WO2023213358A1 - Drive system for a vehicle, and vehicle equipped therewith - Google Patents

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WO2023213358A1
WO2023213358A1 PCT/DE2023/100323 DE2023100323W WO2023213358A1 WO 2023213358 A1 WO2023213358 A1 WO 2023213358A1 DE 2023100323 W DE2023100323 W DE 2023100323W WO 2023213358 A1 WO2023213358 A1 WO 2023213358A1
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Definitions

  • the present invention relates to a drive system for a vehicle that is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is obtained from an electrical storage (battery) and from an additional fuel carried by means of an internal combustion engine, without the vehicle being driven directly by the internal combustion engine is driven and a vehicle equipped with it.
  • vehicles are all vehicles driven by an electric motor, such as passenger cars, trucks, buses, motorcycles, trains, ships and other comparable vehicles.
  • Electric vehicles for example electrically operated two-wheelers, scooters and motor vehicles, but also partially electrically operated motor vehicles are known.
  • Partially electric vehicles are vehicles with a hybrid drive that, in addition to an electric motor, includes another energy converter, often a conventional combustion engine.
  • the air preheated by the charge air heater 8 is further heated by compression in the cylinders of the internal combustion engine 2.
  • the hot air flows into the exhaust system 9 and heats it and the catalytic converters to the target operating temperature. Only when the control unit 19 is notified that the target operating temperature has been reached does the internal combustion engine 2 start in combustion mode.
  • the fuel coming from the fuel tank 18 can be supplied to the internal combustion engine 2 either via a carburetor system or an injection system.

Abstract

The invention relates to a drive system for a vehicle which is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is drawn from an electrical store (accumulator) and from an additionally carried fuel by means of an internal combustion engine, without the vehicle being driven directly by the internal combustion engine, and to a vehicle equipped with said drive system. The drive system for a vehicle substantially consists of a block-forming unit, comprising a drive unit (1) and an electric motor (12) for driving the vehicle, and a battery unit (17), wherein the drive unit (1) comprises an internal combustion engine (2) having a generator (3) directly or indirectly flange-mounted on one side of the crankshaft and a charger (5) directly or indirectly flange-mounted on the opposite side of the crankshaft or a turbocharger arranged in the exhaust gas system of the drive unit (1), or the drive unit (1) comprises a free-piston engine having a linear generator.

Description

Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein damit ausgerüstetes FahrzeugDrive system for a vehicle and a vehicle equipped therewith
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, dass von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher (Akku) und aus einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, ohne dass das Fahrzeug direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben wird und ein damit ausgerüstetes Fahrzeug. Als Fahrzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sämtliche mit einem Elektromotor angetriebenen Fahrzeuge, wie z.B. Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder, Eisenbahnen, Schiffe und andere vergleichbare Fahrzeuge, zu verstehen. The present invention relates to a drive system for a vehicle that is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is obtained from an electrical storage (battery) and from an additional fuel carried by means of an internal combustion engine, without the vehicle being driven directly by the internal combustion engine is driven and a vehicle equipped with it. For the purposes of the present invention, vehicles are all vehicles driven by an electric motor, such as passenger cars, trucks, buses, motorcycles, trains, ships and other comparable vehicles.
[0002] Der Entwicklung von straßengebundenen Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb oder gemischten Antrieben mit Elektromotor und Verbrennungskraftmaschine wird derzeit weltweit große Aufmerksamkeit zuteil. Dies liegt an den Bemühungen, die Schadstoff- Emissionen, die vom derzeitigen Straßenverkehr ausgehen und insbesondere den Ausstoß von CO2 zu reduzieren. Dabei steht der Wunsch im Vordergrund, innerhalb der Städte vollständig emissionsfrei mit Elektroantrieb fahren zu können. [0002] The development of road-based vehicles with purely electric drives or mixed drives with electric motors and internal combustion engines is currently receiving great attention worldwide. This is due to efforts to reduce pollutant emissions from current road traffic and in particular CO 2 emissions. The focus is on the desire to be able to drive completely emission-free with electric drive within cities.
[0003] Aktuell beträgt die Zahl der Neuzulassungen bei den Elektro-Autos ca. 1 Million pro Jahr. Dem gegenüber stehen weltweit 70 Millionen Neuzulassungen insgesamt, bei einem Bestand von ca. 1.5 Milliarden verbrennungsbetriebenen Personenfahrzeugen. Wollte man überhaupt eine Chance haben, die ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen, dürften ab sofort nur noch Elektro-Autos zugelassen werden, die dann auch mit emissionsfreier Energie betankt werden, was unrealistisch ist. [0003] The number of new registrations of electric cars is currently around 1 million per year. This compares to a total of 70 million new registrations worldwide, with a fleet of around 1.5 billion combustion-powered passenger vehicles. If you want to have any chance of achieving the ambitious climate goals, from now on only electric cars that are then fueled with emission-free energy should be allowed, which is unrealistic.
[0004] Elektrofahrzeuge, beispielsweise elektrisch betriebene Zweiräder, Motorroller und Kraftfahrzeuge, aber auch teilelektrisch betriebene Kraftfahrzeuge sind bekannt. Teilelektrisch betriebene Fahrzeuge sind Fahrzeuge mit einem Hybridantrieb, der neben einem Elektromotor einen weiteren Energiewandler, oft einen herkömmlichen Verbrennungsmotor, umfasst. Electric vehicles, for example electrically operated two-wheelers, scooters and motor vehicles, but also partially electrically operated motor vehicles are known. Partially electric vehicles are vehicles with a hybrid drive that, in addition to an electric motor, includes another energy converter, often a conventional combustion engine.
[0005] Ferner werden heute für den Antrieb von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor praktisch ausschließlich fossile flüssige Kraftstoffe eingesetzt, deren Verfügbarkeit begrenzt ist. Es ist somit zu erwarten, dass die Preise für derartige Kraftstoffe in der Zukunft stark ansteigen werden, was die Notwendigkeit für alternative Antriebe ebenfalls erhöhen wird. [0006] Das Problem aller reinen Elektrofahrzeuge ist derzeit die begrenzte Reichweite und insbesondre das hohe Gewicht der Batterien. Auch bei der Verwendung von Hochleistungsbatterien ist es aufwendig, eine Reichweite von mehreren 100 km zu erzielen. Furthermore, today almost exclusively fossil liquid fuels are used to drive motor vehicles with internal combustion engines, the availability of which is limited. It is therefore to be expected that the prices for such fuels will rise sharply in the future, which will also increase the need for alternative drives. [0006] The problem with all purely electric vehicles is currently the limited range and in particular the high weight of the batteries. Even when using high-performance batteries, it is difficult to achieve a range of several hundred km.
[0007] Batterieelektrische Fahrzeuge sind aufgrund der hohen Masse der Batterie sehr schwer. Der Wunsch nach einer großen Reichweite erfordert noch größere und schwerere Batterien. Dies ist besonders kritisch bei Fahrzeugen, die nahe der Gewichtsgrenze für PKWs liegen, weil sie dann mit dem PKW-Führerschein nicht mehr gefahren werden können. Dies sind zum Beispiel Transportfahrzeuge der Sprinter Klasse aber auch Wohnmobile. Auch sehr große SUVs wiegen häufig deutlich über 2000 kg. Battery-electric vehicles are very heavy due to the high mass of the battery. The desire for a long range requires even larger and heavier batteries. This is particularly critical for vehicles that are close to the weight limit for cars, because they can then no longer be driven with a car driving license. These are, for example, transport vehicles of the Sprinter class but also mobile homes. Even very large SUVs often weigh well over 2000 kg.
[0008] Eine andere Bauart von Fahrzeugen mit kombiniertem Antrieb sind die sogenannten Voll-Hybrid-Fahrzeuge. Diese sind heute schon in größeren Stückzahlen am Markt erhältlich. Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den Nutzen verringern. Another type of vehicle with a combined drive are the so-called full hybrid vehicles. These are already available on the market in large quantities today. A system-related disadvantage of the full hybrid drive is the necessary larger energy storage capacities, which reduce the benefit due to higher dead weights.
[0009] Hybridfahrzeuge, die konfiguriert sind, eine externe Leistungsversorgung des Zuführens von elektrischer Leistung zu einer elektrischen Vorrichtung und dergleichen außerhalb des Fahrzeugs konfiguriert sind, sind bekannt. Einige dieser Hybridfahrzeuge können nicht nur elektrische Leistung, die in einer im Fahrzeug eingebauten Batterie gespeichert sind, sondern ebenfalls elektrische Leistung zuführen, die durch einen Leistungsgenerator unter Verwendung von Bewegungsleistung einer Kraftmaschine erzeugt wird. Herkömmliche Hybridmaschinensysteme, die für Fahrzeugantriebssysteme verwendet werden, beruhen auf einer einzelnen Maschine, die mit einem Motor/Generator verbunden ist. Obwohl signifikante Kraftstoffeffizienzen unter Verwendung von solchen Kombinationen erreicht werden, besteht Raum für eine Verbesserung hinsichtlich Fahrleistungseffizienzen und Emissionsverringerungen. Hybrid vehicles configured to have an external power supply, supplying electrical power to an electrical device and the like external to the vehicle are known. Some of these hybrid vehicles can supply not only electric power stored in a battery installed in the vehicle but also electric power generated by a power generator using motive power of an engine. Conventional hybrid engine systems used for vehicle propulsion systems rely on a single engine connected to a motor/generator. Although significant fuel efficiencies are achieved using such combinations, there is room for improvement in mileage efficiencies and emissions reductions.
[0010] Normalerweise werden Hybridfahrzeuge durch den Antrieb eines elektrischen Motors und/oder einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle angetrieben und können in verschiedenen Antriebsmodi inklusive eines EV-Antriebsmodus (EV-Drive), in welchem das Fahrzeug nur von der Kraft des elektrischen Motors angetrieben wird, und einem Motor- Antriebsmodus, in welchem das Fahrzeug nur durch die Kraft des Verbrennungsmotors angetrieben wird, angetrieben werden. Im EV Drive wird ausschließlich die in der Batterie gespeicherte Energie und der elektrische Antriebsmotor zur Fortbewegung verwendet. Dieser Antriebsmodus kommt beim Anfahren und niedrigen Geschwindigkeiten zum Einsatz. [0011] Hybridantriebskonzepte lassen sich nach ihrem Systemaufbau (serieller, paralleler oder leistungsverzweigender Hybrid), aber auch nach dem Anteil der elektrischen Leistung (Mikrohybrid, Mildhybrid, Vollhybrid oder Range Extender) klassifizieren. Plug-in Hybride (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEVs) sind eine Erweiterung dieser Hybridtechnologie. Insbesondere ermöglichen sie eine weitere Senkung des Kraftstoffverbrauchs, indem ihre elektrische Energiespeichereinrichtung nicht mehr (ausschließlich) von dem vorhandenen Verbrennungsmotor und/oder durch Rekuperation, sondern über das elektrische Versorgungsnetz aufgeladen werden kann. Typically, hybrid vehicles are powered by the drive of an electric motor and/or an internal combustion engine as a power source and can be operated in various drive modes including an EV drive mode (EV-Drive) in which the vehicle is powered only by the power of the electric motor. and an engine drive mode in which the vehicle is driven only by the power of the internal combustion engine. In EV Drive, only the energy stored in the battery and the electric drive motor are used for locomotion. This drive mode is used when starting off and at low speeds. Hybrid drive concepts can be classified according to their system structure (serial, parallel or power-split hybrid), but also according to the proportion of electrical power (microhybrid, mild hybrid, full hybrid or range extender). Plug-in hybrids (PHEVs) are an extension of this hybrid technology. In particular, they enable a further reduction in fuel consumption in that their electrical energy storage device can no longer be charged (exclusively) by the existing internal combustion engine and/or through recuperation, but rather via the electrical supply network.
[0012] Verbrennungsmotoren arbeiten optimal im betriebswarmen Zustand, welcher im Fährbetrieb aber typischerweise erst nach 5 bis 20 Minuten erreicht wird. Während der gesamten Warmlaufphase ist die Ölviskosität erhöht, was zu einem erhöhten Reibmoment führt. Zudem ist bei niedrigen Wassertemperaturen keine Innenraumheizung verfügbar, was den Komfort beeinträchtigt und z.T. durch energieintensive elektrische Zuheizer ausgeglichen wird. Der Verbrennungsprozess selbst wird ebenfalls durch niedrige Brennraumwandtemperaturen beeinflusst. Internal combustion engines work optimally when they are warm, which is typically only reached after 5 to 20 minutes in ferry operations. During the entire warm-up phase, the oil viscosity is increased, which leads to an increased friction torque. In addition, at low water temperatures, no interior heating is available, which affects comfort and is partly compensated for by energy-intensive electric auxiliary heaters. The combustion process itself is also influenced by low combustion chamber wall temperatures.
[0013] Die Wandwärmeverluste fallen etwas höher aus, gleichzeitig kommt es tendenziell zu einer Verschlechterung der Emissionswerte von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen bzgl. Verbrauch, Emissionen und Komfort werden deshalb in den letzten Jahren verstärkt Maßnahmen ergriffen, um die Warmlaufphase zu verkürzen und die damit verbundenen Nachteile zu minimieren. Diese Maßnahmen werden im Allgemeinen unter dem Begriff „Wärmemanagement" zusammengefasst. The wall heat losses are somewhat higher, but at the same time there is a tendency for the emission values of unburned hydrocarbons and carbon monoxide to deteriorate. Against the background of constantly increasing requirements regarding consumption, emissions and comfort, increased measures have been taken in recent years to shorten the warm-up phase and minimize the associated disadvantages. These measures are generally summarized under the term “heat management”.
[0014] Besondere Bedeutung hat das Erreichen der Betriebstemperatur für die Abgasnachbehandlung, die bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren durch einen 3- Wege-Katalysator erfolgt. Die Konvertierungsraten im Katalysator sind sehr stark temperaturabhängig, wobei im kalten Zustand keine, im betriebswarmen Zustand beinahe eine vollständige Umsetzung/Reduktion der Schadstoffe erfolgt. Der schnelle Anstieg der Konvertierungsraten beim Erreichen einer bestimmten Temperaturgrenze wird als „Light-Off" bezeichnet. Reaching the operating temperature for the exhaust gas aftertreatment, which is carried out in stoichiometrically operated gasoline engines by a 3-way catalytic converter, is particularly important. The conversion rates in the catalytic converter are very dependent on temperature, with no conversion/reduction of pollutants occurring when cold and almost complete conversion/reduction when warm. The rapid increase in conversion rates when a certain temperature limit is reached is referred to as "light-off".
[0015] Um niedrige Gesamtemissionen zu erzielen, muss daher zum einen die Zeitspanne von Motorstart bis Katalysator-Light-Off möglichst kurz sein, auf der einen Seite sollten die Rohemissionen in dieser Phase möglichst niedrig sein. Dazu werden innermotorische Maßnahmen („Katalysatorheizen") eingesetzt, wobei ein erhöhter Verbrauch in dieser im Vergleich zum ganzen Zyklus kurzen Phase in Kauf genommen wird. In order to achieve low overall emissions, the time period from engine start to catalyst light-off must be as short as possible; on the one hand, the raw emissions in this phase should be as low as possible. For this purpose, internal motor components are used Measures (“catalyst heating”) are used, with increased consumption being accepted in this phase, which is short compared to the entire cycle.
[0016] Die DE 10 2008 027 620 Al betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), dessen Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor aufweist, und insbesondere ein HEV, dessen Verbrennungsmotor ein normaler Saugmotor, ein aufgeladener Motor oder ein Turbomotor mit stöchiometrischer oder magerer Verbrennung sein kann. Die Strategie verwendet die dynamischen Grenzen eines Verbrennungsmotors in Bezug auf die Drehmomentreaktion und Emissionen, um die zulässigen Werte des für den Antrieb des Fahrzeuges vorgesehenen elektrischen Hilfsmittels zu beschränken und steuert die in einem HEV verfügbare Ausstattung, um die Fahrzeugemissionen zu reduzieren und eine bessere Leistung und ein verbessertes Fahrverhalten zu schaffen. [0016] DE 10 2008 027 620 A1 relates to a method for operating an electric machine in a hybrid electric vehicle (HEV), whose drive train has an internal combustion engine, and in particular an HEV whose internal combustion engine is a normally aspirated engine, a supercharged engine or a turbo engine with stoichiometric or lean combustion. The strategy uses the dynamic limits of an internal combustion engine in terms of torque response and emissions to limit the allowable values of the electrical aid intended to power the vehicle and controls the equipment available in an HEV to reduce vehicle emissions and provide better performance and to create improved driving behavior.
[0017] Die DE 10 2020 112 747 Al betrifft einen Range-Extender (REX), aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine als ein Boxermotor mit paarweise gegenüberliegenden Pleuel ausgestaltet ist. Eine Motorsteuerschaltung ist dazu eingerichtet, dass die Zylinder eine drehzahlunabhängige, gleichzeitige Zündung aufweisen. Die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine ist mit einem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden, damit die elektrische Maschine mittels einer Generatorsteuerschaltung eine Rotation der Kurbelwelle mit einem Drehmoment vergleichmäßigt. Denn die Generatorsteuerschaltung ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine derart anzusteuern, dass sie in einem Arbeitstakt der Kolben als Generator und in den anderen Takten zumindest zeitweise als ein Motor fungiert. Der Range-Extender (REX) kann derart eingerichtet sein, dass die Drehzahl (N) der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von einer Fahrgeschwindigkeit (V) und einer Gaspedalstellung variiert, sodass ein Motorgeräusch einer Verbrennungskraftmaschine mit Schaltgetriebe simuliert wird. [0017] DE 10 2020 112 747 A1 relates to a range extender (REX), having an internal combustion engine and an electric machine, the internal combustion engine being designed as a boxer engine with opposing connecting rods in pairs. An engine control circuit is set up so that the cylinders have a speed-independent, simultaneous ignition. The crankshaft of the internal combustion engine is connected to a rotor of an electric machine so that the electric machine evens out a rotation of the crankshaft with a torque by means of a generator control circuit. This is because the generator control circuit is set up to control the electric machine in such a way that it functions as a generator in one working cycle of the pistons and at least temporarily as a motor in the other cycles. The range extender (REX) can be set up in such a way that the speed (N) of the internal combustion engine varies depending on a driving speed (V) and an accelerator pedal position, so that an engine noise of an internal combustion engine with a manual transmission is simulated.
[0018] Die DE 11 2009 003 767 T5 beschreibt ein Tandem-Hybridkonzept durch Aufteilen des ICE-Antriebs in zwei separate Maschinenmodule: eine primäre Maschine für maximale Effizienz und eine sekundäre Maschine für maximale Leistung und Beschleunigung. Außerdem ist der EM ein elektrischer Starter-Motor/Generator ("E-M/G"), der als Leistungsquelle für niedrige Geschwindigkeit allein oder in Kombination mit dem Ausgang der primären ICE oder auch mit sowohl der primären als auch der sekundären Maschine verwendet wird, wie erforderlich, um zusätzliche Leistung bereitzustellen. Der E-M/G dient natürlich auch der Funktion in einer Generatorbetriebsart, um elektrische Energie zum Wiederaufladen der Batterien und zur Bremsunterstützung bereitzustellen [0018] DE 11 2009 003 767 T5 describes a tandem hybrid concept by dividing the ICE drive into two separate machine modules: a primary machine for maximum efficiency and a secondary machine for maximum power and acceleration. Additionally, the EM is an electric starter motor/generator ("EM/G") used as a low speed power source alone or in combination with the output of the primary ICE or with both the primary and secondary engines, such as required to provide additional power. The EM/G serves Of course, it also functions in a generator operating mode to provide electrical energy for recharging the batteries and for braking support
[0019] Die US 2009/0 025 371 A betrifft ein Hybridfahrzeug, ein[0019] US 2009/0 025 371 A relates to a hybrid vehicle
Hybridfahrzeugantriebssystem und ein Verfahren für eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor in einem Hybridfahrzeug, das ferner eine zusätzliche Leistungsquelle aufweist. Der Verbrennungsmotor hat eine Kurbelwelle und mindestens einen Zylinder, wobei das Hybridfahrzeug ferner eine Kraftstoffspeichervorrichtung und eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung umfasst, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung stromabwärts des Zylinders angeordnet ist. Der Abgasnachbehandlungsvorrichtung wird Luft und Kraftstoff zugeführt, während der Motor nicht arbeitet, was zu einer Oxidation des Kraftstoffs in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung führt, um die Temperatur innerhalb ihres Aktivierungsbereichs zu halten. Die Luft kann durch Drehen des Motors durch die zusätzliche Leistungsquelle bereitgestellt werden, und die Steuerung der Luftmenge kann durch ein Drosselventil in einem Einlasskanal des Motors erreicht werden. Hybrid vehicle drive system and a method for an exhaust aftertreatment device for an internal combustion engine in a hybrid vehicle, further comprising an additional power source. The internal combustion engine has a crankshaft and at least one cylinder, the hybrid vehicle further comprising a fuel storage device and a fuel supply device, the exhaust treatment device being disposed downstream of the cylinder. Air and fuel are supplied to the exhaust aftertreatment device while the engine is not operating, resulting in oxidation of the fuel in the exhaust aftertreatment device to maintain the temperature within its activation range. The air may be provided by rotating the engine through the additional power source, and control of the amount of air may be accomplished through a throttle valve in an intake port of the engine.
[0020] Die WO 2012/056 275 Al beschreibt eine Maschinenkombination aus einer Verbrennungskraftmaschine und einem Generator eines Hybridantriebs mit zwei parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Zylinder-Kolbeneinheiten, deren Kolben über die ihnen zugeordneten Pleuelstangen in Antriebsverbindung mit jeweils einer eigenen Kurbelwelle stehen, die über je ein Zahnrad gegenläufig miteinander drehverbunden sind. Durch diese Kopplung beider Kurbelwellen über Zahnräder lässt sich die Verbrennungskraftmaschine in besonders kompakter Bauweise mit einem Generator kombinieren, indem dessen Welle ein Zahnrad trägt, das mit diesen Zahnrädern der Kurbelwellen in derselben Ebene angeordnet ist. [0020] WO 2012/056 275 A1 describes a machine combination consisting of an internal combustion engine and a generator of a hybrid drive with two cylinder-piston units arranged parallel to one another in a common housing, the pistons of which are in drive connection with their own crankshaft via the connecting rods assigned to them, each of which is rotatably connected to one another via a gear wheel in opposite directions. This coupling of both crankshafts via gears allows the internal combustion engine to be combined with a generator in a particularly compact design, in that its shaft carries a gear that is arranged in the same plane with these gears of the crankshafts.
[0021] Die WO 2010/145 628 Al betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere in Verbrennungszylindern, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft- Gemisch verbrannt 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 entspannt und nachfolgend in einen Abgasauslass übergeführt wird. Erfindungsgemäß ist ein erster elektromechanischer Energiewandler mechanisch an die Abtriebswelle der[0021] WO 2010/145 628 A1 relates to a drive unit for a motor vehicle comprising an internal combustion engine with at least two combustion chambers, in particular in combustion cylinders, in which a fuel-air mixture is burned at a time interval, with the combustion chambers having a further working space is assigned in the form of an expansion cylinder, in which the exhaust gas mixture pushed out of the combustion chambers is expanded while releasing mechanical power to the output shaft and is subsequently transferred to an exhaust gas outlet. According to the invention, a first electromechanical energy converter is mechanically connected to the output shaft
Brennkraftmaschine gekoppelt, der elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie austauscht, 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. Anwendung in Personenkraftwagen. Internal combustion engine coupled, which exchanges electrical energy with a storage unit for electrical energy, with a further electromechanical energy converter is mechanically coupled to at least one wheel shaft of the motor vehicle and also exchanges electrical energy with the electrical energy storage unit. Application in passenger cars.
[0022] In der DE 34 34 532 CI wird ein Stromversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor beschrieben, wobei dem Fahrzeugmotor eine Freikolben-Stirlingmotor mit Lineargenerator zugeordnet ist, wobei die vom Lineargenerator erzeugte elektrische Energie der Batterie und der Elektrik zugeführt wird. [0022] DE 34 34 532 CI describes a power supply system for a motor vehicle with an internal combustion engine, wherein the vehicle engine is assigned a free-piston Stirling engine with a linear generator, the electrical energy generated by the linear generator being supplied to the battery and the electrical system.
[0023] Die US 5 172 784 A beschreibt ein Antriebsystem für ein Elektro-Hybridfahrzeug mit einem Freikolben-Verbrennungsmotor, das mit einem integrierten linearen elektrischen Stromgenerator und einer Impulsfrequenzsteuerung versehen ist. Der Freikolben- Verbrennungsmotor soll schadstofffreien Brennstoff, wie z.B. Alkohol, Gas oder Propangas, verbrennen. US 5,172,784 A describes a drive system for an electric hybrid vehicle with a free-piston internal combustion engine, which is provided with an integrated linear electric power generator and a pulse frequency control. The free-piston internal combustion engine is intended to burn pollutant-free fuel, such as alcohol, gas or propane.
[0024] Alle vorgenannten Lösungsansätze, insbesondere aber das batteriebetriebene Elektroauto, haben das Problem, dass häufig nur geringe Reichweiten erreicht werden, was auf die zu geringe Kapazität der Batterie oder mangelndes Tankvolumen zurückzuführen ist. All of the aforementioned solutions, but in particular the battery-operated electric car, have the problem that often only short ranges are achieved, which is due to the battery's insufficient capacity or insufficient tank volume.
[0025] Es besteht somit der Bedarf an einer Lösung der oben geschilderten Probleme, mit deren Hilfe die hohen CO2 -Emissionen, die durch Verbrennungsmotoren verursacht werden und als ein Grund für den stattfindenden Klimawandel angesehen werden, wirkungsvoll, kostengünstig und schnell reduziert werden können. Durch die geringe Reichweite der jeweiligen Tank- bzw. Batteriefüllungen der aktuellen umweltschonenden Kraftfahrzeuge wird eine vernünftige technische Lösung des Problems zusätzlich erschwert. [0025] There is therefore a need for a solution to the problems described above, with the help of which the high CO 2 emissions that are caused by internal combustion engines and are seen as a reason for the climate change that is taking place can be reduced effectively, cost-effectively and quickly . The short range of the respective tank or battery fillings of current environmentally friendly motor vehicles makes a sensible technical solution to the problem even more difficult.
[0026] Die durchschnittliche tägliche Fahrstrecke beträgt unter 100 km. Der Gesetzgeber schreibt für elektrische Fahrzeuge Mindestreichweiten von circa 100 km vor. Würde man die Batterie auf diese Reichweite auslegen und für größere Reichweiten einen seriellen Hybrid verwenden, dann ergaben sich deutliche Gewichtsvorteile und auch leichtere Fahrzeugkonzepte. Die Batterien mussten nicht mehr an Schnell-Lade-Säulen mit hohen Ladeströmen geladen werden. Die Netzbelastung wurde deutlich geringer. Der große Druck auf den Ausbau des Schnell-Lade-Netzes konnte reduziert werden. The average daily driving distance is less than 100 km. The law stipulates a minimum range of around 100 km for electric vehicles. If the battery were designed for this range and a serial hybrid was used for longer ranges, there would be significant weight advantages and also lighter vehicle concepts. The batteries no longer had to be charged at fast charging stations with high charging currents. The network load was significantly reduced. The great pressure to expand the fast-charging network has been reduced.
[0027] Durch die Verwendung von synthetischen Kraftstoffen aus erneuerbaren Energien könnte schnell eine CO2 Neutralität erreicht werden. Diese Fahrzeuge mit seriellem Hybridantrieb wären also leichter und deutlich kostengünstiger als reine BEV (Battery- Elektric-Vehicle). Somit wäre die Elektromobilität für die breite Masse wesentlich schneller umsetzbar. By using synthetic fuels from renewable energies, CO 2 neutrality could be achieved quickly. These vehicles with serial hybrid drives would be lighter and significantly more cost-effective than pure BEVs (battery Electric vehicle). This means that electromobility could be implemented much more quickly for the general public.
[0028] Verbrennungsmotoren erzeugen in der Startphase die meisten Schadstoffe. Hätten der Motor, die Katalysatoren und die ganze Abgasanlage vor der Verbrennung des Kraftstoffs die Soll-Betriebstemperatur, dann wäre das Abgas sofort wesentlich sauberer und die Kosten für die Abgasanlage wesentlich günstiger. Internal combustion engines produce the most pollutants in the starting phase. If the engine, the catalytic converters and the entire exhaust system had the target operating temperature before the fuel was burned, then the exhaust gas would immediately be much cleaner and the costs for the exhaust system would be much cheaper.
[0029] Bei der Suche nach einer Lösung des Problems sind dem Erfinder eine Kombination als Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug in den Sinn gekommen, das für eine gute Energieumwandlung bekannt ist. Bei diesem Antriebssystem wird ein Verbrennungsmotor mit einem Generator zu einer kleinen und kompakten leichten Einheit kombiniert, ohne dass der Verbrennungsmotor das Fahrzeug direkt antreibt. When looking for a solution to the problem, the inventor came up with a combination as a drive system for a motor vehicle that is known for good energy conversion. This drive system combines an internal combustion engine with a generator to form a small and compact lightweight unit, without the internal combustion engine directly driving the vehicle.
[0030] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug , dass von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher (Akku) und aus einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, ohne dass das Fahrzeug direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, und ein damit ausgerüstetes Fahrzeug zu schaffen, mit dem sich gegenüber reinen batterieelektrischen Fahrzeugen deutliche Gewichtsvorteile und damit leichtere und kostengünstige Fahrzeugkonzepte erreichen lassen. The object of the invention is to provide a drive system for a vehicle that is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is obtained from an electrical storage (battery) and from an additional fuel carried by means of an internal combustion engine, without the vehicle directly is driven by the combustion engine, and to create a vehicle equipped with it, with which significant weight advantages and thus lighter and cost-effective vehicle concepts can be achieved compared to purely battery-electric vehicles.
[0031] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This task is solved by the features of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
[0032] Das Antriebssystem für ein Fahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher oder aus einem zusätzlich mitgeführtem Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, aus einer blockbildenden Einheit, umfassend eine Antriebseinheit und einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Batterieeinheit besteht, wobei die Antriebseinheit einen Verbrennungsmotor mit einem an der einen Seite der Kurbelwelle direkt oder indirekt angeflanschten Generator und einem auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle direkt oder indirekt angeflanschten Lader oder einen im Abgassystem der Antriebseinheit angeordneten Turbolader umfasst. [0033] Alternativ dazu kann das Antriebssystem für ein Fahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher oder aus einem zusätzlich mitgeführtem Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, aus einer blockbildenden Einheit, umfassend eine Antriebseinheit und einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Batterieeinheit besteht, wobei die Antriebseinheit einen Freikolbenmotor mit einem Lineargenerator umfasst. The drive system for a vehicle, which is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is obtained from an electrical storage or from an additional fuel carried by means of an internal combustion engine, from a block-forming unit, comprising a drive unit and an electric motor for driving the Vehicle, and a battery unit, wherein the drive unit comprises an internal combustion engine with a generator flanged directly or indirectly on one side of the crankshaft and a charger flanged directly or indirectly on the opposite side of the crankshaft or a turbocharger arranged in the exhaust system of the drive unit. Alternatively, the drive system for a vehicle, which is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is obtained from an electrical storage or from an additional fuel carried by means of an internal combustion engine, can consist of a block-forming unit comprising a drive unit and an electric motor for driving the vehicle, and a battery unit, the drive unit comprising a free-piston engine with a linear generator.
[0034] Die Antriebseinheit mit Generator und einen Elektromotor als blockbildende Einheit ist auf einem Fahrschemel/Hilfsrahmen des Fahrzeugs derart angeordnet, dass diese im Crashfall unter die Fahrgastzelle schiebbar bzw. zwangsgeführt ist. The drive unit with generator and an electric motor as a block-forming unit is arranged on a subframe/subframe of the vehicle in such a way that it can be pushed or positively guided under the passenger compartment in the event of a crash.
[0035] Neben dem Lader, der als Kompressor oder Turbolader ausgebildet ist, kann noch ein Zusatzgebläse, das während der Warmlaufphase zusätzlich benutzt wird, angeordnet werden. Die Luftzufuhr erfolgt dann, je nachdem der Verbrennungsmotor im Schleppmodus oder im Verbrennungsmodus betrieben wird, über eine Ladeluftheizung oder eine Ladeluftkühlung. In addition to the charger, which is designed as a compressor or turbocharger, an additional fan, which is also used during the warm-up phase, can be arranged. The air is then supplied via a charge air heater or a charge air cooling system, depending on whether the internal combustion engine is operated in drag mode or combustion mode.
[0036] Als Verbrennungsmotoren können vorzugsweise Boxermotoren mit mindestens zwei sich gegenüberliegenden Kolben-Zylindereinheiten, Gegenkolbenmotoren oder Freikolbenmotoren zum Einsatz kommen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit Freikolbenmotoren mit Lineargeneratoren einzusetzen. Die Motoren können soweit möglich im Zweitakt- oder im Viertaktverfahren als Otto- oder Dieselmotoren betrieben werden. Boxer engines with at least two opposing piston-cylinder units, opposed-piston engines or free-piston engines can preferably be used as internal combustion engines. It is also possible to use free-piston engines with linear generators. As far as possible, the engines can be operated in two-stroke or four-stroke cycles as petrol or diesel engines.
[0037] Die Vorteile des Boxermotors liegen im guten Massenausgleich, in der tiefen Einbaulage mit niedrigem Schwerpunkt, wenig thermische Probleme bei luftgekühlten Zweizylindern, wartungsfreundlich und es ist keine Umlenkung zum Sekundärtrieb nötig. The advantages of the boxer engine are the good mass balance, the low installation position with a low center of gravity, few thermal problems with air-cooled two-cylinder engines, easy maintenance and no deflection to the secondary drive is necessary.
[0038] Bei den Gegenkolbenmotoren liegen die Vorteile in einem gleichmäßigerer Drehmomentverlauf über das gesamte Drehzahlband, in der bessere Spülung - die Längsspülung erlaubt einen vollständigen Gasaustausch bei geringen Spülverlusten durch die räumliche Trennung von Ein- und Auslassschlitzen -, der einströmenden Luft kann ein Drall mitgegeben werden, was gut für die Durchmischung und den Verbrennungsablauf ist und in einem guten Massenausgleich ohne Zusatzmaßnahmen. [0038] In the case of opposed piston engines, the advantages lie in a more uniform torque curve over the entire speed range, in the better scavenging - the longitudinal scavenging allows complete gas exchange with low scavenging losses due to the spatial separation of inlet and outlet slots - and a swirl can be given to the inflowing air what is good for the mixing and the combustion process and in a good mass balance without additional measures.
[0039] Die verwendeten Verbrennungsmotoren weisen eine hohe Laufruhe auf und erzeugen kaum Vibrationen. Insbesondere beim Boxermotor werden durch die gegenüberliegende Anordnung der Zylinder, die bei der Bewegung der Kolben entstehenden Kräfte, wechselseitig aufgehoben. Massenkräfte 1. und 2. Ordnung werden vermieden. Das Ergebnis ist ein seidenweicher, runder Lauf des Motors. Ein weiterer Vorteil beim Boxermotor ist, dass durch die horizontale Anordnung der Ein- und Auslasskanäle der Boxermotor sehr niedrig gebaut werden kann und durch seine beiden gleichschweren Zylinderreihen sehr gut ausbalanciert ist. The internal combustion engines used run very smoothly and hardly generate any vibrations. Especially with the boxer engine, the Opposite arrangement of the cylinders, the forces generated by the movement of the pistons are mutually canceled out. Mass forces of the 1st and 2nd order are avoided. The result is a silky-smooth, smooth engine run. Another advantage of the boxer engine is that thanks to the horizontal arrangement of the inlet and outlet channels, the boxer engine can be built very low and is very well balanced thanks to its two rows of cylinders of equal weight.
[0040] Der Freikolbenmotor ist ein linearer „kurbelwellenloser" Verbrennungsmotor, bei dem die Kolbenbewegung nicht durch eine Kurbelwelle gesteuert wird, sondern durch das Zusammenwirken von Kräften aus den Brennkammergasen, einer Rückprall Vorrichtung und einer Lastvorrichtung, wobei die Leistung nicht an eine Kurbelwelle abgegeben, sondern entweder durch Abgasdruck, der eine Turbine und damit einen Generator antreibt, oder durch direkten Einbau eines Lineargenerators zur Erzeugung elektrischer Energie dient. The free-piston engine is a linear "crankshaftless" internal combustion engine in which the piston movement is not controlled by a crankshaft, but by the interaction of forces from the combustion chamber gases, a rebound device and a load device, whereby the power is not delivered to a crankshaft, but either through exhaust gas pressure, which drives a turbine and thus a generator, or through direct installation of a linear generator to generate electrical energy.
[0041] Die Aggregate Verbrennungsmotor, Generator und/oder Lader und gegebenenfalls ein Elektromotor bilden das Antriebsystem, das über Lagerstellen auf einem Fahrschemel oder Motor-/Vorderachsträger des Fahrzeugs montiert ist, wobei bei der Verwendung von Boxermotoren Lagerstellen außen an den Zylinderköpfen des Boxermotors angebracht sind, um die Momente des Motors mit geringen Kräften in den Fahrschemel oder die Vorderachsträger einzuleiten und eine weitere Lagerstelle als eine gemeinsame Lagerstelle für den Generator und den Verbrennungsmotor fungiert. The aggregates of the internal combustion engine, generator and/or charger and optionally an electric motor form the drive system, which is mounted via bearing points on a subframe or engine/front axle support of the vehicle, with bearing points being attached to the outside of the cylinder heads of the boxer engine when using boxer engines are to introduce the engine moments with low forces into the subframe or the front axle support and another bearing point acts as a common bearing point for the generator and the combustion engine.
[0042] Bei Einsatz in frontgetriebenen Fahrzeugen besteht die Möglichkeit, die Antriebseinheit mit Generator direkt mit einem Elektromotor zu einer Baueinheit zu verbinden. When used in front-wheel drive vehicles, it is possible to connect the drive unit with generator directly to an electric motor to form a structural unit.
[0043] Im Start- bzw. Anfahrmodus ist die Luft einerseits über einen Lader, einem Drei Wegeventil und einer Ladeluftheizung oder andererseits über ein Zusatzgebläse und eine Ladeluftheizung den Zylindern des Verbrennungsmotors zuführbar, wobei das Zusatzgebläse zusätzlich zum Lader bei Bedarf in der Warmlaufphase zuschaltbar ist. In the start or start-up mode, the air can be supplied to the cylinders of the internal combustion engine on the one hand via a charger, a three-way valve and a charge air heater or on the other hand via an additional fan and a charge air heater, with the additional fan being able to be switched on in addition to the charger if necessary in the warm-up phase .
[0044] Der Verbrennungsmotor wird im Start- oder Anfahrmodus bis zum Erreichen der Soll-Betriebstemperatur der Katalysatoren in der Abgasanlage als Luftpumpe betrieben. The internal combustion engine is operated as an air pump in start or start-up mode until the target operating temperature of the catalytic converters in the exhaust system is reached.
[0045] Im Start- oder Anfahrmodus wird das Fahrzeug nur mit Hilfe der von der Batterieeinheit entnommenen elektrischen Leistung betrieben. Während dieser Zeit erfolgt der Betrieb des Verbrennungsmotors im Schleppbetrieb, d.h., der Verbrennungsmotor wird ohne Verbrennung durch den Generator angetrieben und verdichtet nur die angesaugte Luft, somit werden Verbrennungsmotor und Abgasanlage mit den Katalysatoren auf Soll- Betriebstemperatur gebracht. Erst nach Erreichen der Soll-Betriebstemperatur wird der Verbrennungsmotor im Verbrennungsmotor betrieben. In the starting or starting mode, the vehicle is operated only with the help of the electrical power drawn from the battery unit. During this time, the internal combustion engine is operated in drag mode, ie the internal combustion engine is driven by the generator without combustion and only compresses the sucked-in air, thus bringing the combustion engine and exhaust system with the catalytic converters to the target operating temperature. The internal combustion engine is only operated in the internal combustion engine after the target operating temperature has been reached.
[0046] Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Schadstoffausstoß eines Verbrennungsmotors besonders hoch. Durch die Vorwärmung von Verbrennungsmotor, den Katalysatoren und der gesamten Abgasanlage vor der Verbrennung des Kraftstoffs auf die Soll-Betriebstemperatur wird beim Einsetzen der Verbrennung das Abgas sofort wesentlich sauberer, der Schadstoffausstoß verringert sich wesentlich und die Kosten für die Abgasanlage wesentlich günstiger. During a cold start of the internal combustion engine, the pollutant emissions of an internal combustion engine are particularly high until the operating temperature is reached. By preheating the combustion engine, the catalytic converters and the entire exhaust system to the target operating temperature before combustion of the fuel, the exhaust gas immediately becomes significantly cleaner when combustion begins, pollutant emissions are significantly reduced and the costs for the exhaust system are significantly cheaper.
[0047] Es wird somit ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, dass gegenwärtigen und auch zukünftigen Umweltschutz- und Verbrauchsanforderungen auf kostengünstige Weise gerecht wird. A motor vehicle is thus made available that meets current and future environmental protection and consumption requirements in a cost-effective manner.
[0048] Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen: The invention will be described in more detail using an exemplary embodiment. Show it:
Figur 1 - Konzept des erfindungsgemäßen Antriebssystems Figure 1 - Concept of the drive system according to the invention
Figur 2 - Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystems Figure 2 - Schematic sketch of a motor vehicle with the drive system according to the invention
[0049] Die Figur 1 zeigt ein Konzept des erfindungsgemäßen Antriebssystems, das aus einer Antriebseinheit 1, einem Elektromotor 12 zum Antrieb des Fahrzeugs und einer Batterieeinheit 17 besteht. Die Antriebseinheit 1 umfasst im Wesentlichen einen Verbrennungsmotor 2 mit einem an der einen Seite der Kurbelwelle angeflanschten Generator 3 und einem auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle angeflanschten als Kompressor ausgebildeten Lader 5. Zusätzlich kann auf dieser Seite noch ein Zusatzgebläse angeordnet sein. Der Generator 3 wird auch zum Starten und Beschleunigen des Verbrennungsmotors aus dem Stillstand heraus benutzt. 1 shows a concept of the drive system according to the invention, which consists of a drive unit 1, an electric motor 12 for driving the vehicle and a battery unit 17. The drive unit 1 essentially comprises an internal combustion engine 2 with a generator 3 flanged to one side of the crankshaft and a charger 5 designed as a compressor flanged to the opposite side of the crankshaft. In addition, an additional fan can be arranged on this side. The generator 3 is also used to start and accelerate the internal combustion engine from a standstill.
[0050] Als Verbrennungsmotor 2 kommt ein Boxermotor mit zwei sich gegenüberliegenden Kolben-Zylindereinheiten zum Einsatz, 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 Zylindern beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle („Kurbelwelle") in Rotation versetzt wird, die einerseits den Generator 3 und andererseits einen als Kompressor ausgebildeten Lader 5 antreibt. A boxer engine with two opposing piston-cylinder units is used as the internal combustion engine 2, in each of which a fuel-air mixture (starting mixture) is chemically converted exothermically at a time interval in such a way that an exhaust gas mixture with an increased latent gas compared to the starting mixture Heat and increased pressure is generated, the exhaust gas mixture exerting a pressure force on pistons movably mounted in the cylinders in such a way that with the help of the pistons Output shaft (“crankshaft”) is set in rotation, which drives the generator 3 on the one hand and a charger 5 designed as a compressor on the other hand.
[0051] Der als Boxermotor ausgebildete Verbrennungsmotor 2 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 mitgeführten Kraftstofftank 18. The internal combustion engine 2 designed as a boxer engine receives liquid or gaseous fuel for operation, in the form of a preferably organic substance, e.g. B. gasoline or diesel fuel or gasoline, alcohol, biogas or methane or hydrogen gas or the like from a fuel tank 18 carried in the motor vehicle.
[0052] Der Generator 3 tauscht mit Hilfe einer Leistungselektronik über elektrische Verbindungskabel elektrische Energie mit einer Batterieeinheit 17 aus bzw. es wird die elektrische Energie direkt zum Elektromotor 12 geleitet. Ein Prozessrechner bzw. eine Steuereinheit 19 regelt dabei sowohl den Betriebszustand des Generators 3 als auch den Betriebszustand der Batterieeinheit 17 und den des Verbrennungsmotors 2. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges wird der Generator 3 als elektromechanische Energiewandler benutzt, um mechanische Energie der Brennkraftmaschine abzugreifen und in Form von elektrischer Energie an die Batterieeinheit 17 oder direkt an den Elektromotor 12 zu transferieren. The generator 3 exchanges electrical energy with a battery unit 17 using power electronics via electrical connecting cables, or the electrical energy is conducted directly to the electric motor 12. A process computer or a control unit 19 regulates both the operating state of the generator 3 as well as the operating state of the battery unit 17 and that of the internal combustion engine 2. When the motor vehicle is operating, the generator 3 is used as an electromechanical energy converter in order to tap mechanical energy from the internal combustion engine and in the form to transfer electrical energy to the battery unit 17 or directly to the electric motor 12.
[0053] Das beschriebene Antriebssystem (Konzept) sieht vor, dass beim Starten bzw. beim Anfahren des Fahrzeugs die elektrische Energie für den Elektromotor 12 einer Batterieeinheit 17 entnommen wird und der Verbrennungsmotor 2 für eine vorbestimmte Zeit im Schleppbetrieb gefahren wird, d.h., der Generator 3 treibt in dieser Phase den Verbrennungsmotor 2 an, ohne das Kraftstoff zugeführt und in den Zylindern verbrannt wird. Der Verbrennungsmotor 2 läuft ohne Verbrennung, also nur als Luftpumpe. The drive system (concept) described provides that when starting or driving off the vehicle, the electrical energy for the electric motor 12 is taken from a battery unit 17 and the internal combustion engine 2 is driven in towing mode for a predetermined time, i.e. the generator In this phase, 3 drives the internal combustion engine 2 without fuel being supplied and burned in the cylinders. The internal combustion engine 2 runs without combustion, i.e. only as an air pump.
[0054] In der Start- bzw. Anfahrphase kann die Luft einerseits über einen Lader 5, vorzugsweise einem Kompressor, einem Dreiwegeventil 6 und einer Ladeluftheizung 8 oder andererseits über ein Zusatzgebläse 7 und einer Ladeluftheizung 8 den Zylindern des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Alternativ dazu kann ein Zusatzgebläse 7 zusätzlich zum Lader 5 in der Warmlaufphase eingesetzt werden. In the starting or startup phase, the air can be supplied to the cylinders of the internal combustion engine via a charger 5, preferably a compressor, a three-way valve 6 and a charge air heater 8, or via an additional fan 7 and a charge air heater 8. Alternatively, an additional fan 7 can be used in addition to the charger 5 in the warm-up phase.
[0055] Die von der Ladeluftheizung 8 vorgewärmte Luft wird durch die Verdichtung in den Zylindern des Verbrennungsmotors 2 weiter erhitzt. Die heiße Luft strömt in die Abgasanlage 9 und erwärmt diese und die Katalysatoren auf Soll-Betriebstemperatur. Erst wenn der Steuereinheit 19 das Erreichen der Soll-Betriebstemperatur gemeldet wird, startet der Verbrennungsmotor 2 im Verbrennungsmodus. [0056] Der aus dem Kraftstofftank 18 kommende Kraftstoff kann entweder über eine Vergaseranlage oder eine Einspritzanlage dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt werden. The air preheated by the charge air heater 8 is further heated by compression in the cylinders of the internal combustion engine 2. The hot air flows into the exhaust system 9 and heats it and the catalytic converters to the target operating temperature. Only when the control unit 19 is notified that the target operating temperature has been reached does the internal combustion engine 2 start in combustion mode. The fuel coming from the fuel tank 18 can be supplied to the internal combustion engine 2 either via a carburetor system or an injection system.
[0057] Die Aufladung des Verbrennungsmotors 2 erfolgt durch einen Lader 5, vorzugsweise einem Kompressor oder einem Turbolader. The internal combustion engine 2 is charged by a charger 5, preferably a compressor or a turbocharger.
[0058] Zusätzlich kann am Boxermotor auch der Elektroantrieb 12 für die Vorderachse angebracht werden. In addition, the electric drive 12 for the front axle can also be attached to the boxer engine.
[0059] Die Aggregate Boxermotor, Generator 3, Lader 5 und gegebenenfalls der Elektromotor 12 bilden die Antriebseinheit 1 und können über die Lagerstellen 11 und 3 auf einem Fahrschemel oder Motor-/Vorderachsträger des Fahrzeugs vormontiert werden. Die Lagerstellen 11 sind außen an den Zylinderköpfen des Boxermotors angebracht, um die Momente des Motors mit geringen Kräften in den Fahrschemel oder die Vorderachsträger einzuleiten. Der Generator 3 und der Boxermotor haben eine gemeinsame Lagerstelle 3. The units boxer engine, generator 3, charger 5 and optionally the electric motor 12 form the drive unit 1 and can be pre-assembled via the bearing points 11 and 3 on a subframe or engine/front axle support of the vehicle. The bearing points 11 are attached to the outside of the cylinder heads of the boxer engine in order to introduce the engine moments with low forces into the subframe or the front axle supports. The generator 3 and the boxer engine have a common bearing point 3.
[0060] Die Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem. Das Kraftfahrzeug umfasst eine Vorderachse 13 mit einem Elektromotor 15 und eine Hinterachse 14 mit einem Elektromotor 16. Elektrisch verbunden sind die Elektromotoren 15, 16 mit der Antriebseinheit 1 und der Batterieeinheit 17. 2 shows a schematic sketch of a motor vehicle with the drive system according to the invention. The motor vehicle includes a front axle 13 with an electric motor 15 and a rear axle 14 with an electric motor 16. The electric motors 15, 16 are electrically connected to the drive unit 1 and the battery unit 17.
[0061] Im Start- oder Anfahrmodus erhalten die Elektromotoren 15, 16 die benötigte elektrische Energie aus der Batterieeinheit 17. Erst nach Erreichen der Soll- Betriebstemperatur wird die für den Antrieb des Fahrzeuges benötigte elektrische Energie von der Antriebseinheit 1 zur Verfügung gestellt. Die Steuerung der Elektromotoren 14,15 des Verbrennungsmotors 2 und des Generators 3 sowie des Ladezustands der Batterieeinheit 17 erfolgt über die Steuereinheit 19. [0061] In the starting or starting mode, the electric motors 15, 16 receive the required electrical energy from the battery unit 17. Only after reaching the target operating temperature is the electrical energy required to drive the vehicle made available by the drive unit 1. The electric motors 14, 15 of the internal combustion engine 2 and the generator 3 as well as the charge status of the battery unit 17 are controlled via the control unit 19.
[0062] Das Betreiben eines mit dem erfindungsgemäßen Antriebsystem ausgerüsteten Fahrzeugs erfolgt dergestalt, dass beim Start- bzw. Anfahrvorgang in einem ersten Schritt die Temperatur in der Abgasanlage 10 ermittelt wird. Liegt die Temperatur unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Katalysatoren, erfolgt das Starten bzw. das Anfragen des Fahrzeugs dadurch, dass die elektrische Energie für den / die Elektromotoren 12 oder 15; 16 der Batterieeinheit 17 entnommen wird. A vehicle equipped with the drive system according to the invention is operated in such a way that the temperature in the exhaust system 10 is determined in a first step during the starting or starting process. If the temperature is below the target operating temperature of the catalytic converters, the vehicle is started or requested by the electrical energy for the electric motor(s) 12 or 15; 16 of the battery unit 17 is removed.
[0063] Der Verbrennungsmotor 2 wird über den Generator 3 im Schleppbetrieb gefahren. Luft wird über den Lader 5 bzw. Lader 5 und Zusatzgebläse 7 in die Zylinder-Kolbeneinheit gefördert. Über die Ladeluftheizung 8 kann die Ansaugluft vorgeheizt werden. Die in die Zylinder-Kolbeneinheiten des Verbrennungsmotors 2 geförderte Ausgangsluft wird, ohne das Kraftstoff zugeführt wird, verdichtet und dementsprechend erhitzt. The internal combustion engine 2 is driven via the generator 3 in towing mode. Air is fed into the cylinder-piston unit via the charger 5 or charger 5 and additional blower 7 promoted. The intake air can be preheated via the charge air heater 8. The output air conveyed into the cylinder-piston units of the internal combustion engine 2 is compressed and heated accordingly without fuel being supplied.
[0064] Während des Schleppbetriebes wird ständig die Temperatur der Katalysatoren gemessen und in der Steuereinheit mit der Soll-Betriebstemperatur der Katalysatoren verglichen. Wird die Soll-Betriebstemperatur erreicht bzw. überschritten, wird die Kraftstoffzufuhr geöffnet und die Zündung des Verbrennungsmotors 2 eingeschaltet. Die Luftzufuhr erfolgt dann über den Lader 5, das Drei Wegeventil 6 und den Ladeluftkühler 9. During towing operation, the temperature of the catalytic converters is constantly measured and compared in the control unit with the target operating temperature of the catalytic converters. If the target operating temperature is reached or exceeded, the fuel supply is opened and the ignition of the internal combustion engine 2 is switched on. The air is then supplied via the charger 5, the three-way valve 6 and the intercooler 9.
[0065] Der Verbrennungsmotor 2 startet und treibt den Generator 3 an, der die elektrische Energie erzeugt und an die Elektromotoren weitergibt. Die Steuerung des Verbrennungsmotors 2 und damit des Generators 3 erfolgt derart, das ständig die zur Verfügung gestellte elektrische Leistung ausreichend für ein energieeffizientes Fahren ist. Des Weiteren soll bei Bedarf zusätzliche Leistung für das Laden der Batterieeinheit zur Verfügung stehen. The internal combustion engine 2 starts and drives the generator 3, which generates the electrical energy and passes it on to the electric motors. The internal combustion engine 2 and thus the generator 3 are controlled in such a way that the electrical power provided is always sufficient for energy-efficient driving. Furthermore, additional power should be available for charging the battery unit if required.
[0066] Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt bei optimaler Drehzahl und Auslastung maximal ca. 37 %. Er ist bei gegebener Drehzahl stark lastabhängig - knapp unter Volllast am höchsten und sinkt bis zum Leerlauf auf null ab. Das heißt, im Teillastbetrieb, wenn wenig Gas gegeben wird, haben Ottomotoren einen schlechten Wirkungsgrad. Teillast und Leerlauf des Verbrennungsmotors kommen im Stadtverkehr häufig vor und können hier vermieden werden. Der Verbrennungsmotor kann nun bei hoher Last mit einem günstigen Wirkungsgrad betrieben werden. The efficiency of a gasoline engine is a maximum of approximately 37% at optimal speed and utilization. At a given speed it is highly dependent on the load - it is highest just under full load and drops to zero until idling. This means that in part-load operation, when little gas is applied, gasoline engines have poor efficiency. Partial load and idling of the combustion engine occur frequently in city traffic and can be avoided here. The internal combustion engine can now be operated with favorable efficiency at high loads.
[0067] Es ergibt sich somit ein Kraftfahrzeug, das über einen weiten Betriebsbereich mit einem hohen Wirkungsgrad gefahren werden kann, wobei der Verbrennungsmotor bei Bedarf in einem Bereich niedrigen spezifischen Verbrauchs mit moderater Drehzahl betrieben wird. Lastspitzen können ausschließlich elektromotorisch vorgenommen werden, ohne dass am Betriebszustand des Verbrennungsmotors Änderungen vorgenommen werden. Die Batterieeinheit wird dabei als Ausgleichsreservoir für die benötigte elektrische Energie zwischen einem kontinuierlichen Leistungsniveau eines effizient betreibbaren Verbrennungsmotors und einer kurzzeitig diskontinuierlichen Leistungsanforderung beim Betrieb moderner Kraftfahrzeuge. This results in a motor vehicle that can be driven with high efficiency over a wide operating range, with the internal combustion engine being operated at a moderate speed if necessary in a range of low specific consumption. Load peaks can only be achieved using electric motors without making any changes to the operating state of the internal combustion engine. The battery unit is used as a compensation reservoir for the electrical energy required between a continuous performance level of an efficiently operated internal combustion engine and a short-term discontinuous performance requirement when operating modern motor vehicles.
[0068] Durch das vorgeschlagene Konzept kann mit einem Masseneinsatz von ca. 100 kg die Masse der Batterie um 400 bis 450 kg reduziert werden. Dadurch wird auch der Verbrauch im BEV-Modus reduziert. Der Einsatz der kritischen Materialien für die Batterieproduktion wird deutlich reduziert. Daraus ergibt sich ein gravierender Kostenvorteil verbunden mit den Eigenschaften eines reinen BEVs im Fährbetrieb und den Eigenschaften eines Verbrenners bezüglich der Reichweite. The proposed concept allows the mass of the battery to be reduced by 400 to 450 kg with a mass input of approximately 100 kg. This will also Consumption reduced in BEV mode. The use of critical materials for battery production is significantly reduced. This results in a serious cost advantage combined with the properties of a pure BEV in ferry operations and the properties of a combustion engine in terms of range.
[0069] Bezugszeichenaufstellung List of reference numbers
1 - Antriebseinheit 1 - drive unit
2 - Verbrennungsmotor 2 - internal combustion engine
3 - Generator 3 - generator
4 - Lagerstelle Verbrennungsmotor und Lader 4 - Bearing point for combustion engine and charger
5 - Lader 5 - loader
6 - Drei Wegeventil 6 - Three way valve
7 - Zusatzgebläse 7 - Additional blower
8 - Ladeluftheizung 8 - charge air heater
9 - Ladeluftkühler 9 - intercooler
10 - Abgasanlage 10 - exhaust system
11 - Lagerstellen Verbrennungsmotor 11 - Bearing points internal combustion engine
12 - Elektromotor 12 - electric motor
13 - Vorderachse 13 - front axle
14 - Hinterachse 14 - rear axle
15 - Elektromotor Vorderachse 15 - Electric motor front axle
16 - Elektromotor Hinterachse 16 - Electric motor rear axle
17 - Batterieeinheit 17 - battery unit
18 - Kraftstofftank 18 - fuel tank

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Antriebssystem für ein Fahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher oder aus einem zusätzlich mitgeführtem Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystems aus einer blockbildenden Einheit, umfassend eine Antriebseinheit (1) und einen Elektromotor (12) zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Batterieeinheit (17) besteht, wobei die Antriebseinheit (1) einen Verbrennungsmotor (2) mit einem an der einen Seite der Kurbelwelle direkt oder indirekt angeflanschten Generator (3) und einem auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle direkt oder indirekt angeflanschten Lader (5) oder einen im Abgassystem der Antriebseinheit (1) angeordneten Turbolader umfasst. 1. Drive system for a vehicle which is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is obtained from an electrical storage or from an additional fuel carried by means of an internal combustion engine, characterized in that the drive system consists of a block-forming unit, comprising a drive unit (1 ) and an electric motor (12) for driving the vehicle, and a battery unit (17), the drive unit (1) having an internal combustion engine (2) with a generator (3) flanged directly or indirectly on one side of the crankshaft and a the opposite side of the crankshaft directly or indirectly flanged charger (5) or a turbocharger arranged in the exhaust system of the drive unit (1).
2. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die blockbildende Einheit, umfassend eine Antriebseinheit (1) mit Generator (3) und einem Elektromotor (12) auf einem Fahrschemel oder Hilfsrahmen des Fahrzeugs derart angeordnet ist, dass diese im Crashfall unter die Fahrgastzelle schiebbar bzw. zwangsgeführt ist. 2. Drive system for a vehicle according to claim 1, characterized in that the block-forming unit, comprising a drive unit (1) with a generator (3) and an electric motor (12) is arranged on a subframe or subframe of the vehicle in such a way that in the event of a crash can be pushed or positively guided under the passenger cell.
3. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (5) als Kompressor oder Turbolader ausgebildet ist und 3. Drive system for a vehicle according to claim 1, characterized in that the charger (5) is designed as a compressor or turbocharger and
4. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Lader (5) ein weiteres Zusatzgeblaese (7) angeordnet ist. 4. Drive system for a vehicle according to claims 1 and 2, characterized in that a further additional fan (7) is arranged next to the charger (5).
5. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsmotoren (2) Boxermotoren mit zwei sich gegenüberliegenden Kolben- Zylindereinheiten zum Einsatz kommen. 5. Drive system for a vehicle according to claims 1 to 3, characterized in that boxer engines with two opposing piston-cylinder units are used as internal combustion engines (2).
6. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsmotoren (2) Gegenkolbenmotoren zum Einsatz kommen. 6. Drive system for a vehicle according to claims 1 to 3, characterized in that opposed piston engines are used as internal combustion engines (2).
7. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aggregate Verbrennungsmotor (2), Generator (3), Lader (5) und gegebenenfalls ein Elektromotor (12) die Antriebseinheit (1) bilden und über die Lagerstellen (11 und 4) auf einem Fahrschemel oder Motor- oder Vorderachstraeger des Fahrzeugs vormontiert sind, wobei zwei Lagerstellen (11) außen an den Zylinderkoepfen des Boxermotors angebracht sind und eine dritte Lagerstelle (4) als eine gemeinsame Lagerstelle für den Generator und den Verbrennungsmotor fungiert. 7. Drive system for a vehicle according to claims 1 to 6, characterized in that the aggregates internal combustion engine (2), generator (3), charger (5) and optionally an electric motor (12) form the drive unit (1) and via the bearing points ( 11 and 4) are pre-assembled on a subframe or engine or front axle support of the vehicle, with two bearing points (11) being attached to the outside of the cylinder heads of the boxer engine and a third bearing point (4) acting as a common bearing point for the generator and the internal combustion engine.
8. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Start- bzw. Anfahrmodus die Luft einerseits über einen Lader (5), einem Drei Wegeventil (6) und einer Ladeluftheizung (8) oder andererseits über ein Zusatzgeblaese (7) und eine Ladeluftheizung (8) den Zylindern des Verbrennungsmotors (2) zufuehrbar ist, wobei das Zusatzgeblaese (6) zusätzlich zum Lader (5) bei Bedarf in der Warmlaufphase zuschaltbar ist. 8. Drive system for a vehicle according to claims 1 to 7, characterized in that in the start or start-up mode the air is supplied on the one hand via a charger (5), a three-way valve (6) and a charge air heater (8) or on the other hand via an additional fan ( 7) and a charge air heater (8) can be fed to the cylinders of the internal combustion engine (2), the additional fan (6) being able to be switched on in addition to the charger (5) if necessary in the warm-up phase.
9. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) im Start- oder Anfahrmodus bis zum Erreichen der Soll- Betriebstemperatur der Katalysatoren in der Abgasanlage (10) als Luftpumpe betreibbar ist. 9. Drive system for a vehicle according to claims 1 to 8, characterized in that the internal combustion engine (2) can be operated as an air pump in the start or start-up mode until the target operating temperature of the catalytic converters in the exhaust system (10) is reached.
10. Antriebssystem für ein Fahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher oder aus einem zusätzlich mitgeführtem Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystems aus einer blockbildenden Einheit, umfassend eine Antriebseinheit (1) und einen Elektromotor (12) zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Batterieeinheit (17) besteht, wobei die Antriebseinheit (1) einen Freikolbenmotor mit einem Lineargenerator umfasst. 10. Drive system for a vehicle which is driven by at least one electric motor, the electrical energy of which is obtained from an electrical storage or from an additional fuel carried by means of an internal combustion engine, characterized in that the drive system consists of a block-forming unit, comprising a drive unit (1 ) and an electric motor (12) for driving the vehicle, and a battery unit (17), the drive unit (1) comprising a free-piston engine with a linear generator.
11. Antriebssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Freikolbenmotor mit Lineargenerator ausgebildete Antriebseinheit (1) und gegebenenfalls ein Elektromotor (12) das Antriebssystem bilden und über die Lagerstellen (11 und 4) auf einem Fahrschemel oder Motor- oder Vorderachstraeger des Fahrzeugs vormontiert sind. 11. Drive system for a vehicle according to claim 10, characterized in that the drive unit (1) designed as a free-piston engine with a linear generator and optionally an electric motor (12) form the drive system and are mounted on a subframe or motor or via the bearing points (11 and 4). The front axle carrier of the vehicle is pre-assembled.
12. Fahrzeug mit einem Antriebssystem nach Anspruch 1 und wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 9 oder nach Anspruch 10 und 11. 12. Vehicle with a drive system according to claim 1 and at least one of claims 2 to 9 or according to claims 10 and 11.
13. Fahrzeug mit einem Antriebssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz in frontgetriebenen Fahrzeugen die Antriebseinheit (1) mit Generator (3) direkt mit dem Elektromotor (12) zu einer Baueinheit verbunden ist. 13. Vehicle with a drive system according to claim 12, characterized in that when used in front-wheel drive vehicles, the drive unit (1) with generator (3) is connected directly to the electric motor (12) to form a structural unit.
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