DE102007004456A1

DE102007004456A1 - Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102007004456A1
Application number: DE102007004456A
Authority: DE
Inventors: Marten Wittorf
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Pkw, umfassend a) einen ersten Antrieb (2), für den ein komprimiertes brennbares Gas (13) als Kraftstoff vorgesehen ist, b) einen zweiten, mit einem Druckfluid (15) ausgestatteten hydraulischen oder pneumatischen Antrieb (5), wobei ein gemeinsamer Druckbehälter (3) für das komprimierte Gas und das Druckfluid vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug und insbesondere für einen Pkw. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Pkw mit einer derartigen Antriebseinheit.
Hybridfahrzeuge, das heißt Fahrzeuge mit zwei Antrieben, benötigen für jeden Antrieb eine separate Energiequelle. Besitzt das Kraftfahrzeug beispielsweise als Antrieb eine Brennkraftmaschine und eine elektrische Maschine, muss sowohl ein Kraftstofftank als auch eine Stromquelle, z. B. eine Brennstoffzelle, bereitgestellt werden. Dies macht Hybridfahrzeuge aufwändiger in ihrer Konstruktion.
Die JP 2002067712 beschreibt ein Fahrzeug mit einem Öltank. Ein erster Teil des Öltanks dient der Aufnahme von Heizöl für die Maschine des Fahrzeugs. Ein zweiter Teil des Öltanks dient der Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit für eine hydraulisch betriebene Ausrüstung des Fahrzeugs.
Die DE 102 01 930 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine. Die Brennkraftmaschine treibt eine erste Achse und die elektrische Maschine eine zweite Achse des Fahrzeugs an. Die elektrische Maschine wird mit einem Brennstoffzellensystem betrieben.
Es ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung, ein baulich vereinfachtes Hybridfahrzeug bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere Ausführungsformen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit zwei Antrieben. Ein erster Antrieb besteht in einer Brennkraftmaschine und wird mit einem komprimierten brennbaren Gas betrieben. Der zweite Antrieb ist ein hydraulischer oder ein pneumatischer Antrieb, sodass ihm ein Druckfluid zugeordnet ist. Für die zwei Antriebe ist ein gemeinsamer Druckbehälter vorgesehen, also ein Druckbehälter sowohl für das komprimierte Gas als auch für das Druckfluid. Der Druckbehälter ist im Regelfall ausgelegt, Arbeitsdrücke von bis zu 350 bar zu ermöglichen.
Der vorgeschlagene Hybridantrieb hat zunächst einen ersten Antrieb, der ein komprimiertes brennbares Gas, beispielsweise komprimiertes Erdgas, als Energiequelle vorsieht. Es handelt sich bei dem ersten Antrieb somit um einen CNG-(englisch: compressed natural gas)Antrieb, der typischerweise eine große Reichweite von beispielsweise 300 km oder mehr hat.
Der erste Antrieb wird durch einen zweiten Antrieb ergänzt. Der zweite Antrieb ist ein hydraulischer oder ein pneumatischer Antrieb, der einen geringeren Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu einem Fahrzeug ermöglicht, das nur einen CNG-Antrieb besitzt. Dies liegt daran, dass der zweite Antrieb beim Bremsen aufgeladen wird und somit Bremsenergie für den Antrieb des Fahrzeuges nutzbar machen kann, wodurch sich optimierte Energieverbrauchswerte einstellen.
Mit dem zweiten Antrieb lässt sich weiterhin ein besonders sportliches Fahrzeug mit exzellenten Beschleunigungswerten schaffen. Dies liegt daran, dass das Druckfluid und der zweite Antrieb typischerweise eine hohe Energiedichte und eine hohe Energieumsetzungsrate (d. h. Energieaufladung bzw. -entladung) ermöglichen. Bei hydraulischen Antrieben zum Beispiel ist im Gegensatz zu elektrischen batteriegestützten Antrieben die Energieumsetzungsrate praktisch nur durch die Ventildimensionierung und die Motordimensionierung limitiert, nicht aber von z. B. chemischen Umwandlungsprozessen in der Batterie abhängig. Relativ kleine hydraulische Antriebseinheiten haben hierbei bereits sehr hohe Leistungsdichten, die deutlich größer sind als diejenigen von Elektromaschinen.
Die Wahl eines zweiten Antriebs mit derart hoher Energiedichte und Energieumsetzungsrate erlaubt es, ihn wahlweise

a) zur Optimierung der Fahreigenschaften des betreffenden Fahrzeugs heranzuziehen, die zunächst vom ersten Antrieb bestimmt sind. Dadurch können temporär erhöhte Fahrzeugbeschleunigungswerte erzielt werden, die Fahrleistung oder der Zugkraft verbessert werden.
b) zur Energieverbrauchsminimierung heranzuziehen, indem der erste Antrieb in bestimmten Fahrsituationen wie z. B. einem Beschleunigungsvorgang teilweise oder gänzlich abgestellt wird.

Selbstverständlich lassen sich diese beiden Mög lichkeiten auch in Kombination nutzen.
Im Fall eines hydraulischen Antriebs besitzt die Antriebseinheit weiterhin einen Druckausgleichsbehälter, sodass das Druckfluid von einem Bereich hohen Drucks zu einem Bereich niedrigeren Drucks strömen kann. Beim pneumatischen Antrieb dient die umgebende Luft als Reservoir, sodass kein zusätzlicher Druckausgleichsbehälter erforderlich ist.
Der zweite Antrieb ist im Wesentlichen ein Hilfsantrieb, das heißt, dass für den Fall, dass ein Fahrzeug ausschließlich mit ihm angetrieben wird, die Reichweite des Fahrzeugs deutlich kleiner ist als diejenige, die sich bei ausschließlicher Benutzung des CNG-Antriebs einstellt. Der CNG-Antrieb kann bei einem Mittelklassefahrzeug beispielsweise eine Reichweite von 300 km oder mehr ermöglichen, wohingegen der hydraulische oder pneumatische Antrieb lediglich eine Reichweite von maximal 50 km ermöglicht. Dies wird über das dem Druckfluid zur Verfügung stehende Volumen eingestellt, das hierzu kleiner als 30 l sein kann.
Die vorgeschriebene Antriebseinheit sieht nur einen einzigen Druckbehälter bzw. -speicher vor, der wegen der Erfüllung hoher sicherheitstechnischer Anforderungen aufwändig herzustellen und teuer ist. Damit wird der vorgeschlagene Hybridantrieb sicherer, baulich vereinfacht, in der Herstellung einfacher und werden seine Herstellungskosten gesenkt.
Wird der Druckbehälter beim Betanken mit einem komprimierten Gas für den ersten Antrieb befüllt, so wird bei dieser Bauweise der Antriebseinheit der Hydraulik- bzw. Pneumatikspeicher, das heißt derjenige Teil des Druckbehälters, der für das Druckfluid vorgesehen ist, automatisch mit aufgeladen, d. h. steht damit automatisch unter Druck. Ein separates Aufladen dieses Speichers entfällt damit. Eine Pumpe zum Bereitstellen des entsprechenden Drucks des Druckfluids ist damit nicht erforderlich, wodurch die Antriebseinheit weiter vereinfacht und auch preiswerter wird.
Bei einer Ausführungsform ist eine Membran für das separate Vorhalten von komprimiertem Gas und Druckfluid im Druckbehälter vorgesehen. Die Membran sorgt für eine Trennung von komprimiertem Gas und Druckfluid. Hierzu ist sie für diese beiden Medien undurchlässig ausgebildet. Da die beiden Medien einen vergleichbaren Druck haben, muss die Membran keinen nennenswerten Druckunterschied zwischen ihnen ausgleichen, sodass keine besonderen Anforderungen bzgl. ihrer mechanischen Belastbarkeit bestehen. Durch ihre Elastizität passt sie sich der jeweiligen Füllmenge der Medien im Druckbehälter an.
In einer Ausführungsform ist der Membran eine an der Innenwand des Druckbehälters angeordnete Halterung zugeordnet. Handelt es sich beispielsweise um einen zylindrischen Druckbehälter, so liegt eine ringförmige Halterung an der Innenwand des Druckbehälters an. Die Halterung wird im Regelfall fest mit dem Druckbehälter verbunden sein und in ihrem kreisförmigen Inneren die flexible Membran aufnehmen. Die Halterung sorgt für eine Abdichtung der beiden Bereiche auf beiden Seiten der Membran und damit für eine Trennung der beiden Medien. Wird auf der einen Seite der Membran ein komprimiertes Gas eingelassen, so stellt sich bedingt durch die Membranwölbung beim Druckfluid, z. B. der Hydraulikflüssigkeit, derselbe Druck ein. Die Folge ist, dass nach einem Betanken mit komprimiertem Gas, z. B. Erdgas, der Hydraulik- oder Pneumatikantrieb sofort zur Verfügung steht. Eine separate Pumpe zum Komprimieren des Druckfluids wird damit eingespart.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Druckbehälter eine erste Öffnung für das komprimierte Gas und eine zweite Öffnung für das Druckfluid in eine ballonförmige Membran. Die beiden Medien gelangen somit über verschiedene Öffnungen in den Druckbehälter, wobei die Öffnung der ballonförmigen Membran in eine der beiden Öffnungen eingepasst ist. Ist die ballonförmige Membran beispielsweise mit dem Druckfluid für den Hydraulik- oder Pneumatikantrieb gefüllt und wird in den restlichen Bereich des Druckbehälters das komprimierte brennbare Gas eingelassen, so wird der Membraninhalt ebenfalls einem Druck ausgesetzt. In diesem Fall steht der Hydraulik- oder Pneumatikantrieb sofort zur Verfügung, ohne dass das Druckfluid erst separat komprimiert wird. Eine separate Pumpe zum Komprimieren des Druckfluids wird daher nicht benötigt.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Druckbehälter in seinem Inneren einen weiteren Behälter, an dessen Innenwand sich die (Membran-)Halterung längsverschiebbar anschmiegt. Der zusätzliche Behälter kann aus Edelstahl und damit hinreichend glatt gefertigt sein, um ein entsprechendes Gleiten der Halterung zu ermöglichen. Er ermöglicht die Wahl eines weniger flexiblen Membranmaterials, bei dem die Raumeinteilung im Druckbehälter einerseits durch die Membranwölbung und zusätzlich durch eine Längsverschiebung der Halterung erfolgt. Im Grenzfall ist auch die Wahl einer weitgehend starren Membran vor stellbar, sodass die Raumeinteilung nahezu vollständig über die Längsverschiebung der Halterung erfolgt. Das Anschmiegen der Halterung an die Innenwand des zusätzlichen Behälters gewährleistet hierbei die erforderliche Trennung von Druckfluid und komprimiertem Gas.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die An triebseinheit einen ersten Drucksensor für das komprimierte Gas, einen zweiten Drucksensor für das Druckfluid sowie ein regelbares Ventil in einer Druckfluidleitung zwischen dem Druckbehälter und einem (Druck-)Ausgleichsbehälter. Eine Regeleinheit regelt den Durchfluss des Druckfluids durch das Ventil in Abhängigkeit der Messwerte des ersten und des zweiten Drucksensors.
Die Regelung nimmt als Eingabewerte Daten auf, die aktuelle oder zukünftige Fahrzeug- und Verkehrssituationen abbilden und die dem Fahrzeug zur Verfügung stehen bzw. bereitgestellt werden. Diese Daten sind entweder fahrzeuginterne Daten oder sie stammen aus intelligenten Systemen mit Anbindung nach außen, z. B. über Navigation an das Fahrzeugumfeld. Beispiele sind die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die erwartete bzw. optimale Wegstrecke und die Fahrweise des Fahrers (z. B. Stellung von Gaspedal oder Bremse, Fahrprogramm eines Automatikfahrzeugs), Fahrleistungseinschränkungen z. B. in Form von Geschwindigkeitslimits oder Emissionslimits etc. und die Antriebsdaten (Systembereitschaft, Antriebsleistung, gespeicherte Energie, verfügbare Energie/Antriebsleistung etc. Anhand dieser Daten wird eine für das gewählte Fahrprofil bzw. -programm eine optimale Energienutzung der verfügbaren Antriebseinheiten errechnet und die jeweilige Antriebseinheit mit entsprechenden Signalen angesteuert. Hierbei wird auch das oben genannte Ventil unter Verwendung der Messwerte der Drucksensoren geregelt. Stetige Auswertung der Sensor-, Antriebs- und. Umfelddaten ermöglichen hierbei ein stetiges Optimieren und Anpassen der Steuerung, bzw. bei Einsatz einer adaptiven selbstlernenden Regelung auch über größere Zeiträume stetiges Optimieren der Regelung, um zum Beispiel Alterungs- bzw. Verschleißprozesse auszugleichen oder typische fahrer- bzw. situationsbedingte Besonderheiten besser zu berücksichtigen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Pkw, mit einer Antriebseinheit nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen.
Das Kraftfahrzeug mit dieser Antriebseinheit hat in einer Ausführungsform als primäre Maschine den ersten Antrieb. Der zweite Antrieb, also der Hydraulik- oder Pneumatikantrieb, ist lediglich als Hilfsantrieb gedacht. Die Reichweite des Kraftfahrzeugs bei ausschließlicher Benutzung des zweiten Antriebs bzw. Hilfsantriebs beträgt maximal 50 km.
Für die oben genannte Regeleinheit kann eine separate elektronische Regeleinheit vorgesehen sein, die nur die Stellung des Ventils in der Druckfluidleitung zwischen Druckbehälter und Ausgleichsbehälter regelt. Alternativ kann hierfür eine Logikeinheit eines Antiblockiersystems oder kann der Bordcomputer gewählt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der beanspruchten Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erkennbar, die nachfolgend als nicht beschränkende Beispiele angegeben sind. Hierbei soll die Benutzung von Bezugszeichen in den Figuren nicht dahingehend verstanden werden, dass die Bezugszeichen den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken sollen. Es zeigen:
1 eine Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2a bis 2c Ausführungsformen eines Druckbehälters für die Antriebseinheit nach 1.
Bei den Figuren, die allgemein mit gleichen Bezugszeichen gleiche Gegenstände bezeichnen, zeigt 1 eine Antriebseinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese umfasst einen ersten Antrieb 2 zum Verbrennen komprimierten Erdgases, das in einem Druckbehälter 3 gespeichert ist. Der Druckbehälter 3 nimmt weiterhin auch das Druckfluid eines in einem Kfz-Rad 4 oder alternativ einer Kfz-Antriebsachse oder einem Kfz-Antrieb (Motor bzw. Getriebe) integrierten zweiten Antriebs 5 in Gestalt Hydraulikantriebs auf. Das Druckfluid kann hierfür vom Druckbehälter 3 durch die Druckfluidleitung 6 zum zweiten Antrieb 5 strömen, wobei ein (Druck-)Ausgleichsbehälter 7 zwecks Bereitstellens eines niedrigen Drucks zum Einsatz kommt. Eine separate Logikeinheit 8 regelt hierbei den Durchfluss durch das Ventil 9 in der Druckfluidleitung 6 in Abhängigkeit von Messwerten der Drucksensoren 10 und 11, die dem komprimierten Erdgas bzw. dem Druckfluid zugeordnet sind.
2a zeigt eine Ausführungsform eines Druckbehälters 3 mit einer ersten Öffnung 12 zum Einlassen eines komprimierten brennbaren Gases 13 und eine zweite Öffnung 14 zum Einlassen eines Druckfluids 15 wie z. B. Öl. Das komprimierte Gas 13 und das Druckfluid 15 sind durch eine Membran 16 voneinander getrennt. Die Membran 16 des zylindrischen Druckbehälters 3 ist von einer ringförmigen Halterung 17 eingefasst, die an der Innenwand 18 des Druckbehälters 3 befestigt ist. Abhängig von den Druckverhältnissen in den beiden Medien stellt sich bedingt durch das flexible Membranmaterial eine gewisse Wölbung der Membran 16 ein. Hierdurch kann die Membran 16 den Druckunterschied zwischen den beiden Medien ausgleichen und ist selbst nicht nennenswert druckbelastet. Wird das brennbare Gas 13 durch die erste Öffnung 12 eingelassen, so baut sich auch im Druckbehälterbereich rechts neben der Membran 16 ein Druck auf, sodass für das dort befindliche Druckfluid 15 keine separate Pumpe erforderlich ist.
Insofern steht nach dem Betanken des Fahrzeugs der Hydraulikantrieb ohne weiteres Zutun zur Verfügung.
2b zeigt eine weitere Ausführungsform des Druckbehälters, bei der eine ballonförmige Membran 16 vorgesehen ist. Die Öffnung der Membran 16 ist von der zweiten Öffnung 14 eingefasst, sodass von einer hier nicht gezeigten Druckfluidleitung 6 über die zweite Öffnung 14 das Druckfluid 15 in die ballonförmige Membran 16 einströmen kann. Wird über die erste Öffnung 12 das Fahrzeug mit brennbarem Gas 13 betankt, so ergibt sich ein gleich großer Druck für das Druckfluid 15 innerhalb der ballonförmigen Membran 16. Auch bei dieser Ausführungsform ist insofern keine separate Pumpe für das Druckfluid 15 erforderlich.
2c zeigt eine weitere Ausführungsform des Druckbehälters 3. In diesem befindet sich ein weiterer Behälter 19 aus Edelstahl, das in seinem Inneren eine längsverschiebbare Halterung 17 für eine Membran 16 besitzt. Bei einem Druckunterschied zwischen dem komprimierten Gas 13 und dem Druckfluid 15 verschiebt sich die Position der Halterung 17 entlang der Innenwand 20, bis sich ein Druckausgleich einstellt. Auf diese Weise kann auch ein weniger flexibles Membranmaterial eingesetzt werden.
Im praktischen Einsatz wird das Strömen des Druckfluids 15 in der Druckfluidleitung 6 mit einem regelbaren Ventil 9 geregelt, das von der Regeleinheit 21 gesteuert wird. Bei der Regeleinheit 21 kann es sich eine elektronische Logikeinheit handeln, die ausschließlich das Ventil 9 regelt, oder es kann die Logik der Antriebseinheit oder eines Antiblockiersystems oder der Bordcomputer sein.
Obwohl vorstehend konkrete Ausführungsformen beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass die Beschrei bung dieser Ausführungsformen nicht zum Zweck hat, die Erfindung in der angegebenen Form zu beschränken. Die Erfindung soll vielmehr alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen umfassen, die in den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung fallen.

1: Antriebseinheit
2: erster Antrieb
3: Druckbehälter
4: Kfz-Rad
5: zweiter Antrieb/Hydraulikantrieb
6: Druckfluidleitung
7: Ausgleichsbehälter
9: Ventil
10: Drucksensor
11: Drucksensor
12: erste Öffnung
13: komprimiertes Gas
14: zweite Öffnung
15: Druckfluid
16: Membran
17: Halterung
18: Innenwand
19: Behälter
20: Innenwand
21: Regeleinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2002067712 [0003]
- DE 10201930 A1 [0004]

Claims

Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einem Pkw, umfassend a) einen ersten Antrieb (2), für den ein komprimiertes brennbares Gas (13) als Kraftstoff vorgesehen ist, b) einen zweiten, mit einem Druckfluid (15) ausgestatteten hydraulischen oder pneumatischen Antrieb (5), wobei ein gemeinsamer Druckbehälter (3) für das komprimierte Gas und das Druckfluid vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, für dessen ersten Antrieb komprimiertes Erdgas als Antrieb vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Membran (16) für das separate Vorhalten von komprimiertem Gas und Druckfluid im Druckbehälter vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Membran eine an der Innenwand (18) des Druckbehälters angeordnete Halterung (17) zugeordnet ist.
Antriebseinheit nach einer der vorherigen Ansprüche, bei der für den Druckbehälter eine erste Öffnung (12) für den Einlass komprimierten Gases und eine zweite Öffnung (14) für den Einlass des Druckfluids in eine ballonförmige Membran vorgesehen sind.
Antriebseinheit nach einer der vorherigen Ansprüche, dessen Druckbehälter in seinem Inneren einen weiteren Behälter (19) besitzt, an dessen Innenwand (20) eine der Membran zugeordnete Halterung (17) längsverschiebbar anschmiegt.
Antriebseinheit nach einer der vorherigen Ansprüche, mit a) einem ersten Drucksensor (10) für das komprimierte Gas, b) einem zweiten Drucksensor (11) für das Druckfluid, c) einem regelbaren Ventil (9) in einer Druckfluidleitung (6) zwischen dem Druckbehälter und einem Ausgleichsbehälter (7), d) einer Regeleinheit (21) zum Regeln des Durchflusses des Druckfluids durch das Ventil in Abhängigkeit der Messwerte des ersten und des zweiten Drucksensors.
Kraftfahrzeug, insbesondere Pkw, mit einer Antriebseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dessen Reichweite bei ausschließlicher Benutzung des zweiten Antriebs maximal 50 km beträgt.
Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als Regeleinheit eine separate elektronische Regeleinheit, die Logik der Antriebseinheit, eine Logik eines Antiblockiersystems oder ein Bordcomputer vorgesehen ist.