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Die
Erfindung bezieht sich auf die Steuerung eines zwischen Motorbetrieb
und Generatorbetrieb umschaltbaren, mit einem Verbrennungsmotor
gekoppelten oder koppelbaren Elektromotors mit zugeordneter Batterie,
insbesondere in einem Hybridantrieb mit Verbrennungsmotor und zwischen
Generator- und Motorbetrieb umschaltbarem Elektromotor sowie dem
Elektromotor zugeordneter Batterie mit deren Ladezustand erfassender
Sensorik, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor mit dem Abtrieb
des Hybridantriebes antriebsmäßig gekoppelt
und/oder koppelbar sind und der Elektromotor beim Generatorbetrieb
vom Verbrennungsmotor und/oder Abtrieb antreibbar ist.
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Seit
längerem
werden Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb entwickelt. In der Regel
ist bei diesen Antrieben vorgesehen, dass der zwischen Generator-
und Motorbetrieb umschaltbare Elektromotor ständig mit dem Antriebstrang
des Fahrzeuges und damit mit dem zum Antriebstrang führenden
Abtrieb des Hybridantriebes antriebsmäßig verbunden ist. Dagegen
ist der Verbrennungsmotor über
eine Kupplung zuschaltbar, d.h. bei geschlossener Kupplung ist der
Verbrennungsmotor mit dem Antriebsstrang und dem Elektromotor antriebsmäßig verbunden,
und bei geöffneter
Kupplung vom Elektromotor und Antriebstrang abgetrennt. Grundsätzlich sind
jedoch auch anders konfigurierte Hybridantriebe bekannt, beispielsweise
solche, bei denen sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor über je eine
gesonderte Kupplung mit dem Abtrieb des Hybrid antriebes und dem
entsprechend dem Antriebstrang des Fahrzeuges verbindbar sind.
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Ein
besonderer Vorteil der Hybridantriebe liegt darin, dass Nutzbremsungen
möglich
sind, bei denen der mit dem Antriebstrang verbundene Elektromotor
als Generator betrieben und über
den Antriebstrang angetrieben wird, so dass die der Batterie im
Generatorbetrieb zugeführte
Leistung bremswirksam wird und dementsprechend dem Vortrieb des Fahrzeuges
entzogen wird. Auf diese Weise wird die dem Vortrieb des Fahrzeuges
entzogene kinetische Energie in potentielle Energie, d.h. hier in
eine erhöhte
Batterieladung, umgewandelt und nicht wie bei normalen Bremsen als
nicht nutzbare Wärme „vernichtet".
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Des
weiteren bieten Hybridantriebe die Möglichkeit, das Fahrzeug in
Ballungsgebieten, in denen regelmäßig mit vergleichsweise geringer
Fahrgeschwindigkeit und sehr häufigen
Anhaltemanövern zu
rechnen ist, rein elektromotorisch und damit abgasfrei zu betreiben.
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Außerhalb
der Ballungsgebiete kann dann der Verbrennungsmotor für den Fahrbetrieb
herangezogen werden. Während
dieser Betriebsphasen kann der Elektromotor auf Generatorbetrieb
umgeschaltet und vom Verbrennungsmotor angetrieben werden, so dass
sich die zuvor ggf. entladene Batterie wieder aufladen läßt.
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Bisher
wurde in diesem Zusammenhang vorgesehen, die Generatorleistung beim
Ladebetrieb in Abhängigkeit
vom Ladegrad der Batterie zu steuern, vergleiche beispielsweise
die Druckschrift „Analysing Hybrid
Drive System Topologies",
Karin Jonasson (2002), Lund University, ISBN 91-88934-23-3, Seite 74.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, die Wirtschaftlichkeit eines Hybridantriebes
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Elektromotor bei Betriebsphasen mit an den Abtrieb gekoppeltem,
arbeitendem Verbrennungsmotor
- – vorwiegend
nur bei geringer Belastung des Verbrennungsmotors im Generatorbetrieb
und/oder
- – vorwiegend
nur bei hoher Belastung des Verbrennungsmotors im Motorbetrieb arbeitet.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Elektromotor
möglichst
nur dann bei arbeitendem Verbrennungsmotor auf Generatorbetrieb
zu schalten, wenn die damit einher gehende Zusatzbelastung des Verbrennungsmotors
nur zu einem vergleichsweise geringem Zusatzverbrauch an Kraftstoff
führt.
Dies ist typischerweise der Fall, wenn der Verbrennungsmotor wenig
belastet ist bzw. mit hohen Belastungsreserven arbeitet.
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Andererseits
wird der Elektromotor möglichst dann
zusätzlich
zum Verbrennungsmotor für
den Fahrzeugantrieb herangezogen, wenn die mit dem Parallelbetrieb
von Elektromotor und Verbrennungsmotor einher gehende Belastungsminderung
des Verbrennungsmotors zu einer vergleichsweise hohen Minderung
des Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors führt. Dies
ist regelmäßig dann
der Fall, wenn für
die jeweilige Betriebsphase des Fahrzeuges eine hohe Leistung notwendig
ist und dementsprechend der Verbrennungsmotor hoch belastet wird.
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Bei
der Erfindung wird einerseits berücksichtigt, dass der Elektromotor
sowie die Batterie fast immer einen im Vergleich zum Verbrennungsmotor
hohen Wirkungsgrad aufweisen. Andererseits wird bei der Erfindung
die Tatsache ausgenutzt, dass der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors
bei hoher Last überproportional
zu dessen Belastung ansteigt, so dass einerseits Belastungserhöhungen des Verbrennungsmotors
bei geringer Gesamtlast nur zu relativ geringen Zuwächsen des
Kraftstoffverbrauches des Verbrennungsmotors führen und anderer seits Belastungsminderungen
des Verbrennungsmotors bei hoher Last vergleichsweise große Einsparungen
beim Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors ergeben.
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Das
oben dargestellte Prinzip der erfindungsgemäßen Steuerung läßt sich
immer dann durchführen,
wenn der Ladegrad der Batterie weder eine obere Schwelle überschreitet
noch eine untere Schwelle unterschreitet und die Batterie dementsprechend
sowohl zur Speisung des Elektromotors beim Motorbetrieb als auch
zur Speicherung der vom Elektromotor beim Generatorbetrieb erzeugten
elektrischen Energie herangezogen werden kann, ohne eine Über- oder
Unterladung der Batterie befürchten zu
müssen.
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Nach
Wahrscheinlichkeit liegen solche Verhältnisse zumindest bei typischen
Fahrzyklen vor, so dass nur in seltenen Ausnahmefällen der
Motor- oder Generatorbetrieb des Elektromotors ausschließlich in Abhängigkeit
vom Ladegrad der Batterie gesteuert werden sollte oder müßte.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist bei Verbrennungsmotor-Elektromotor-Kombination bzw.
Hybridantrieben mit ständig
mit dem Abtrieb zwangsgekoppeltem Elektromotor vorgesehen, einen
Leerlaufbetrieb des Elektromotors – d. h. der Elektromotor ist
von der Batterie abgekoppelt und kann weder im Motor- noch im Generatorbetrieb
arbeiten – zu
vermeiden. Vielmehr wird der Elektromotor bei arbeitendem Verbrennungsmotor
unter Optimierung des Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors
entweder im Generatorbetrieb oder im Motorbetrieb gehalten bzw.
zwischen diesen Betriebsarten umgeschaltet.
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Auf
diese Weise wird berücksichtigt,
dass ein Elektromotor im Leerlaufbetrieb mehr oder weniger ausgeprägte Ummagnetisierungsverluste
verursacht und damit unvermeidbare Schleppverluste mit sich bringt.
Dies gilt insbesondere für
die in Hybridantrieben typischerweise aufgrund ihres geringen Bauvolu mens
eingesetzten Permanentmagnet-Motoren. Hier wird die Tatsache genutzt,
dass sich beim Übergang vom
Schleppbetrieb auf Generator- oder Motorbetrieb sehr hohe differentielle
Wirkungsgrade des Elektromotors nutzen lassen.
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Außerdem können vorzugsweise
die Motor- und die Generatorleistung zur weiteren Optimierung des
Kraftstoffverbrauchs gesteuert oder geregelt werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass Daten für bei Belastungsänderungen
eintretende Änderungen
des Kraftstoffverbrauches des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit
von dessen Drehzahl erfaßbar
und/oder gespeichert sind und der Elektromotor
– als Generator
betrieben wird, wenn der Quotient aus Belastungsänderung und Verbrauchsänderung einen
ersten Schwellwert überschreitet
und/oder
– als
Motor betrieben wird, wenn der Quotient aus Belastungsänderung
und Verbrauchsänderung
des Verbrennungsmotors einen zweiten Schwellwert unterschreitet.
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Hier
wird die Tatsache ausgenutzt, dass Verbrennungsmotoren heute regelmäßig mit
einer automatischen Motorsteuerung versehen sind, die entsprechende
Daten „kennt" oder jeweils erfassen kann,
um die Betriebsweise des Verbrennungsmotors unter dem Gesichtspunkt
eines geringen Abgasausstoßes,
eines gewünschten
Drehmomemtverlaufes und/oder eines geringen Kraftstoffverbrauches
zu optimieren. Die somit ohnehin zur Verfügung stehenden Daten können dann
auch zur Optimierung des Generator- und/oder Motorbetriebes des
Elektromotors herangezogen werden.
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Im
Ergebnis läuft
dies darauf hinaus, dass bei der Steuerung des Betriebes des Elektromotors der
jeweilige differentielle Wirkungsgrad, das ist der Quotient aus
Belastungsänderungen und
Verbrauchsänderungen
des Verbrennungsmotors, berücksichtigt
wird.
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In
zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung kann dann die Generatorleistung und/oder die Motorleistung
des Elektromotors analog zum differentiellen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors gesteuert
werden, in dem beim Generatorbetrieb die Generatorleistung bei zunehmendem
differentiellen Wirkungsgrad erhöht
bzw. beim Motorbetrieb die Motorleistung bei abnehmendem differentiellen
Wirkungsgrad erhöht
wird.
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Im übrigen wird
hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie
die nachfolgende Erläuterung
der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung näher
beschrieben werden.
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Selbstverständlich wird
Schutz nicht nur für die
ausdrücklich
beanspruchten oder beschriebenen Merkmalskombinationen, sondern
auch für
prinzipiell beliebige Unterkombinationen der dargestellten Merkmale
beansprucht. Dabei zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung
eines Hybridantriebes,
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2 ein Diagramm, aus dem
ersichtlich ist, wann in Abhängigkeit
vom Ladegrad SOC der Batterie sowie der Fahrgeschwindigkeit v bei
einem Fahrzeug mit Hybridantrieb vorzugsweise der Elektromotor oder
der Verbrennungsmotor als Fahrantrieb verwendet wird, und
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3 ein Kennfeld, welches
schematisiert den differenziellen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors
in Abhängigkeit
von der Drehzahl n sowie der des mittleren Verbrennungsdruckes p
bzw. des Drehmomentes t des Verbrennungsmotors wiedergibt.
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Gemäß 1 besteht ein typischer
Hybridantrieb 1 im wesentlichen aus einem Verbrennungsmotor 2 sowie
einem zwischen Motor- und Generatorbetrieb umschaltbaren Elektromotor 3 mit
einer im Vergleich zum Verbrennungsmotor 2 in der Regel deutlich
geringeren Leistung. Zwischen Verbrennungsmotor 2 und Elektromotor 3 ist
in der Regel eine Trennkupplung 4 angeordnet.
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Die
Rotorwelle des Elektromotors 3 bildet den Abtrieb 5 des
Hybridantriebes. Dieser Abtrieb 5 ist, ggf. über eine
nicht dargestellte Getriebe- und/oder Kupplungsanordnung, mit einem
nicht dargestellten Antriebstrang eines Kraftfahrzeuges verbunden,
wenn der Hybridantrieb 1 in einem Kraftfahrzeug angeordnet
ist. Bei geöffneter
Kupplung 4 kann der Hybridantrieb 1 rein elektromotorisch
arbeiten, d.h. der Abtrieb 5 wird nur vom Elektromotor 3 angetrieben,
wobei eine dem Elektromotor 3 zugeordnete Batterie 6 die
elektrische Energie liefert.
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Bei
geschlossener Kupplung 4 kann der Abtrieb 5 vom
Verbrennungsmotor 3 angetrieben werden, wobei der Elektromotor 3 als
Generator betrieben werden kann, um die Batterie 6 aufzuladen.
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
den Elektromotor 3 bei geschlossener Kupplung 4 parallel zum
Verbrennungsmotor 2 arbeiten zu lassen, so dass beide Motoren 2, 3 den
Abtrieb 5 antreiben.
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Im übrigen kann
der Elektromotor 3 immer dann als Generator betrieben werden,
wenn der an den Abtrieb 5 gekoppelte Antriebstrang bzw.
das Kraftfahrzeug abgebremst werden sollen. Bei dieser Betriebsweise
wird also die kinetische Energie des Antriebstranges bzw. des fahrenden
Fahrzeuges in elektrische Energie umgewandelt und in der Batterie 6 gespeichert.
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Das
Diagramm der 2 läßt erkennen, dass
bei hinreichendem Ladezustand der Batterie 6 ein Kraftfahrzeug
mit Hybridantrieb bei geringer Fahrgeschwindigkeit in der Regel
elektromotorisch angetrieben wird, d.h. ausschließlich über den
Elektromotor 3. Bei höherer
Fahrgeschwindigkeit wird auf Fahrbetrieb mit dem Verbrennungsmotor 2 umgeschaltet.
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Falls
der Ladegrad der Batterie einen Schwellwert von beispielsweise 50%
unterschreitet, erfolgt die Umschaltung auf Fahrbetrieb mit Verbrennungsmotor
bereits bei einer geringen Geschwindigkeitsschwelle von beispielsweise
32 km/h. Liegt der Ladegrad dagegen oberhalb von 50%, erfolgt die Umschaltung
auf Fahrbetrieb mit Verbrennungsmotor in der Regel erst bei einer
Geschwindigkeitsschwelle von beispielsweise 52 km/h.
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Falls
der Ladegrad der Batterie unter einen Wert von beispielsweise 20%
absinkt, wird der Verbrennungsmotor 2 für den Antrieb des Fahrzeuges herangezogen.
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Die
Umschaltung zwischen Fahrbetrieb mit Elektromotor und Fahrbetrieb
mit Verbrennungsmotor wird regelmäßig von weiteren Parametern
beeinflußt,
insbesondere von der Stellung eines Fahrpedals oder eines sonstigen
Organs, mit dem die gewünschte
Leistung des Hybridantriebes gesteuert wird.
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Wenn
der Fahrer beispielsweise das Fahrpedal stark durchtritt, ist dies
ein Zeichen dafür,
dass er eine hohe Leistung des Hybridantriebes abrufen will, beispielsweise
für eine
starke Beschleunigung des Fahrzeuges. Eine derart hohe Leistung
kann der Elektromotor 3 bei typischen Hybridantrieben nicht zur
Verfügung
stellen. Deshalb wird in einem solchen Fall auch unterhalb der in 2 dargestellten Schwellen
der Fahrgeschwindigkeit auf Fahrbetrieb mit Verbrennungsmotor umgeschaltet,
so dass die vom Fahrer gewünschte
hohe Leistung zur Verfügung
steht. Sobald der Fahrer das Fahrpedal zurücknimmt, d.h. nur noch eine
vergleichsweise geringe Leistung des Hybridantriebes fordert, wird
wieder auf Fahrbetrieb mit Elektromotor umgeschaltet, vorausgesetzt,
dass die Fahrgeschwindigkeit unterhalb der in 2 beispielhaften dargestellten Geschwindigkeitsschwellen
liegt.
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Um
die Batterie 6 innerhalb eines gewünschten Bereiches des Ladegrades
zu halten, muß der Elektromotor 3 bei
Betriebsphasen mit arbeitendem Verbrennungsmotor 2 im Generatorbetrieb
arbeiten.
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Hier
ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, den
differentiellen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu berücksichtigen.
Dabei handelt es sich um den Quotienten zwischen Belastungsänderungen des
Verbrennungsmotors und damit einhergehenden Änderungen des Kraftstoffverbrauches
des Verbrennungsmotors.
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Die
Erfindung nutzt die Tatsache, dass in einem weiten Bereich der Betriebsphasen
Erhöhungen der
Belastung des Verbrennungsmotors nur zu vergleichsweise geringen
Erhöhungen
des Kraftstoffverbrauches führen.
Dementsprechend ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Elektromotor
bei diesen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors als Generator zu
betreiben, wobei in zweckmäßiger Ausgestaltung der
Erfindung des weiteren vorgesehen sein kann, die Generatorleistung
des Elektromotors in Abhängigkeit
vom differentiellen Wirkungsgrad zu steuern. Bei Betriebsphasen,
in denen besonders geringe Erhöhungen
des Kraftstoffverbrauches des Verbrennungsmotors bei Erhöhung der
Belastung des Verbrennungsmotors auftreten, wird also der Elektromotor
auf besonders hohe Generatorleistung eingestellt.
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Wie
weiter unten dargestellt wird, treten die vorgenannten Betriebsphasen
insbesondere bei geringer Belastung des Verbrennungsmotors auf,
d.h. der Elektromotor wird vor allem dann als Generator betrieben,
wenn der Verbrennungsmotor für
den jeweiligen Fahrzustand des Fahrzeuges nur eine mäßige Leistung
aufbringen muß.
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Des
weiteren kann bei der Erfindung die Tatsache ausgenutzt wird, dass
in anderen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors, insbesondere wenn der
Verbrennungsmotor vergleichsweise stark belastet wird, Belastungsänderungen
zu relativ starken Änderungen
des Kraftstoffverbrauches führen.
Hier ist dann nach der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, den Elektromotor
parallel zum Verbrennungsmotor als Motor arbeiten zu lassen, so
dass der Verbrennungsmotor weniger stark belastet wird und ein deutlich
verminderter Kraftstoffverbrauch eintritt, weil der Elektromotor
einen Teil der für
den jeweiligen Fahrzustand notwendigen Leistung bereitstellt.
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Hier
kann zweckmäßigerweise
vorgesehen sein, die Motorleistung des Elektromotors umgekehrt proportional
zum differentiellen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu steuern,
d.h. die elektrische Motorleistung steigt, wenn durch eine Belastungsminderung
des Verbrennungsmotors eine vergleichsweise hohe Verminderung des
Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors erreichbar ist.
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Die 3 zeigt nun beispielhaft
ein schematisiertes Kennfeld des differentiellen Wirkungsgrades eines
Verbrennungsmotors in Abhängigkeit
von der Drehzahl und dem mittleren Druck in den Verbrennungsräumen bzw.
dem damit korrelierten Drehmoment des Verbrennungsmotors.
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Die
in das Diagramm eingezeichneten „Höhenlinien" zeigen Drehzahl-Mitteldruck-Kombinationen,
mit gleichem, jeweils zahlenmäßig angegebenen
differentiellen Wirkungsgrad.' Diese
Zahlen ergeben sich rechnerisch, wenn berücksichtigt wird, dass sowohl
die Belastungsänderungen
des Verbrennungsmotors als auch die damit einhergehenden Änderungen
des Kraftstoffverbrauches physikalisch Leistungsänderungen darstellen. Denn
bei einer Änderung
der Belastung des Verbrennungsmotors ändert sich dessen abgegebene
Leistung. Bei einer Änderung
des Kraftstoffverbrauches ändert
sich der Quotient zwischen der im Kraftstoff enthaltenen Energie
und der Zeit, d.h. die mit dem Kraftstoffverbrauch einher gehende
verbrauchte Leistung.
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Aus
dem Diagramm der 3 wird
erkennbar, dass – vereinfacht
ausgedrückt – bei geringer Belastung
bzw. Leistung des Verbrennungsmotors vergleichsweise hohe differentielle
Wirkungsgrade vorliegen, die dann mit zunehmender Belastung bzw. Leistung
des Verbrennungsmotors geringer werden.
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Dieser
Sachverhalt ist gleichbedeutend damit, dass der absolute Wirkungsgrad
eines Verbrennungsmotors bei Betriebsphasen mit geringer Belastung
bzw. Leistung mit zunehmender Belastung bzw. Leistung vergleichsweise
stark ansteigt, während
der absolute Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors bei Betriebsphasen
mit hoher Belastung bzw. Leistung bei zunehmender Belastung bzw.
Leistung nur noch geringfügig
ansteigt bzw. nicht mehr ansteigt oder sogar fällt. Ein solcher ungünstiger
Fall ist immer dann gegeben, wenn die differentiellen Wirkungsgrade
geringer als die absoluten Wirkungsgrade sind, welche ihrerseits
bei einem Otto-Verbrennungsmotor derzeit bestenfalls bei 30% bis
35% liegen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die Steuerung eines Hybridantriebes beschränkt, bei
dem der Elektromotor in bestimmten Betriebsphasen bei still gesetztem
Verbrennungsmotor arbeitet. Vielmehr kann die Erfindung immer dann
genutzt werden, wenn einem als Antriebsmotor vorgesehenen Verbrennungsmotor ein
als Elektromotor und Generator betreibbares Elektroaggregat zugeordnet
ist. Im Falle eines Kraftfahrzeuges dient ein solches Elektroaggregat
beispielsweise einerseits als Startermotor zum Starten des Verbrennungsmotors
sowie andererseits als Generator zum Laden einer Batterie eines
Bordnetzes. Während
des Betriebes des Verbrennungsmotors zum Antrieb des Kraftfahrzeuges
kann dann das Elektroaggregat in völlig gleicher Weise gesteuert werden,
wie es oben für
den zwischen Motor- und Generatorbetrieb
umschaltbaren Elektromotor eines Hybrid aggregates bei Betrieb des
Verbrennungsmotors beschrieben wurde.