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WO2008138562A1 - Fahrzeugantrieb - Google Patents

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WO2008138562A1
WO2008138562A1 PCT/EP2008/003763 EP2008003763W WO2008138562A1 WO 2008138562 A1 WO2008138562 A1 WO 2008138562A1 EP 2008003763 W EP2008003763 W EP 2008003763W WO 2008138562 A1 WO2008138562 A1 WO 2008138562A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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drive
internal combustion
combustion engine
vehicle
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/003763
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Berger
Stephan Bartosch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of WO2008138562A1 publication Critical patent/WO2008138562A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F16H37/08—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing
    • F16H37/0833—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts, i.e. with two or more internal power paths
    • F16H37/084—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts, i.e. with two or more internal power paths at least one power path being a continuously variable transmission, i.e. CVT
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Definitions

  • the invention relates to a vehicle drive and in particular to the drive for a vehicle with an internal combustion engine.
  • Hybrid drives which use an internal combustion engine to initially generate electrical energy via an electric generator, which is stored in an energy storage, which may be constructed for example of accumulators or an arrangement of double-layer capacitors, are therefore advantageous in terms of fuel consumption, as the Internal combustion engine is constantly operated in the most favorable efficiency range.
  • the electric drive machine can be operated as a generator due to the power flow reversal, that is, there is the possibility of a Energy recuperation, preferably again the energy storage is used to absorb the energy generated during braking.
  • Next constructive advantages of the hybrid drive are that can be dispensed with a separate starter for the internal combustion engine, this function is used when starting the vehicle of the electric used for traction
  • the transmission or parts of the transmission can be dispensed with if the electric drives of the vehicle are designed in the form of wheel hub motors.
  • an alternative design of a hybrid drive is to arrange the internal combustion engine and the electric drive machine in parallel , This is understood to mean that both the internal combustion engine and the electric drive engine introduce mechanical energy into the drive train. Depending on the operating situation, the internal combustion engine and the electric drive machine can work together here. This will typically be the case with a high moment request, especially during acceleration.
  • each of the drive machines can be used according to their system characteristics. Accordingly, the electric drive machine, which emits a high torque even at low speeds, used for starting. For high speeds, in turn, the internal combustion engine of the electric drive machine is superior, so that advantageously in the range of high speeds, the internal combustion engine is used exclusively for driving.
  • the parallel hybrid drive allows the complete shutdown of the internal combustion engine, for example, in towing or a fully charged energy storage.
  • the internal combustion engine are operated as energy efficient as possible. In this case, a cylinder shutdown or a valve operation after the Adkinson cycle into consideration.
  • German utility model DE 201 17 410 111 describes an electromechanical transmission unit for a hybrid vehicle, in which the electrical transmission branch is arranged parallel to the mechanical transmission branch.
  • hybrid vehicles comprising a combination of an internal combustion engine and an electric drive engine lead to a significant reduction in fuel consumption in strongly cyclical load profiles, on the order of about 30-40% compared to vehicles whose drive takes place exclusively via an internal combustion engine.
  • a further saving of fossil fuels with consistent driving performance is required with regard to the conservation of resources and the achievement of future pollutant emission limits.
  • thermodynamical A method for using the waste heat energy of an internal combustion engine, wherein by means of a thermodynamical
  • the object of the invention is to further develop a drive for a vehicle, comprising an internal combustion engine, such that the fossil energy carriers used to operate the internal combustion engine exploited as efficiently as possible and results in a vehicle, which is characterized by low fuel consumption and low pollutant emissions.
  • the drive should also be characterized by a small space requirement and a robust and reliable structure.
  • the exhaust gas flow of the internal combustion engine from the drive unit is used to operate a steam cycle process, which generates electrical energy via an electric generator, which is driven by an expander in the Dampf Vietnamese mixesvoriques, and via an electric drive machine, the internal combustion engine in the drive unit to a hybrid drive added, is introduced into the traction for vehicle propulsion.
  • the otherwise unused waste heat from the internal combustion engine at least partially recovered and in addition the known hybrid drive, which already leads to a fuel reduction are used in the simplest possible way, that is with the already existing vehicle components, the in the steam cycle process device, generate energy to reuse.
  • the energy source additionally used by this measure for the vehicle propulsion also makes it possible to simplify the energy management for a hybrid vehicle, that is, starting from the system inherent inertia of the steam cycle process, which enables an energy buffering, the energy storage associated with the electric drive machine can be designed correspondingly smaller , This leads to a reduction of the total weight of the drive unit, or to a compensation of the additional weight due to the Dampf Vietnamese wastewater used in the invention.
  • a power-split hybrid drive is provided, specifically such a hybrid drive, in which the electric drive machine is integrated in a power branch of a power-split electromechanical transmission.
  • the electric drive machine is integrated in a power branch of a power-split electromechanical transmission.
  • Power split to at least one mechanical and at least one electrical branch and the merger of the power branches via a summing allows a control technically simple combination of an internal combustion engine with an electric drive machine, because due to the transmission characteristics for the low speed range, a higher emphasis on the electrical power branch, while high speeds, the power is transmitted substantially mechanically, that is, a transfer case driving the internal combustion engine will take over the main traction load.
  • a transmission can be designed according to the differential converter principle in a coaxial design, so that the small-sized transmission leaves sufficient space for receiving the additionally provided in accordance with the invention Dampf Vietnamese wastewater.
  • the coaxial design can for example be achieved by means of the electric drive machine, a hollow shaft is driven, which encloses a mechanically driven by the internal combustion engine shaft, in particular solid shaft in the circumferential direction and is arranged coaxially thereto.
  • a second hollow shaft is further provided, which also coaxially surrounds the shaft driven by the internal combustion engine and via which an electric generator is driven by means of the internal combustion engine. In detail, this will be discussed with reference to the figure 2.
  • FIG. 1 shows, in a schematically simplified representation, the connection of a steam cycle device, which is operated by exhaust gas heat, with a hybrid drive, comprising an internal combustion engine and an electric drive machine.
  • Figure 2 shows the connection of a Dampf Vietnamese mixesvortechnische with a differential converter transmission, which is driven by an internal combustion engine and which comprises an electrical power branch with an electric drive machine.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of a vehicle drive according to the invention, which consists of a hybrid drive, that is, a combination of an internal combustion engine 1 and an electric drive machine 3, and a steam cycle device 7, which is operated by the exhaust stream of the internal combustion engine.
  • a hybrid drive that is, a combination of an internal combustion engine 1 and an electric drive machine 3, and a steam cycle device 7, which is operated by the exhaust stream of the internal combustion engine.
  • the vehicle drive according to the invention makes it possible to convert a portion of the waste heat in the exhaust gas stream into electrical energy, which in turn via the electrical components in the hybrid drive in propulsion energy for the vehicle can be implemented.
  • the known hybrid drive is shown in a serial arrangement in FIG.
  • an electric generator 2 is driven via an internal combustion engine 1 in order to supply electrical energy to an energy store 5 via a first frequency converter 6.1.
  • the internal combustion engine is preferably operated in the region of the best point, that is to say in the region of the highest efficiency, and short power fluctuations over the energy store 5 are compensated for.
  • energy is extracted from the energy store 5 for the traction operation via the second frequency converter 6.2 for propulsion and supplied to an electric drive unit 3.
  • This is designed according to an advantageous embodiment as a hub motor, which is associated with a set of drive wheels 4.
  • serial arrangement shown in Figure 1 for the hybrid drive is characterized by the fact that can be dispensed with essentially mechanical gear or these are assigned to the wheel hub motors Mé constitutiond.
  • a transverse flux machine is used as the electric drive machine.
  • the vehicle drive comprises a
  • Steam cycle process device 7 with a heat exchanger 9 having evaporator 8 for a resource.
  • the exhaust gas flow from the internal combustion engine 1 is supplied to the heat exchanger 9, whereby the working fluid is heated and evaporated at a first temperature.
  • the heat exchanger 9 upstream of the purification of the exhaust gas flow associated with a particulate filter 17 and / or a catalyst.
  • an expander 10 is provided in which the vaporous working medium performs mechanical work and cools.
  • a condenser 12 is used for liquefying the working fluid, wherein the condenser is advantageously cooled via the cooling circuit 13 of the vehicle.
  • a working fluid tank 14 and a pump 15 the liquid working fluid for re-evaporation of the evaporator 8 is supplied.
  • the steam cycle in the steam cycle device 7 is performed with components designed according to the input of power from the exhaust gas flow of the internal combustion engine 1.
  • an expander 10 an expansion machine is preferred, which converts a piston stroke via a swash plate into a rotational movement according to the piston expansion design.
  • a crankshaft motor can be used as expander 10, and a steam turbine for particularly high outputs. Even rotary engines or vane motors may be advantageous for some applications.
  • the mechanical energy generated via the expander 10 is converted by means of a second generator 11, which is associated with the steam cycle device 7, into electrical energy, which in turn is preferably fed via a frequency converter in the energy storage 5 of the hybrid drive.
  • This conversion of the mechanical power generated via the steam cycle process into an electrical one makes it possible to use the electrical components in the hybrid drive for energy introduction.
  • different embodiments are conceivable, for example, an exclusively the steam cycle processing device 7 associated energy storage, which is adjusted according to its design characteristics and which in turn via frequency converter with a further energy storage of the hybrid drive or a DC voltage intermediate circuit associated therewith.
  • a direct feed into a central energy storage of the vehicle drive according to the invention is conceivable.
  • the second generator 11, which is associated with the steam cycle device 7, is dispensed with, and instead the expander 10 of the steam cycle device 7 is mechanically coupled to the electric generator 2 of the hybrid drive, that is, in addition to the introduction of force by the internal combustion engine 1 drives the expander 10 to the electric generator 2 of the hybrid drive.
  • One possible embodiment is the use of a summation gear in the form of a planetary gear set, or the direct drive in coupling with the internal combustion engine or switched alternately via clutches.
  • a separate heat source 16 is provided in the steam cycle device 7. This is particularly advantageous designed as a burner in which the fuel of the internal combustion engine 1 is used to generate a hot gas stream.
  • the separate heat source 16 is used to efficiently control the steam cycle process and to provide an emergency system. Accordingly, although the
  • Energy storage 5 are empty and a start of the vehicle is to be completed. If the hybrid drive is designed so that dispensing with a separate starter with a battery and instead the electric drive machine 3 is used for starting the internal combustion engine when the vehicle is started, then in an emergency by igniting the burner and thus activating the separate heat source 16 in the steam cycle device 7 energy to Charging the energy storage and thus to the operation of the electric machine 3 are generated.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the connection according to the invention of a steam cycle device 7 operated with the exhaust gas stream of FIG
  • Internal combustion engine 1 and a hybrid drive shown This is realized by a parallel arrangement of the electric drive machine 3 and the internal combustion engine 1, wherein the electric drive machine 3 is part of an electrical transmission branch in a power-split transmission operating on the differential converter principle.
  • This comprises a first mechanical power branch 23 and a second electrical power branch 24.
  • the combination shown is characterized both by a compact size and by a high variability of the hybrid drive, in which either the internal combustion engine 1 or the electric drive machine 3 respectively for driving the
  • Transmission output shaft A or in combination can be used.
  • connection of the internal combustion engine 1 to the steam cycle device is again shown schematically in simplified form in FIG 7, wherein the supply line of the exhaust gas flow from the internal combustion engine 1 for feeding the steam cycle process is outlined.
  • the electrical energy obtained by the steam cycle is fed into the energy storage 5 of the hybrid drive.
  • This is connected via a frequency converter 6.2 with the electric drive machine 3 in combination.
  • This is located as described above in a first electrical power branch 24 of a differential converter transmission.
  • an electric generator 2 is present, which in turn is coupled to the electric drive machine via the frequency converters 6.1, 6.2 and supplies them with electrical energy during traction operation.
  • the power flow is reversed and the electric drive machine 3 is operated as a generator, that is, there is an electrical power flow via the frequency converter 6.2 to the energy storage 5.
  • the braking function can thus be carried out a recuperation of the kinetic energy of the vehicle.
  • the differential converter 29 is driven by the internal combustion engine 1. This is at least indirectly connected to the transmission input shaft E. Specifically, intermediate components for this coupling, such as clutches and / or damping elements, not shown. Via the transmission input shaft E, a transfer case 18 is driven, which can be designed according to the representation shown in Figure 2 as a planetary gear set. As input, a ring gear 19 is used, which meshes with the gears of the planet carrier 20, the one
  • a further planetary gear is used as summing 26, the sun gear of the summation 27 drives the web or the planet carrier of the summation 28, which represents the output of the summing and having a connection to the transmission output shaft A.
  • the ring gear of the planetary gear set of the summation 26 is fixed.
  • the differential converter gear 29 is formed coaxially and in a particularly preferred, space-saving design, the transfer case 18 and the summing 26 are arranged adjacent to each other and form a structural unit, wherein the electrical transmission branch with the electric generator 2 and the electric drive machine 3 of this
  • Drive machine 3 can drive regeneratively, is enclosed coaxially.
  • the two hollow shafts 22 and 25 are arranged in particular in alignment with each other.
  • the differential converter 29 has means for fixing individual transmission components.
  • the clutch 30 is shown in Figure 2, which allows to set the transfer case 18, in the event that a solo drive purely on the electric drive machine 3, powered by the energy storage 5, should be made.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb umfassend einen Hybridantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) und wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (3); eine Dampfkreisprozessvorrichtung (7), in der ein Arbeitsmedium in einem Verdampfer (8) durch den Abgasstrom aus der Verbrennungskraftmaschine (1) verdampft wird und in einem Expander (10) mechanische Arbeit verrichtet; der Expander der Dampfkreisprozesseinrichtung treibt einen elektrischen Generator (11) an, wobei die erzeugte elektrische Energie wenigstens mittelbar der elektrischen Antriebsmaschine im Hybridantrieb zugeführt wird.

Description

Fahrzeugantrieb
Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb und insbesondere den Antrieb für ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine.
Verbrennungskraftmaschinen wie Otto- oder Dieselmotoren stellen die Antriebe der meisten Fahrzeuge dar. Diese zeichnen sich insbesondere durch die leichte Speicherbarkeit und die hohe Energiedichte der zum Antrieb verwendeten fossilen Energieträger aus. Darüber hinaus stellen sie insbesondere bei hohen Drehzahlen und damit hohen Fahrgeschwindigkeiten eine hohe Leistung zur Verfügung. Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und zur Reduktion von Schadstoffemissionen werden jedoch in zunehmendem Maße Antriebe mit Verbrennungskraftmaschinen dahingehend weiterentwickelt, dass zusätzlich eine elektrische Antriebsmaschine integriert wird. Solche Antriebskonzepte werden als Hybridfahrzeuge bezeichnet, wobei sich im einfachsten Fall der Einsatz der elektrischen Antriebe auf die Start-Stopp-Funktion beschränkt. Ferner ist es denkbar, den elektrischen Antrieb nur zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine für bestimmte Fahrsituationen einzusetzen. Ein Hybridantrieb kann jedoch zu einer solchen Antriebseinheit weiterentwickelt werden, bei der je nach Fahrsituation entweder nur die
Verbrennungskraftmaschine oder die elektrische Antriebsmaschine oder eine Kombination beider Antriebe zum Vortrieb verwendet wird.
Hybridantriebe, welche eine Verbrennungskraftmaschine dazu verwenden, um über einen elektrischen Generator zunächst elektrische Energie zu erzeugen, welche in einem Energiespeicher zwischengespeichert wird, der beispielsweise aus Akkumulatoren oder einer Anordnung von Doppelschichtkondensatoren aufgebaut sein kann, sind deshalb im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch vorteilhaft, da die Verbrennungskraftmaschine ständig im günstigsten Wirkungsgradbereich betrieben wird. Zusätzlich kann beim Bremsen, das heißt im Schleppbetrieb, die elektrische Antriebsmaschine aufgrund der Kraftflussumkehr generatorisch betrieben werden, das heißt es besteht die Möglichkeit einer Energierekuperation, wobei bevorzugt wieder der Energiespeicher zur Aufnahme der während des Bremsens erzeugten Energie dient. Weiter konstruktive Vorteile des Hybridantriebs bestehen darin, dass auf einen separaten Anlasser für die Verbrennungskraftmaschine verzichtet werden kann, diese Funktion wird beim Starten des Fahrzeugs von der für die Traktion verwendeten elektrischen
Antriebsmaschine mit übernommen. Darüber hinaus kann auf das Getriebe oder Teile des Getriebes verzichtet werden, wenn die elektrischen Antriebe des Fahrzeugs in der Form von Radnabenmotoren ausgebildet sind.
Neben der voranstehend beschriebenen seriellen Hybridkonfiguration, bei der die Verbrennungskraftmaschine im Fahrzeug lediglich mittelbar, das heißt über eine Konvertierung der mechanischen in elektrische Energie, zum Vortrieb des Fahrzeugs verwendet wird, besteht eine alternative Gestaltung eines Hybridantriebs darin, die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Antriebsmaschine parallel anzuordnen. Hierunter wird verstanden, dass sowohl die Verbrennungskraftmaschine wie auch die elektrische Antriebsmaschine mechanische Energie in den Antriebsstrang einleiten. Je nach Betriebssituation können hierbei die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Antriebsmaschine gemeinsam arbeiten. Dies wird typischerweise bei einer hohen Momentanforderung, insbesondere beim Beschleunigen, der Fall sein.
Darüber hinaus kann jede der Antriebsmaschinen gemäß ihrer Systemcharakteristik verwendet werden. Demnach wird die elektrische Antriebsmaschine, welche bereits bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment abgibt, für das Anfahren verwendet. Für hohe Drehzahlen ist wiederum die Verbrennungskraftmaschine der elektrischen Antriebsmaschine überlegen, so dass vorteilhafterweise im Bereich hoher Fahrtgeschwindigkeiten die Verbrennungskraftmaschine ausschließlich zum Antrieb verwendet wird. Der parallele Hybridantrieb erlaubt die vollständige Abschaltung der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise im Schleppbetrieb oder bei einem vollständig geladenen Energiespeicher. Zusätzlich kann insbesondere für den langsamen Fahrbereich, bei dem der elektrische Antrieb die Hauptantriebslast trägt, die Verbrennungskraftmaschine möglichst energieeffizient betrieben werden. Hierbei kommt eine Zylinderabschaltung oder ein Ventilbetrieb nach dem Adkinson-Zyklus in Betracht.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE 201 17 410 111 beschreibt eine elektro- mechanische Getriebebaueinheit für ein Hybridfahrzeug, bei welcher der elektrische Getriebezweig parallel zum mechanischen Getriebezweig angeordnet ist.
Hybridfahrzeuge umfassend eine Kombination einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Antriebsmaschine führen zwar bei stark zyklischen Lastprofilen zu einer deutlichen Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, in einer Größenordnung von etwa 30-40 % im Vergleich zu Fahrzeugen, deren Antrieb ausschließlich über eine Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Eine weitergehende Einsparung fossiler Energieträger bei gleich bleibender Fahrleistung wird jedoch im Hinblick auf die Ressourcenschonung und zum Erreichen zukünftiger Schadstoffemissionsgrenzwerte gefordert.
Ein Hybridfahrzeug, bei welchem ein elektrischer Generator mittels einer Dampfturbine angetrieben wird, wird in der Patentschrift DE 41 28 297 C1 beschrieben. Der dort vorgeschlagene Aufbau ist jedoch komplex, damit anfällig für Störungen und vergleichsweise aufwändig.
Ein Verfahren zur Nutzung der Abwärmeenergie einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem mittels einer thermodynamischen
Expansionsmaschine ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird, wird in der europäischen Patentanmeldung EP 0 045 843 A2 beschrieben. Auch der dort beschriebene Aufbau ist komplex und aufwändig in seiner Ansteuerung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für ein Fahrzeug, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine, so weiterzuentwickeln, dass die zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine verwendeten fossilen Energieträger möglichst effizient ausgenutzt werden und ein Fahrzeug resultiert, welches sich durch einen niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Schadstoffemissionen auszeichnet. Der Antrieb soll sich ferner durch einen geringen notwendigen Bauraum und einen robusten und verlässlichen Aufbau auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Fahrzeugantrieb mit dem Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine aus der Antriebseinheit zum Betrieb eines Dampfkreisprozesses verwendet, durch welchen über einen elektrischen Generator, der von einem Expander in der Dampfkreisprozessvorrichtung angetrieben wird, elektrische Energie erzeugt und über eine elektrische Antriebsmaschine, die die Verbrennungskraftmaschine in der Antriebseinheit zu einem Hybridantrieb ergänzt, in die Traktion für den Fahrzeugvortrieb eingeleitet wird. Demnach kann erfindungsgemäß die ansonsten ungenutzte Abwärme aus der Verbrennungskraftmaschine wenigstens teilweise wieder zurückgewonnen und zusätzlich der an sich bekannte Hybridantrieb, welcher bereits zu einer Kraftstoffreduktion führt, dazu eingesetzt werden, um auf möglichst einfach Art und Weise, das heißt mit den ohnehin vorhandenen Fahrzeugkomponenten, die in der Dampfkreisprozessvorrichtung erzeuge Energie wiederzuverwenden.
Die durch diese Maßnahme für den Fahrzeugvortrieb zusätzlich genutzte Energiequelle erlaubt es darüber hinaus, das Energiemanagement für ein Hybridfahrzeug zu vereinfachen, das heißt ausgehend von der systeminhärenten Trägheit des Dampfkreisprozesses, welche eine Energiezwischenpufferung ermöglicht, kann der der elektrischen Antriebsmaschine zugeordnete Energiespeicher entsprechend kleiner bauend ausgebildet werden. Dies führt zu einer Reduktion des Gesamtgewichts der Antriebseinheit, beziehungsweise zu einer Kompensation des Zusatzgewichts aufgrund der erfindungsgemäß verwendeten Dampfkreisprozessvorrichtung.
Das Konzept einer Abgaswärmerückgewinnung über einen Dampfkreisprozess und die Umwandlung der im Kreisprozess erzeugten mechanischen Energie in elektrische Energie kann mit unterschiedlichen Hybridantrieben kombiniert werden, das heißt es kommen hierfür serielle oder parallele Hybridantriebe in Betracht oder die Verwendung einer elektrischen Antriebsmaschine, die lediglich zur Unterstützung des verbrennungskraftbasierten Haupantriebs dient.
Erfindungsgemäß wird ein leistungsverzweigter Hybridantrieb vorgesehen, und zwar ein solcher Hybridantrieb, bei dem die elektrische Antriebsmaschine in einem Leistungszweig eines leistungsverzweigten elektromechanischen Getriebes integriert wird. Ein solches nach dem Differenzialwandlerprinzip arbeitendes Getriebe, umfassend - in Traktionsrichtung gesehen - ein Verteilergetriebe, zur
Leistungsverzweigung auf wenigstens einen mechanischen und wenigstens einen elektrischen Nebenzweig und die Zusammenführung der Leistungszweige über ein Summiergetriebe, erlaubt eine steuerungstechnisch einfache Kombination einer Verbrennungskraftmaschine mit einer elektrischen Antriebsmaschine, da aufgrund der Getriebecharakteristik für den niederen Drehzahlbereich eine höhere Gewichtung auf dem elektrischen Leistungszweig liegt, während für hohe Drehzahlen die Leistung im Wesentlichen mechanisch übertragen wird, das heißt eine das Verteilergetriebe antreibende Verbrennungskraftmaschine wird die Haupttraktionslast übernehmen. Wird nun erfindungsgemäß über eine Dampfkreisprozessvorrichtung Energie aus dem Abgasstrom der
Verbrennungskraftmaschine zurückgewonnen, so folgt eine energieeffiziente Einheit, welche sich durch eine gute Steuerbarkeit auszeichnet. Darüber hinaus kann ein Getriebe nach dem Differenzialwandlerprinzip in koaxialer Bauweise ausgeführt sein, so dass das kleinbauende Getriebe einen hinreichenden Bauraum zur Aufnahme der erfindungsgemäß zusätzlich vorgesehenen Dampfkreisprozessvorrichtung freilässt. Die koaxiale Bauweise kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass mittels der elektrischen Antriebsmaschine eine Hohlwelle angetrieben wird, welche eine mechanisch durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebene Welle, insbesondere Vollwelle, in Umfangsrichtung umschließt und koaxial zu dieser angeordnet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ferner eine zweite Hohlwelle vorgesehen, welche die durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebene Welle ebenfalls koaxial umschließt und über welche ein elektrischer Generator mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Im Einzelnen wird hierzu noch mit Bezug auf die Figur 2 eingegangen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren in Form von Ausführungsbeispielen beschrieben, welche im Einzelnen Folgendes darstellen:
Figur 1 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung die Verbindung einer Dampfkreisprozessvorrichtung, welche durch Abgaswärme betrieben wird, mit einem Hybridantrieb, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Antriebsmaschine.
Figur 2 zeigt die Verbindung einer Dampfkreisprozessvorrichtung mit einem Differentialwandlergetriebe, das von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird und welches einen elektrischen Leistungszweig mit einer elektrischen Antriebsmaschine umfasst.
Figur 1 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung einen erfindungsgemäßen Fahrzeugantrieb, der als Verbindung eines Hybridantriebs, das heißt einer Kombination aus einer Verbrennungskraftmaschine 1 und einer elektrischen Antriebsmaschine 3, und einer Dampfkreisprozessvorrichtung 7 besteht, wobei diese durch den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine betrieben wird.
Durch den erfindungsgemäßen Fahrzeugantrieb gelingt es, ein Teil der Abwärme im Abgasstrom in elektrische Energie umzuwandeln, die wiederum über die elektrischen Komponenten im Hybridantrieb in Vortriebsenergie für das Fahrzeug umgesetzt werden kann. Im Einzelnen ist in Figur 1 der bekannte Hybridantrieb in serieller Anordnung dargestellt. Hierzu wird über eine Verbrennungskraftmaschine 1 ein elektrischer Generator 2 angetrieben, um über einen ersten Frequenzumrichter 6.1 einem Energiespeicher 5 elektrische Energie zuzuführen. Bevorzugt wird hierzu die Verbrennungskraftmaschine im Bereich des Bestpunkts, das heißt im Bereich des höchsten Wirkungsgrads, betrieben und kurze Leistungsschwankungen über den Energiespeicher 5 ausgeglichen. Zusätzlich oder alternativ zum Energiespeicher 5 kann ein Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen werden, welcher beispielsweise aus Hochleistungskondensatoren aufgebaut ist und auf den wiederum die ein- und ausspeichernden Komponenten über Frequenzumrichter zugreifen. Einem solchen werden zur Spannungsstabilisierung Regel- und Steuereinheiten zugeordnet, die jedoch in der schematisch vereinfachten Darstellung von Figur 1 im Einzelnen nicht gezeigt sind.
In der Ausgestaltung nach Figur 1 wird für den Traktionsbetrieb über den zweiten Frequenzumrichter 6.2 zum Vortrieb Energie aus dem Energiespeicher 5 entnommen und einer elektrischen Antriebseinheit 3 zugeführt. Diese ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung als Radnabenmotor ausgebildet, welcher einem Satz Antriebsräder 4 zugeordnet ist.
Die in Figur 1 gezeigte serielle Anordnung für den Hybridantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass im Wesentlichen auf mechanische Getriebe verzichtet werden kann oder diese kleinbauend den Radnabenmotoren zugeordnet sind. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird als elektrische Antriebsmaschine eine Transversalflussmaschine verwendet.
Erfindungsgemäß umfasst der Fahrzeugantrieb eine
Dampfkreisprozessvorrichtung 7 mit einem einen Wärmetauscher 9 aufweisenden Verdampfer 8 für ein Betriebsmittel. Dem Wärmetauscher 9 wird der Abgasstrom aus der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt, wodurch das Arbeitsmittel auf einer ersten Temperatur erhitzt und verdampft wird. Besonders bevorzugt wird dem Wärmetauscher 9 stromaufwärts zur Reinigung des Abgasstroms ein Partikelfilter 17 und/oder ein Katalysator zugeordnet.
Zur Vervollständigung der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 ist ein Expander 10 vorgesehen, in dem das dampfförmige Arbeitsmittel mechanische Arbeit verrichtet und abkühlt. In Stromrichtung nachfolgend wird ein Kondensator 12 zur Verflüssigung des Arbeitsmittels verwendet, wobei der Kondensator vorteilhafterweise über den Kühlkreis 13 des Fahrzeugs gekühlt wird. Über einen Arbeitsmitteltank 14 und eine Pumpe 15 wird das flüssige Arbeitsmittel zur erneuten Verdampfung dem Verdampfer 8 zugeführt.
Der Dampfkreisprozess in der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 wird mit Komponenten ausgeführt, welche entsprechend des Leistungseintrags aus dem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgelegt sind. Beispielsweise wird als Expander 10 eine Expansionsmaschine bevorzugt, welche nach der Kolbenexpanderbauweise einen Kolbenhub über eine Taumelscheibe in eine Rotationsbewegung umsetzt. Für höhere Leistungsanforderungen kann als Expander 10 ein Kurbelwellenmotor und für besonders hohe Leistungen eine Dampfturbine verwendet werden. Auch Kreiskolbenmotoren oder Flügelzellenmotoren können für manche Anwendungen vorteilhaft sein.
Die über den Expander 10 erzeugte mechanische Energie wird mittels eines zweiten Generators 11 , der der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 zugeordnet ist, in elektrische Energie umgesetzt, welche wiederum bevorzugt über einen Frequenzumrichter in den Energiespeicher 5 des Hybridantriebs eingespeist wird. Diese Konvertierung der über den Dampfkreisprozess erzeugten mechanischen Leistung in eine elektrische erlaubt es, die elektrischen Komponenten im Hybridantrieb zur Energieeinleitung zu verwenden. Hierbei sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar, beispielsweise ein ausschließlich der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 zugeordneter Energiespeicher, der in seiner Auslegungscharakteristik entsprechend angepasst wird und welcher wiederum über Frequenzumrichter mit einem weiteren Energiespeicher des Hybridantriebs oder einem diesem zugeordneten Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist. Auch eine direkte Einspeisung in einen zentralen Energiespeicher des erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebs ist denkbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird auf den zweiten Generator 11 , der der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 zugeordnet ist, verzichtet und stattdessen wird der Expander 10 der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 mechanisch mit dem elektrischen Generator 2 des Hybridantriebs gekoppelt, das heißt neben der Krafteinleitung durch die Verbrennungskraftmaschine 1 treibt der Expander 10 den elektrischen Generator 2 des Hybridantriebs an. Eine mögliche Ausführung besteht in der Verwendung eines Summiergetriebes in Form eines Planetenradsatzes, oder auch der direkte Eintrieb in Kopplung mit dem Verbrennungsmotor oder wechselweise geschaltet über Kupplungen.
Gemäß einer Weitergestaltung ist in der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 eine separate Wärmequelle 16 vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist diese als Brenner ausgestaltet, in dem der Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Erzeugung eines heißen Gasstroms verwendet wird. Die separate Wärmequelle 16 wird dazu verwendet, um den Dampfkreisprozess effizient regeln zu können und um ein Notfallsystem zu schaffen. Demnach wird zwar der
Hauptenergieeintrag zum Betrieb des Dampfkreisprozesses über den Abgasstrom aus der Verbrennungskraftmaschine 1 erfolgen. Gleichwohl kann es für einige Betriebssituationen notwendig sein, den Dampfkreisprozess ohne Abgasstrom zu betreiben oder dessen Energieeintrag zu erhöhen. Denkbar ist hierbei der Fall, dass die der elektrischen Antriebsmaschine 3 im Hybridantrieb zugeordneten
Energiespeicher 5 leer sind und ein Start des Fahrzeugs vollzogen werden soll. Ist der Hybridantrieb so ausgestaltet, dass auf einen separaten Anlasser mit einer Batterie verzichtet wird und stattdessen die elektrische Antriebsmaschine 3 zum Anwerfen der Verbrennungskraftmaschine beim Start des Fahrzeugs verwendet wird, so kann im Notfall durch ein Zünden des Brenners und damit ein Aktivieren der separaten Wärmequelle 16 in der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 Energie zur Aufladung des Energiespeichers und damit zum Betrieb der elektrischen Maschine 3 erzeugt werden.
In Figur 2 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindung einer Dampfkreisprozessvorrichtung 7 betrieben mit dem Abgasstrom der
Verbrennungskraftmaschine 1 und einem Hybridantrieb dargestellt. Diese ist durch eine Parallelanordnung der elektrischen Antriebsmaschine 3 und der Verbrennungskraftmaschine 1 realisiert, wobei die elektrische Antriebsmaschine 3 Teil eines elektrischen Getriebezweigs in einem nach dem Differentialwandlerprinzip arbeitenden leistungsverzweigten Getriebe ist. Dieses umfasst einen ersten mechanischen Leistungszweig 23 und einen zweiten elektrischen Leistungszweig 24. Die dargestellte Kombination zeichnet sich sowohl durch eine kompakte Baugröße als auch durch eine hohe Variabilität des Hybridantriebs aus, bei dem entweder die Verbrennungskraftmaschine 1 oder die elektrische Antriebsmaschine 3 jeweils solo zum Antrieb der
Getriebeausgangswelle A oder in Kombination verwendet werden können.
Aufgrund der Anordnung der elektrischen Antriebsmaschine 3 in einem Nebenzweig des Leistungsverzweig ungsgetriebes besteht aufgrund der konstruktiven Ausbildung eine solche systeminhärente Übertragungscharakteristik, dass für den unteren Drehzahlbereich der elektrische Leistungszweig 24 gegenüber dem mechanischen Leistungszweig 23 stärker gewichtet ist, bei höheren Drehzahlen kehrt sich dann dieses Verhältnis um, so dass im Wesentlichen die Verbrennungskraftmaschine 1 zur Traktion verwendet wird. Über dieses Konstruktionsprinzip wird die Steuerung des erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebs vereinfacht, das heißt das Energiemanagement für den Energiespeicher 5 ist weniger komplex und kann somit leichter den Energieeintrag aus dem erfindungsgemäß verwendeten Dampfkreisprozess zum Energiespeicher 5 steuern.
Im Einzelnen ist in Figur 2 wiederum in schematisch vereinfachter Darstellung die Verbindung der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Dampfkreisprozessvorrichtung 7 gezeigt, wobei die Zuleitung des Abgasstroms von der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Speisung des Dampfkreisprozesses skizziert ist. Die durch den Dampfkreisprozess gewonnene elektrische Energie wird in den Energiespeicher 5 des Hybridantriebs eingespeist. Dieser steht über einen Frequenzumrichter 6.2 mit der elektrischen Antriebsmaschine 3 in Verbindung. Diese befindet sich wie voranstehend dargestellt in einem ersten elektrischen Leistungszweig 24 eines Differentialwandlergetriebes. Zusätzlich liegt in diesem elektrischen Leistungszweig ein elektrischer Generator 2 vor, welcher wiederum über die Frequenzumrichter 6.1 , 6.2 mit der elektrischen Antriebsmaschine gekoppelt ist und diese mit elektrischer Energie während des Traktionsbetriebs versorgt. Im Fall einer Bremsung des Fahrzeugs, das heißt im Schleppmodus, kehrt sich der Kraftfluss um und die elektrische Antriebsmaschine 3 wird generatorisch betrieben, das heißt es liegt ein elektrischer Leistungsfluss über die Frequenzumrichter 6.2 zum Energiespeicher 5 vor. Neben der Bremsfunktion kann damit auch eine Rekuperation der Bewegungsenergie des Fahrzeugs vollzogen werden.
Angetrieben wird das Differentialwandlergetriebe 29 durch die Verbrennungskraftmaschine 1. Diese ist wenigstens mittelbar mit der Getriebeeingangswelle E verbunden. Im Einzelnen sind Zwischenkomponenten für diese Kopplung, beispielsweise Schaltkupplungen und/oder Dämpfungselemente, nicht dargestellt. Über die Getriebeeingangswelle E wird ein Verteilergetriebe 18 angetrieben, welches entsprechend der in Figur 2 gezeigten Darstellung als Planetenradsatz ausgebildet sein kann. Als Eingang wird ein Hohlrad 19 verwendet, welches die Zahnräder des Planetenradträgers 20 kämmt, der eine
Verbindung zur Getriebeausgangswelle aufweist. Diese Komponenten treiben den ersten, mechanisch Leistungszweig 23 an und ein zweiten elektrischer Leistungszweig 24 wird vom Sonnenrad 21 des Verteilergetriebes über eine Hohlwelle 22 beschickt, wobei diese wenigstens mittelbar den elektrischen Generator 2 antreibt. Über den zwischengeschalteten elektrischen Leistungsfluss wird die elektrische Antriebsmaschine 3 angetrieben, die über eine zweite Hohlwelle 25 auf den Eingang des Summiergetriebes 26 zugreift, in welchem die Zusammenführung der Leistungsflüsse der einzelnen Leistungszweige vollzogen wird.
Gemäß der dargestellten Ausgestaltung wird als Summiergetriebe 26 ein weiterer Planetenradsatz verwendet, wobei das Sonnenrad des Summiergetriebes 27 den Steg beziehungsweise den Planetenradträger des Summiergetriebes 28 antreibt, welcher den Ausgang des Summiergetriebes darstellt und der eine Verbindung zur Getriebeausgangswelle A aufweist. Wie in Figur 2 gezeigt, ist das Hohlrad des Planetenradsatzes des Summiergetriebes 26 festgesetzt.
Vorzugsweise wird das Differentialwandlergetriebe 29 koaxial ausgebildet und in einer besonders bevorzugten, bauraumsparenden Gestaltung, werden das Verteilergetriebe 18 und das Summiergetriebe 26 benachbart zueinander angeordnet und bilden eine Baueinheit, wobei der elektrische Getriebezweig mit dem elektrischer Generator 2 und der elektrischen Antriebsmaschine 3 dieser
Baueinheit in Traktionsrichtung vor- oder nachgelagert ist. Man beachte die in der Figur 2 dargestellte Ausführung mit der Welle des ersten, mechanischen Leistungszweiges 23, welche durch die Hohlwelle 22, über welche der Generator 2 angetrieben wird und die zweite Hohlwelle 25, die durch die elektrische Antriebsmaschine 3 angetrieben wird beziehungsweise die elektrische
Antriebsmaschine 3 generatorisch antreiben kann, koaxial umschlossen wird. Die beiden Hohlwellen 22 und 25 sind dabei insbesondere fluchtend zueinander angeordnet.
Ferner weist das Differentialwandlergetriebe 29 Mittel zur Festsetzung einzelner Getriebekomponenten auf. Hierzu ist in Figur 2 die Kupplung 30 dargestellt, die es erlaubt, das Verteilergetriebe 18 festzusetzen, für den Fall, dass ein Soloantrieb rein über die elektrische Antriebsmaschine 3, gespeist durch den Energiespeicher 5, erfolgen soll.
Die bauraumsparende Anordnung aus Figur 2 lässt sich besonders vorteilhaft mit der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 zu einer kompakten Antriebseinheit kombinieren, wobei insbesondere das Getriebekonzept die Steuerung des Hybridantriebs und damit die Eingliederung der Energieflüsse aus der Dampfkreisprozessvorrichtung 7 vereinfacht.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungskraftmaschine
2 elektrischer Generator
3 elektrische Antriebsmaschine
4 Antriebsräder
5 Energiespeicher
6.1 , 6.2 Frequenzumrichter
7 Dampfkreisprozessvorrichtung
8 Verdampfer
9 Wärmetauscher
10 Expander
11 zweiter elektrischer Generator
12 Expander
13 Kühlkreis
14 Arbeitsmitteltank
15 Pumpe
16 separate Wärmequelle
17 Partikelfilter
18 Verteilergetriebe
19 Hohlrad
20 Planetenradträger
21 Sonnenrad
22 Hohlwelle
23 erster, mechanischer Leistungszweig
24 zweiter, elektrischer Leistungszweig
25 zweite Hohlwelle
26 Summiergetriebe
27 Sonnenrad des Summiergetriebes
28 Steg
29 Differentialwandlergetriebe
30 Kupplung A Getriebeausgangswelle
E Getriebeeingangswelle

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugantrieb umfassend
1.1 einen Hybridantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) und wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (3);
1.2 eine Dampfkreisprozessvorrichtung (7), in der ein Arbeitsmedium in einem Verdampfer (8) durch den Abgasstrom aus der Verbrennungskraftmaschine (1) verdampft wird und in einem Expander (10) mechanische Arbeit verrichtet; 1.3 der Expander (10) der Dampfkreisprozesseinrichtung (7) treibt einen elektrischen Generator (11) an, wobei die erzeugte elektrische Energie wenigstens mittelbar der elektrischen Antriebsmaschine (3) im Hybridantrieb zugeführt wird dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 die elektrische Antriebsmaschine (3) im Hybridantrieb in einem Nebenzweig eines von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Leistungsverzweigungsgetriebes angeordnet ist, wobei; 1.5 das Leistungsverzweigungsgetriebe ein Verteilergetriebe (18) zur Leistungsaufteilung auf wenigstens einen ersten, mechanischen Leistungszweig (23) und wenigstens einen zweiten, elektrischen
Leistungszweig (24) und ein Summiergetriebe (26) zur Zusammenführung der Leistungsflüsse der einzelnen Leistungszweige umfasst.
2. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) im Hybridantrieb einen elektrischen
Generator (2) antreibt, dessen elektrische Leistung wenigstens mittelbar der elektrischen Antriebsmaschine (3) zugeführt wird.
3. Fahrzeugantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsverzweigungsgetriebe koaxial aufgebaut ist.
4. Fahrzeugantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom elektrischen Generator (2) im Hybridantrieb erzeugte elektrische Energie in einen Energiespeicher (5) eingespeist wird, aus dem die elektrische Antriebsmaschine (3) des Hybridantriebs versorgt wird.
5. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (5) ein Gleichspannungszwischenkreis ist, der Kondensatoren als Energiespeicher umfasst und dem eine Regelungseinheit zur Spannungsstabilisierung zugeordnet ist.
6. Fahrzeugantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (3) des Hybridantriebs zur Beschleunigung des Fahrzeugs und insbesondere beim Anfahren verwendet wird.
7. Fahrzeug mit einem Fahrzeugantrieb nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche.
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