleitete Verbrennungsgase und schiebt diese über einen Abgas-Auslass in eine nachgeschaltete Abgasleitung 6.1, 6.2. Der weitere Hubkolbenzylinder 2.3 (Expansionszylinder) arbeitet bevorzugt in einer Art Zweitaktverfahren, wobei das Abgas der Verbrennungszylinder 2.2 unter Abgabe von mechanischer Arbeit im wesentlichen adiabat entspannt wird. Der Kolben des ExpansionsZylinders 2.3 gibt seine Leistung wie die Kolben der anderen beiden Zylinder 2.2 bevorzugt an eine gemeinsame Abtriebswelle 2.4 (Kurbelwelle) ab (vgl. insbesondere Fig. 3) .
An die Kurbelwelle 2.4 ist über eine Kupplung und/oder ein Getriebe ein erster elektromechanischer Energiewandler G („Generator") angekoppelt . Eine konkrete Ausgestaltung des ersten elektromecha- nischen Energiewandlers G kann der US 2009/0224628 Al entnommen werden, auf die hinsichtlich des Aufbaus (insbesondere zur Konstruktion des Stators und des Rotors unter Verwendung von Permanentmagneten) und der Betriebsbedingungen des Generators G vollumfänglich Bezug genommen wird. Dieser Generator G tauscht mit Hilfe einer Leistungselektronik E über elektrische Verbindungskabel 2.5, 2.6 elektrische Energie mit einer Speichereinheit B für elektrische Energie („Batterie", Akkumulator) aus. Ein Prozessrechner bzw. eine Ansteuerungseinheit C regelt dabei sowohl den Betriebszustand des Generators G als auch den Betriebszustand der Batterie B und den der Brennkraftmaschine 2.1. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges 1 wird der erste elektromechanische Energiewandler G zum überwiegenden Teil als Generator benutzt, um mechanische Energie der Brennkraftmaschine 2.1 abzugreifen und in Form von elektrischer Energie an die Batterie B zu transferieren. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges 1 kann der Generator G auch zum Starten und Beschleunigen der Brennkraftmaschine 2.1 aus dem Stillstand heraus benutzt werden. Dabei ist es zu bevorzugen, die Brennkraftmaschine 2.1 mit Hilfe des ersten elektromechanischen Energiewandlers G möglichst rasch von einem Ruhezustand (Stillstand) in den optimalen Betriebszustand zu über- führen, indem die Brennkraftmaschine 2.1 durch den Generator G in einen Betriebszustand mit Nenndrehzahl geschleppt wird. Die Nenndrehzahl soll erfindungsgemäß in einem Bereich des (mathematischphysikalischen) Drehmoment -Drehzahl -Diagramms der Brennkraftmaschine liegen, in der die Brennkraftmaschine einen besonders niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist. Ebenso ist der erste elektromechanische Energiewandler G vorgesehen, der dann arbeitenden Brennkraftmaschine 2.1 eine Nennlast zur Verfügung zu stellen, die ebenfalls in einem Bereich des Drehmoment -Drehzahl -Diagramms der Brennkraftmaschine liegt, in der die Brennkraftmaschine einen besonders niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist. Bei Nenndrehzahl und Nennlast soll erfindungsgemäß auch der Generator G einen möglichst optimalen Wirkungsgrad aufweisen, insbesondere nicht mehr als 15 % von seinem maximalen Wirkungsgrad abweichen.
Gemäß Fig. 1 ist der Brennkraftmaschine also ein elektromechanischer Energiewandler in Form eines Generators G zugeordnet, der mit oder ohne Getriebe bzw. Kupplung mechanisch mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 2.1 gekoppelt ist und von der Brennkraftmaschine 2.1 angetrieben werden kann. Der Generator G kann, wie in Fig. 3 im Detail dargestellt, läuferseitig direkt auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gesetzt sein. Der Generator G ist derart ausgelegt, dass er bei dem (für die Brennkraftmaschine 2.1 gewählten) Bestpunkt selbst ebenfalls einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, wobei die abzugebenden Ströme und die Spannung (en) des Generators G wiederum mit der Strom- Speichereinheit B abgestimmt sind. Dadurch dass das bisher beschriebene Teilsystem (Brennkraftmaschine, Generator, Elektronik, Batterie) im wesentlichen bei denselben Bedingungen arbeitet, können sämtliche konstruktiven Parameter auf diese Bedingungen hin optimiert werden.
Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel quasi stationär bei einer Nenndrehzahl von 2000 U/min mit einem nahezu konstanten Drehmoment von 150 Nm gegen die Last des ersten elektromechanischen Energiewandlers G betrieben. Eine bevorzugte Schwankungsbreite der Drehzahl während eines Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges 1 beträgt hierbei 500 U/min um die Nenn- drehzahl (also ca. +/- 250 U/min) . Darüber hinaus kann auch die Nenndrehzahl selbst in einer solchen Bandbreite (ggf. dauerhaft) verstellt werden - abhängig beispielsweise von dauerhaft geänderten Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine, von (variierenden) Kraftstoffeigenschaften oder Umgebungsbedingungen. Auch eine bedarfs- abhängige Schwankung des Drehmoments von +/- 30 Nm um den Nennwert bzw. eine dauerhafte Verstellung der Lastbedingungen an der Brennkraftmaschine 2.1 innerhalb einer solchem Bandbreite ist erfindungsgemäß möglich (insbesondere auch dann, wenn eine Verstellung einem sich ändernden (Gesamt-) Wirkungsgradmaximum der Antriebseinheit folgt) .
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Brennkraftmaschine bei einer Nenndrehzahl von ca. 3500 U/min und einem Nenndrehmoment von ca. 100 Nm quasi stationär betrieben. Die Leistungsparameter der zueinander gehörigen Komponenten Brennkraftmaschine, Generator, Leistungselektronik und Batterie sind dabei entsprechend auf diesen Betriebszustand abgestimmt.
Die Brennkraftmaschine wird bevorzugt solange insbesondere bei Nennbedingungen betrieben bis die Batterie B durch Zufuhr elektrischer Energie bei einem Anteil von 75 % (oder ggf. wahlweise auch von 85 % oder 100 %) der für den Betrieb vorgesehenen maximalen Speicherkapazität (Soll-Ladezustand SOC) angekommen ist. Beim Erreichen eines solchen Ladezustands der Batterie soll durch die Rechnereinheit C die Brennkraftmaschine 2.1 stillgesetzt und erst bei Bedarf, z.B. bei Absinken des Ladezustands auf unter 50 % auf unter des Soll -Ladezustands SOC (oder bei einem Ladezustand von 45 % oder 60 % des Soll-Ladezustands) oder bei Leistungsanforderungen des Kraftfahrzeugs oberhalb des Leistungsniveaus der Batterie B wieder gestartet werden. Dabei entsprechen 100 % des Soll-Ladezustands bevorzugt zwischen 50 % und 75 % des physikalisch möglichen Maximalladezustands der Batterie. Das Niveau des Soll-Ladezustands wird bevorzugt in Abhängigkeit von durchschnittlichen Stillstandszeiten des Fahrzeugs gewählt.
Zur Komplettierung des seriellen Hybridantriebs weist die Antriebseinheit 2 des Kraftfahrzeugs 1 (wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist) einen weiteren elektromechanischen Energiewandler in Form einer (Antriebs-) Motor-Generatoreinheit M/G auf. Die (Antriebsmotor-) Generatoreinheit M/G ist beispielsweise über ein Differential D und/oder ein Getriebe (nicht dargestellt) mit einer Antriebswelle (Radwelle 4) verbiinden, die unmittelbar die Räder des Kraftfahrzeugs antreibt.
Der weitere elektromechanische Energiewandler M/G (Motor-Generatoreinheit) tauscht via Verbindungskabel 2.6, 2.7 und Elektronik E ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit B für elektrische Energie aus. Der Prozessrechner bzw. die Ansteuerungseinheit C regelt dabei sowohl den Betriebszustand der Motor-Generator-Einheit M/G als auch den Betriebszustand der Batterie B. Dabei sind die Betriebsparameter der Motor-Generator-Einheit M/G auf das Betriebsverhalten des Kraftfahrzeuges abgestimmt, da die Motor-Generator- Einheit M/G ihre Energie aus der Batterie bezieht und über diese insbesondere von den Komponenten Brennkraftmaschine und Generator weitgehend entkoppelt ist .
In einem (nicht dargestellten) modifizierten Ausführungsbeispiel können für die den Rädern einzeln zugeordnete Achsen separate Antriebs-E-Motoren vorgesehen sein, die wiederum ihre Leistung aus einer zentralen Strom- Speichereinheit entnehmen könnten. Eine oder mehrere Antriebsmotor-Generatoreinheiten M/G dienen erfindungsgemäß als Fahrmotoren, die das erforderliche Drehmoment für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs an die Räder übertragen. .
In einem weiteren (nicht dargestellten) modifizierten Ausführungsbeispiel können sowohl die Motor-Generatoreinheit M/G als auch die Brennkraftmaschine über ein Differential und/oder ein (Planeten-) Getriebe und/oder eine Kupplung an die Radwelle 4 angekuppelt bzw. ankuppelbar sein, so dass sich eine alternative Konfiguration der Antriebseinheit 2 ergibt . Insbesondere bei einem Langstreckenbetrieb des Kraftfahrzeuges bei weitgehend gleichbleibender und hoher Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs kann es auch sinnvoll sein, einen Lastanteil der Brennkraftmaschine mechanisch an die Radwelle 4 zu übertragen. Dieser Lastanteil kann niedriger als die Nennlast der Brennkraftmaschine 2.1 sein, wenn zugleich die Batterie B geladen wird. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel weist eine Brennkraftmaschine 2.1 für eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 2 mehrere aus je zwei Hochdruckzylindern und je einem (wesentlich) größeren Expansionszylinder (Niederdruckzylinder) bestehende Zylindergruppen auf. Die genannten Zylindergruppen können zueinander in Reihenform, in V-Form, in Boxenform oder in Sternform angeordnet sein (nicht näher dargestellt) .
In weiteren modifizierten Ausführungsbeispielen werden Massenkräfte zweiter Ordnung durch mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegte Ausgleichsmassen im Bedarfsfall ausgeglichen. Hierzu ist eine über ein festes Getriebe an die Kurbelwelle gekoppelte Ausgleichswelle mit Ausgleichsmassen vorgesehen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, die Massen der Kolben der Verbrennungszylinder summiert einerseits und des Kolbens des Expansionszylinders andererseits unterschiedlich zu gestalten, insbesondere könnten die Einzelmassen in etwa gleich (speziell gleich niedrig) gestaltet sein.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 2 gemäß Fig. 2 beinhaltet eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, welche aus der DE 60116942 T2 im Detail entnehmbar ist. Die DE 60116942 T2 wird hinsichtlich eines möglichen Aufbaus und prinzipieller Betriebsverfahren der Brennkraftmaschine
2.1 vollumfänglich zum Bestandteil dieser Anmeldung gemacht. Insbesondere ist in einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine in der DE 60116942 T2 im Detail erläuterte Abgasturbolader-Einheit 7 (Abgasturbolader, ATL) vorgesehen, die in die Abgasleitungen 6.1,
6.2 eingeschaltet ist. Mittels der Abgasturbolader-Einheit 7 wird aus der Brennkraftmaschine entlassenes Abgasgemisch entspannt und mittels der rückgewonnenen Energie Frischluft zur Zuführung an die Brennkraftmaschine vorverdichtet. Dazu wird das vom Expansionszylinder 2.3 ausgeschobene Abgas über die Abgasleitung 6.1 einer Entspannungsturbine des Abgasturboladers 7 zugeführt. Die gewonnene mechanische Energie wird von der Entspannungsturbine an ein Verdichterrad des Abgasturboladers 7 übertragen, mit dem der Brennkraftmaschine 2.1 zuzuführende Umgebungsluft vorverdichtet werden kann. Dem ATL nachgeschaltet ist ein Abgasreinigungskatalysator CC. Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine 2.1 („5-Takt-Motor") besonders effizient im wesentlichen stationär mit nahezu konstanter Drehzahl (oder in einem kleinen Drehzahlbereich von +/- 250 U/min um die Nenndrehzahl) betrieben und in ein serielles Hybridsystem integriert, wie sich aus der weiteren Beschreibung ergibt. Die konstante Drehzahl sowie die damit abzugebende Leistung der Brennkraftmaschine werden bevorzugt so gewählt, dass ein Punkt möglichst guter Effizienz bzw. maximalen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine (Bestpunkt) möglichst gut angenähert wird. Wenn die Brennkraftmaschine nicht (mehr) benötigt wird, kann sie stillgesetzt werden und zur gegebenen Zeit wieder gestartet werden. Der Bestpunkt liegt erfindungsgemäß in einem Drehzahlbereich von 1000 U/min bis ca. 5000 U/min, insbesondere zwischen 1000 U/min bis ca. 3500 U/min.
Grundsätzlich ist ein serielles Hybridsystem für einen Fahrantrieb mit einer durchschnittlichen Antriebsleistung von wesentlich mehr als 30 kW auslegbar. Erfindungsgemäß wird ein solches Gesamtsystem so ausgelegt, dass die dauerhaft mittels Brennkraftmaschine 2.1 und Generator G abgebbare Leistung kleiner oder gleich groß ist wie die zu benötigende Antriebsleistung bei gesetzlicher oder anderweitig vorher festgelegter Höchstgeschwindigkeit und/oder bei vorher festgelegter Dauerreisegeschwindigkeit. Erfindungsgemäß werden für Dauerreisegeschwindigkeiten eines Mittelklasse-PKW von 125 km/h, 145 km/h bzw. 160 km/h Nennleistungswerte von 28 kW, 40 kW bzw. 60 kW gewählt. Für kleinere oder größere Fahrzeuge sind entsprechend abweichende Werte vorgesehen.
Aus Fig. 6 ergibt sich eine bevorzugte Auslegung eines Antriebskonzepts für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 gemäß den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die durch die Brennkraftmaschine 2.1 samt Generator G zur Verfügung gestellte elektrische Leistung soll gerade so hoch sein, dass eine vorbestimmte Soll -Geschwindigkeit vDmaχ auf Dauer durch die Brennkraftmaschine 2.1 und den unmittelbar angekoppelten Generator G bei Nennleistung darstellbar ist. Erfindungsgemäß wird eine solche Dauerhöchstgeschwindigkeit vDmax bei ca. 120 km/h festgelegt. Anhand einer Fahrwiderstandskurve FK eines Mittelklassefahrzeuges gemäß Fig. 6 kann dazu eine zu installierende Nenn-Leistung PN von Generator G und Brennkraftmaschine 2.1 ermittelt werden: Dies sind bei 120 km/h Dauergeschwindigkeit des Fahrzeuges ca. 28 kW, was sich aus den kartesischen Koordinaten des Punktes Fl auf der Fahrwiderstandslinie FK ergibt.
Darüber hinausgehende Leistungserfordernisse (höhere Steigungen, höhere Geschwindigkeiten, höhere Nutzlasten) sollen kurzfristig durch eine zeitlich begrenzte Energieentnahme aus einer „Pufferbatterie" B (bzw. aus dem Akkumulator) bestritten werden. Eine solche „Pufferbatterie" kann erfindungsgemäß ca. 6 kWh Energiemenge speichern, mit der gemäß Fig 6 eine Fahrgeschwindigkeit Vx des Kraftfahrzeuges von 185 km/h in der Ebene über eine Zeitdauer von 5 min möglich wäre (Punkt F2) . Mit derselben Energiemenge wäre hingegen eine Fahrgeschwindigkeit vy von 140 km/h für einen Zeitraum von ca. 25 min realisierbar (Punkt F3) bis zu einer weitgehenden Entladung der Batterie B. Nach Entladung der Batterie B soll das Fahrzeug erfindungsgemäß unterhalb des Punktes Fl bewegt werden, um eine sukzessive Wiederaufladung der Batterie B zu ermöglichen.
Der beschriebenen Konfiguration sind für heute übliche Personenkraftwagen Hubräume zwischen 0,6 1 und 1,6 1 am 5 -Takt -Motor notwendig. Durch die Nutzung des elektromotorischen Betriebszustandes sind im realen Fahrbetrieb alle Lastzustände im Stadtverkehr elektrisch abgedeckt. Ab Geschwindigkeiten von ca. 60 km/h wird die Brennkraftmaschine 2.1 zeitweilig zugeschaltet, und die Batterie B wird zeitweilig geladen - bei gleichzeitiger Entnahme von Energie durch die (Antriebs- ) Motor-Generatoreinheit M/G.
In der Kombination der verschiedenen Antriebskomponenten („5-Takt- Motor", Generator, Batterie und Elektro-Antriebsmotor) sollen die prinzipiellen Vorteile der Komponenten jeweils voll genutzt und die entsprechenden Nachteile der Einzelkomponenten vermieden werden. Dies geschieht besonders dadurch, dass der Strang „Brennkraftmaschine - Generator - Batterie" vom Strang „Antriebs-E-Motor - Batterie" prinzipiell entkoppelt und sodann die Brennkraftmaschine samt Generator nahe einem Bestpunkt betrieben werden kann. Weitere konstruktive Details weiterer erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen können insbesondere den Fig. 3, 3a, 4 und 5 entnommen werden. Bezugszeichen gleicher oder gleichartiger Bauteile sind gleich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen gewählt. Im übrigen sind die in den Fig. 3, 3a, 4 und 5 dargestellten Brennkraftmaschinen 2.1 in Kraftfahrzeugen gemäß den Fig. 1 und 2 (samt Varianten) ggf. auch in Kombination miteinander einsetzbar. Ebenso sind sie in einer Baugruppe nach Fig. 5a einsetzbar.
Weitere Details einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2.1 sind aus Fig. 3 (einem vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen 5 -Takt -Motor) sowie aus Fig. 4 (einem vergrößerten Detail desselben Motors) entnehmbar. Die Verbrennungszylinder 2.2 (Viertaktzylinder) werden bevorzugt in einem Viertaktverfahren betrieben, weshalb ihnen jeweils ein Einlassventil 12 sowie ein Auslassventil 13 in einem Zylinderkopf K zugeordnet sind. Die Ventile werden im Betrieb (in an sich bekannter Weise) von einer Nockenwelle 14 zu einer Translationsbewegung gegen die Kräfte jeweils einer Schließfeder 19 veranlasst, wobei die Nockenwelle 14 über ein Riemen- oder Kettengetriebe 15 an die Kurbelwelle 2.4 gekoppelt und am Zylinderkopf K gelagert ist. Zündkerzen sind nicht dargestellt, werden aber für die Durchführung eines Viertakt-Otto- Brennverfahrens bevorzugt verwendet .
Die Verbrennungszylinder 2.2 sind mit dem Expansionszylinder 2.3 im wesentlichen in ein und derselben Ebene angeordnet, wobei die jeweiligen Kolben der Zylinder 2.2, 2.3 über bevorzugt gleich lange Pleuelstangen auf die gemeinsame Kurbelwelle 2.4 einwirken. Bevorzugt ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kolbenmasse des Kolbens 11 im Expansionszylinder 2.3 zirka doppelt so groß gewählt wie die Masse eines Kolbens in einem Brennraum eines Verbrennungszylinders 2.2. Ferner ist der Durchmesser des Expansionszylinders 2.3 um ca. 25 % bis 45 %, insbesondere um ca. 40 % größer gewählt als der Durchmesser eines Brennraums V. Weiter vorteilhaft ist das Hubvolumen des Expansionszylinders 2.3 um ca. 100 % größer als das Hubvolumen eines Verbrennungszylinders. Insbesondere ist aus Fig. 3 ersichtlich, dass die Verbrennungszylinder 2.2 mit geringem seitlichem Abstand und in einer Reihe mit dem Expansionszylinder 2.3 angeordnet sind. Darüber hinaus ist der Expansionszylinder 2.3 gegenüber beiden VerbrennungsZylindern 2.2 in Richtung des Zylinderkopfes K nach oben versetzt angeordnet, so dass im Zylinderkopf K jeweils ein Überströmkanal 16 zwischen den Verbrennungs- Zylindern 2.2 einerseits und dem Expansionszylinder 2.3 andererseits ausgestaltet sein kann. Ein Überströmkanal 16 weist am oberen stirnseitigen Ende des Brennraums eines Verbrennungszylinders 2.2 eine im wesentlichen kreisrunde Öffnung L (Auslassöffnung des Verbrennungszylinders) auf, die vom Auslassventil 13 des zugehörigen Verbrennungs - Zylinders 2.2 verschlossen werden kann. Der Überströmkanal 16 weist über seine Länge zunächst einen kreisrunden Querschnitt und schließlich einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, mit dem er am oberen Ende in den Expansionszylinder 2.3 mündet. Vorzugsweise weist der Überströmkanal 16 eine Länge von weniger als 5 cm auf.
Vorteilhafterweise weisen die Überströmkanäle 16 nicht nur eine geringe Länge sondern auch eine geringe Krümmung mit entsprechend reduziertem Umlenkwinkel auf (mit einer Richtungsänderung von beispielsweise 70° bis 90°) - entsprechend gering ist der schädliche Totraum in den Überströmkanälen 16.
Erfindungsgemäß erfolgt die Überleitung der Gase aus dem Verbrennungszylindern 2.2 somit durch schlitzförmige Öffnungen 17 in der zylindrischen Wand des ExpansionsZylinders 2.3 mit einer Strömungsrichtung in etwa senkrecht zur Zylinderachse des Expansionszylinders 2.3.
Weiter erfindungsgemäß ist das Verdichtungsverhältnis ε der Verbrennungszylinder 2.2 gegenüber üblichen Werten (ε = 9,5) , wenn also keine nachfolgende weitere Expansion folgt, um 10 % bis 20 % gesenkt (also erfindungsgemäß ε = 8,55 bis 7,6) und im zusätzlichen Expansionszylinder erhöht. Bei den bisherigen Motoren ohne zusätzliche Expansion wird das Verdichtungsverhältnis (gleich Expansionsverhältnis) so hoch wie möglich gewählt. Daraus entstehen die höchsten Anforderungen an die Klopffestigkeit des Kraftstoffs und die höchsten Drücke bzw. Kräfte auf viele Teile. Demgegenüber wird erfindungsgemäß ein deutlicher Vorteil erreicht, indem die Verbrennungszylinder 2.2 strukturell niedrigere Belastungen erfahren.
Aus Bild 4 ist die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 3 für eine erfin1 dungsgemäße Antriebseinheit ausschnitthaft in einem teilweisen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine 2.1 dargestellt (bzw. ein Schnitt durch eine einzelne Zylindergruppe) . Besonders gut erkennbar sind hierbei die von Auslassventilen 13 absperrbaren Überströmkanäle 16 zwischen den 4 -Takt -ZyIindem 2.2 (Brennraum- Zylinder; in Fig. 4 rechts und links) sowie dem zentralen, größeren Expansionszylinder 2.3. Bevorzugt weist der Expansionszylinder eine gegenüber den Brennraum- ZyIindem 2.2 vergrößerte Länge und/oder einen gegenüber den Brennraum- ZyI indem 2.2 vergrößerten Durchmesser auf.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Wände des zusätzlichen Expansionszylinders 2.3 eine den Wärmeverlust mindernde Beschichtung Tl, T2 , T3 , T4 aus dafür geeignetem Material aufweisen. Ein ringförmiger Bereich nahe des Zylinderkopfes K (bzw. benachbart zum Zylinderkopf K) kann dabei eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder einen ringförmigen Einsatz Tl aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Erfindungsgemäß sind beispielsweise Beschichtungen oder Einsätze aus Edelstahl, insbesondere aus Nickelhaltigern Stahl oder aus einer Keramik, weiter bevorzugt aus einem Aluminiumoxid, aus einem (Hart-) Eloxal , Nickel, Titan oder dergleichen vorgesehen. Auf der übrigen Zylinder-Wandung des ExpansionsZylinders 2.3 kann optional eine bis zu 100 μm dicke Beschichtung oder Oberflächenbehandlung T2 aus ähnlichem Material vorgenommen werden. Auch an der Unterseite des Zylinderkopfes K kann im Bereich des Expansionszylinders 2.3 eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder einen scheibenförmiger Einsatz T3 aus einem der oben genannten Materialien mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein. Schließlich ist besonders bevorzugt auch an einer Oberseite des Kolbens 11 des ExpansionsZylinders eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder ein kuppeiförmiger Aufsatz T4 aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Kolben des ExpansionsZylinders zu mehr als 50 % seines Volumens aus einem keramischen Material hergestellt.
In den Brennraum- ZyI indem 2.2 müssen die Wände durch eine Flüssigkeitskühlung auf verhältnismäßig niedriger Temperatur gehalten werden damit die Menge der Ladung nicht durch Erwärmung an den Wänden kleiner wird und es darf keine Zündung durch Verdichtung an einer heißen Wand entstehen. Diese Forderungen entfallen jedoch beim Expansionszylinder 2.3, so dass bei konstant hoher Temperatur (insbesondere in adiabater Entspannung) mechanische Arbeit gewonnen werden kann und weniger Kühlwärme abgeführt werden muss.
In modifizierten Ausführungsbeispielen sind für den Expansionszylinder 2.3 Zylinderbüchsen aus keramischen Werkstoffen, insbesondere nickelhaltigem Edelstahl, Titan oder dergleichen vorgesehen.
Weiter erfindungsgemäß ist dem Expansionszylinder mittig, d.h. bevorzugt mit identischer (Symmetrie-) Achse ein Auslassventil 18 zugeordnet, über das Abgas das aus dem zusätzlichen Expansionszylinder in die Abgasanlage überführt werden kann. Das den Abgas - Auslass H, 20 des ExpansionsZylinders (2.3) sperrende Auslass- (Hub) ventil 18 weist eine Hauptachse auf, die parallel zur Hauptachse AH des Expansionszylinders ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist.
Das genannte Auslass- (Hub) ventil 18 kann ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff und/oder aus einem Leichtmetall wie Titan hergestellt sein und/oder mit einer keramischen Beschichtung versehen sein. Die geringe Masse wirkt sich positiv aus, z.B. auf Geräusche und geringere Massenkräfte. Eine geringere Wärmeableitung in Verbindung mit einer erhöhten Ventiltemperatur kann zu einer Reduzierung der Wärmeverluste des Expansionszylinders führen.
Gemäß Fig. 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hinsichtlich ihres Zylinderkopfes K dargestellt. Dabei zeigt Fig. 3a beginnend von rechts oben: Längs- schnitt durch den Zylinderkopf K einer Brennkraftmaschine ähnlich der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Brennkraftmaschine; einen Querschnitt durch den Zylinderkopf im Bereich des Expansionszylinders entlang der Linie I -I; Ansicht von unten auf den Zylinderkopf entlang der Ebene II-II.
In Fig. 3a ist in der rechten oberen Abbildung eine Ansicht auf eine schlitzförmige Auslassöffnung 17 des Überströmkanals im Expansionszylinder dargestellt. Die in etwa sichelförmige dreidimensionale Gestaltung der Überströmkanäle ist auch aus der linken oberen Abbildung in Fig. 3a entnehmbar. Ferner sind die Einlassöffnungen I sowie die Auslassöffnungen A der Verbrennungszylinder ebenso gut erkennbar wie die (einzige) Auslassöffnung H des Expansionszylinders, wobei durch letztere das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine in einen nicht im Detail dargestellten Abgastrakt gelangt.
In Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein Ansaugventil 12 einer Brennkraftmaschine 2.1 für eine weitere, modifizierte erfindungsgemäße Antriebseinheit 2 gezeigt. Wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass die Brennkraftmaschine nach Fig. 5 eine im wesentlichen vollständige Kapselung 50 aufweist, die als Wärme- und Schallisolierung dient. Eine derartige erfindungsgemäße Kapselung 50 soll insbesondere durch ein Ansaugrohr 2OA, eine Abgasrohrleitung sowie ggf. eine oder mehrere Elektrizitätsleitungen (Kabel) sowie eine Kraftstoffleitung durchdrungen werden. Ansonsten könnte eine solche optimierte Isolierung vollständig geschlossen sein. Erfindungsgemäß kann die Isolierung durch eine Kunststoffkapsei 51 mit eingeschlossener Luftschicht, durch eine Schaumstoff -Ummantelung 52 und/oder eine sonstige Einhausung mit niedrigen Wärmedurchgangszahlen ausgestaltet werden. In bevorzugter Weise wird die Isolierung im Bereich eines Abgasrohres 6.2 fortgesetzt, so dass das einem Abgasreinigungs- katalysator CC zugeführte Abgas möglichst warm am Katalysator ankommt. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kapselung mehrere unterschiedliche I solierungs-Elemente 50, 51, 52, die sich über mindestens 80 % der Außenoberfläche der Brennkraftmaschine erstrecken, so dass diese gegen Wärmeverluste infolge Wärme- abstrahlung und Umgebungsluftanströmung wirksam geschützt ist. In Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit, insbesondere der Brennkraftmaschine nach Fig. 5 eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 1000C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 200C Lufttemperatur) und bei einer Fahrtwindanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h um weniger als 3 K pro Minute absinkt. Hierzu ist eine Abschätzung in den Fig. 5b und Fig. 5c dargestellt, aus denen sich ein beispielhafter Verlauf der Motorkern-Temperatur MT ergibt, wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist und ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug einen NEFZ- Fahrzyklus durchfährt. Vorzugsweise wird die Motorkerntemperatur MT erfindungsgemäß am Zylinderkopf K oder am Kurbelgehäuse gemessen.
In Fig. 5c sind (neben der Motorkerntemperatur MT) in durchgezogener Linie der Batterieladezustand SOC [in Prozent vom Maximum] sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit v [in km/h] über der Test-Zyklus-Zeit [in Sekunden] dargestellt. Für die Bestimmung der Daten wird ein Kraftfahrzeug mit folgenden Daten angenommen: Masse m = 1300 kg, Luftwiderstandsbeiwert cw = 0,32, Stirnfläche A = 2,17 m2, fR = 0,01, λ = 1,11; iges 6,5, f_rek =0,9.
In Fig 5a sind ein System und ein Verfahren zu einer erfindungsgemäßen Abgasenergierückgewinnung veranschaulicht, das mit den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann. Entsprechend sind für gleiche oder gleichwirkende Elemente identische Bezugszeichen vergeben.
Das System zur Abgasenergierückgewinnung umfasst ähnlich wie beim Kraftfahrzeug 1 nach Fig. 2 eine erfindungsgemäße mehrzylindrige Brennkraftmaschine 2.1 nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, einen Abgasturbolader 7 sowie einen Abgaskatalysator CC. Über einen Expansionszylinder 2.3 der Brennkraftmaschine 2.1 (5-Takt- Motor, s.o.) wird in einer ersten Stufe Energie aus dem Abgas entnommen, indem das Abgas im Expansionszylinder 2.3 nachentspannt wird. Wärme und Druck des Abgases werden quasi wie in einem fünften Arbeits- takt in mechanische Arbeit umgewandelt und direkt auf die Kurbelwelle 2.4 der Brennkraftmaschine 2.1 gebracht. Das so entspannte Abgas wird über eine Abgasleitung 6.1 dem Abgasturbolader 7 zugeführt. In einer zweiten Stufe wird dem Abgas mittels des Abgasturboladers 7 weitere Energie entzogen bevor das Abgas in eine Abgasnachbehandlungsanlage (Katalysator CC) gelangt. Der Abgasturbolader verdichtet Verbrennungs - luft, die über ein Ansaugrohr 2OA den VerbrennungsZylindern 2.2 zugeführt wird, und transferiert so auf die zu verdichtende Verbrennungsluft aus dem Abgas entnommene Energie.
In einer dritten Stufe kann beispielsweise in einem Kaltstart- Prozess restliche Abgaswärme (nach dem Katalysator CC) über einen Abgas/Wasser-Wärmetauscher W an einen Kühlwasserkreislauf 2.8 der Brennkraftmaschine 2.1 übertragen werden. Für letzteres ist eine Regelklappe 6.3 in einem Abgasabzweigrohr 6.4 angeordnet. Wie aus Fig. 5a deutlich wird, soll das so abgekühlte Abgas in einem KaIt- start-Prozess nach einem Luftfilter F der Brennkraftmaschine in ein Ansaugrohr 2OB zurückgeführt werden, wodurch sich quasi eine vierte Stufe der Energierückgewinnung bzw. Energierückhaltung ergibt.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sowie aus den Unteransprüchen in beliebiger Kombination.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebseinheit insbesondere für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Brennkraftmaschine (2.1) mit wenigstens zwei Brennräumen (V) , insbesondere in Verbrennungszylindern (2.2) , in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen (V) beweglich gelagerte Kolben (Z) eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben (Z) eine Abtriebswelle (2.4) (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen (V) ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansionszylinders (2.3) zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen (V) ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (2.4) entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass (20, 6.1) übergeführt wird, wobei ein erster elektromechanischer Energiewandler (G) mechanisch an die Abtriebswelle (2.4) der Brennkraftmaschine (2.1) gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie (B) austauscht, und wobei ein weiterer elektromechanischer Energiewandler (M/G) mechanisch mit wenigstens einer Radwelle (4) des Kraftfahrzeugs (1) gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit (B) für elektrische Energie austauscht .
2. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) in einem überwiegenden Betriebszustand näherungsweise stationär in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben oder stillgesetzt ist.
3. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) wenigstens zwei nach einem Viertakt -Verfahren betriebene Brennräume (V) sowie einen auf dieselbe Abtriebswelle wirkenden Expansionszylinder (2.3) aufweist, in dem aus den Brennräumen (V) ausgeschobenes Abgasgemisch nachentspannt wird, wobei der erste elektromechanische Energiewandler (G) mit der Abtriebswelle (2.4) der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelt ist und überwiegend als Generator betrieben wird zum Aufladen der Speichereinheit (B) für elektrische Energie, wobei der weitere elektromechanische Energiewandler (M/G) als Antriebs- und Bremseinheit für die wenigstens eine Radwelle (4) des Kraftfahrzeugs (1) vorgesehen ist, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) im Betrieb mit einer um weniger als 500 U/min schwankenden Drehzahl (quasi stationär) , insbesondere in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben oder stillgesetzt ist.
4. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei
- der Brennkraftmaschine (2.1) ein Abgasturbolader (7) zugeordnet ist, der das aus dem Expansionszylinder (2.3) abgeführte Abgasgemisch in einem Abgasturbolader (7) weiter entspannt, wobei den Brennräumen (V) zuzuführende Luft mit Hilfe des Abgas - turboladers vorverdichtet wird.
5. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) zwei in gleichmäßigem Zündabstand von 360° arbeitende Viertaktzylinder (2.2) sowie einen zusätzlichen, größeren Expansionszylinder (2.3) für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei - der Expansionszylinder (2.3) abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern (2.2) aufgenommene Verbrennungsgase in einem Zweitaktverfahren entspannt, wobei
- die Überleitung der Gase aus den Viertaktzylindern durch Öffnungen (17) in einer zylindrischen Wand des Expansions- zylinders (2.3) , insbesondere mit einer Strömungsrichtung in etwa senkrecht zur Zylinderachse erfolgt.
6. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei wenigstens eine Wandung des zusätzlichen Expansionszylinders (2.3) und/oder eine Wandung des im Expansionszylinder geführten Kolbens (11) eine Wärmeverluste mindernde Schicht (Tl, T2 , T3 , T4) aus einem Material aufweisen, dessen Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ist als 200 W/ (m*K) , insbesondere niedriger als 50 W/ (m*K) .
7. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Brennkraftmaschine (2.1) eine thermisch wirksame Isolierung (50, 51, 52) derart zugeordnet ist, dass eine Innentemperatur (MT) der Brennkraftmaschine von mehr als 1000C bei Norm-Umgebungsbedingungen, insbesondere bei 200C Umgebungstemperatur, um weniger als 3 K pro Minute absinkt.
8. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das den Abgas -Auslass (H, 20) des Expansionszylinders (2.3) sperrende Auslass-Hubventil (18) ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit λ insbesondere niedriger gewählt ist als 50 W/ (m*K) .
9. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das den Abgas-Auslass (H, 20) des Expansionszylinders (2.3) sperrende Auslass- (Hub) ventil eine Hauptachse aufweist, die parallel zur Hauptachse (AH) des ExpansionsZylinders (2.3) ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist.
10. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) eine erste Zylindergruppe mit zwei in gleichmäßigem Zündabstand arbeitenden Viertakt - Zylindern (2.2) sowie einem zusätzlichen, Expansionszylinder (2.3) für eine anschließende Expansion des Abgas- gemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei der Expansionszylinder (2.3) abwechselnd aus den beiden ViertaktZylindern (2.2) aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei die Brennkraftmaschine wenigstens eine zweite Zylindergruppe aufweist, die im wesentlichen gleich der ersten Zylindergruppe ausgestaltet und insbesondere in V-Form, Stern-Form oder Boxer-Form mit einem Winkel größer 0° zur ersten Zylindergruppe geneigt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Zylindergruppe eine gemeinsame Abtriebswelle (2.4) antreiben.
11. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei
Massenkräfte zweiter Ordnung durch mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegte Ausgleichsmassen ausgeglichen werden
12. Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen (1) mit einer Antriebseinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, wobei der Antriebseinheit (2) , insbesondere der Brennkraftmaschine (2.1) eine thermisch wirksame Isolierung (50, 51, 52) derart zugeordnet ist, dass eine Innentemperatur (MT) der Brennkraftmaschine (2.1) von mehr als 1000C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 200C Lufttemperatur) und bei einer Fahrt- windanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h um weniger als 3 K pro Minute absinkt.
14. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Brennkraftmaschine (2.1) eine erste Zylindergruppe mit zwei ViertaktZylindern (2.2) sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder (2.3) für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei der Expansionszylinder (2.3) abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern (2.2) aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei der Zylindergruppe ein gemeinsamer Abgas-Auslass (20) sowie eine anschließende gemeinsame, thermisch isolierte Abgasrohrleitung (6.1) aufweist, deren radiale Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ausgelegt ist als 50 W/ (m*K) .
15. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei
- der Brennkraftmaschine im Bereich einer Abgasrohrleitung (6.1, 6.2) ein Katalysator (CC) zugeordnet ist, wobei
- in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator Abgas aus der Abgasrohrleitung (6.2) entnommen wird und über eine gezielte Abgasrückführung zu einem Wärmetauscher (W) geleitet wird, über den Wärme vom Abgas zum Kühlwasser (2.8) transferiert wird, wobei
- das gekühlte Abgas dann entweder der Saugseite (20B) der Brennkraftmaschine (2.1) oder erneut der Abgasrohrleitung
(6.2) zugeführt wird.
16. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 15 wobei die Antriebseinheit (2) als serielles Hybridsystem derart ausgelegt ist, das die Auslegeleistung kleiner oder gleich dem zugehörigen Leistungswert gemäß der Fahrtwiderstandslinie (FK) des Kraftfahrzeugs in der Ebene ist, die bei einer definierten Referenzgeschwindigkeit (vDmax) , insbesondere bei 100 km/h, 125 km/h, bei 145 km/h oder 160 km/h erreicht wird.
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