Die Erfindung betrifft ein Modul eines Hybridantriebes für Wasserfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Hybridantrieb für Wasserfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 13.

Hybridantriebe sind nicht nur für Kraftfahrzeuge, sondern auch für Wasserfahrzeuge, insbesondere Seeschiffe bekannt. Neuerdings wurden auch Hybridantriebe für Yachten, d. h. sowohl Motoryachten als auch Segelyachten vorgeschlagen.

Ein echter Hybrid weist zwei unterschiedliche Antriebsquellen auf, z. B. einen Diesel- und einen Elektromotor, sowie Akkumulatoren (Batterien) zur Speicherung von Energie, insbesondere elektrischer Energie. Ziel des Hybridantriebes, insbesondere bei Seeschiffen ist es, den spezifischen Verbrauch des Dieselmotors zu senken, da der Dieselmotor nur in einem eng begrenzten Bereich (meistens der Volllastbereich) mit optimalem Wirkungsgrad läuft. Bei Teillast dagegen steigt der spezifische Verbrauch des Verbrennungsmotors. In diesem Bereich kann der Elektromotor, der aus den Batterien gespeist wird, den Vortrieb übernehmen. Damit erreicht man mehr Flexibilität und eine Reduktion der Emissionen.

Man unterscheidet den so genannten seriellen Hybrid und den Parallelhybrid. Beim seriellen Hybrid treibt der Verbrennungsmotor (Dieselmotor) einen Generator einer elektrischen Maschine an, welcher die Batterien auflädt und damit elektrische Energie speichert. Ein Elektromotor, der vom Verbrennungsmotor mechanisch entkoppelt ist, übernimmt ausschließlich den Vortrieb, d. h. den Antrieb der Propellerwelle. Der für den Antrieb vorgesehene Elektromotor kann auch als Generator im Bremsbetrieb arbeiten und die Bremsenergie in die Batterien einspeisen. Vorteilhaft beim seriellen Hybrid ist, dass der Verbrennungsmotor ausschließlich in seinem optimalen Betriebspunkt laufen kann. Nachteilig ist, dass die mechanische Energie des Verbrennungsmotors zunächst in elektrische Energie umgewandelt und anschließend wieder in mechanische Energie zum Vortrieb umgewandelt wird. Beim Parallelhybrid sind ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine, die sowohl als Motor als auch als Generator arbeitet, sowie eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen. Beide Motoren, der Verbrennungsmotor und der Elektromotor, können als Antriebsmotoren eingesetzt werden, welche über ein Sammelgetriebe die Propellerwelle antreiben. Dabei können entweder der Verbrennungsmotor allein oder der Elektromotor allein oder der Verbrennungsmotor und der Elektromotor auf die Propellerwelle treiben. Vorteilhaft beim Parallelhybrid ist, dass der Verbrennungsmotor direkt, d. h. ohne Energieumwandlungsverluste auf den Propeller treibt. Der Elektromotor kann zur Verstärkung, d. h. als so genannter Booster verwendet werden. Darüber hinaus kann über die elektrische Maschine, wenn sie als Generator geschaltet ist, elektrische Energie in die Batterien eingespeist werden, d. h. entweder vom Verbrennungsmotor oder vom Propeller, wenn dieser - z. B. beim Segeln - als Wasserturbine betrieben wird.

Bekannte Bootsantriebe weisen eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor sowie ein nachgeschaltetes Untersetzungs- und Wendegetriebe auf, über welches eine aus dem Bootsrumpf herausgeführte Propellerwelle mit dem Schiffspropeller angetrieben wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konventionellen Bootsantrieb mit einfachen und kostengünstigen Mitteln in einen Hybridantrieb umzurüsten, insbesondere für Bootsantriebe von Yachten. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen Hybridantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher unter Verwendung von herkömmlichen Antriebselementen wie dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe sowie der Propellerwelle vorzuschlagen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist ein Modul mit einem Gehäuse vorgesehen, in welchem eine elastische Kupplung mit einer Antriebswelle, eine elektrische Maschine, eine mit einem Rotor verbundene Abtriebswelle und eine Schaltkupplung koaxial angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Modul umfasst sämtliche Antriebselemente, um aus einem konventionellen Bootsantrieb einen Hybhdantheb zu machen. Dazu wird das Modul zwischen Brennkraftmaschine und Bootsgetriebe eingesetzt, wobei die Abtriebswelle oder das Schwungrad der Brennkraftmaschine über die elastische Kupplung die Antriebswelle des Moduls antreibt. Durch die Schaltkupplung kann die Antriebswelle mit der Abtriebswelle des Moduls und damit mit der Propellerwelle der Yacht verbunden werden, so dass der Verbrennungsmotor auf den Propeller durchtreibt. Zusätzlich kann die elektrische Maschine als Motor geschaltet und damit als Booster für den Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Damit können höhere Leistungen, insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen erreicht werden. Alternativ kann die elektrische Maschine als Generator geschaltet werden, so dass der Verbrennungsmotor sowohl die Propellerwelle als auch den Generator antreibt, welcher die Batterien des Hybridantriebes lädt. Damit kann mit einem einzigen Modul, welches in eine bestehende Schnittstelle zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe eingesetzt wird, ein Hybridantrieb realisiert werden, welcher dem bekannten Parallelhybrid ähnlich ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schaltkupplung eine erste und eine zweite Kupplungshälfte umfasst, wobei die erste Kupplungshälfte über die Antriebswelle mit der Brennkraftmaschine und die zweite Kupplungshälfte über eine Abtriebswelle mit der elektrischen Maschine verbunden ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Kupplungshälften Mitnahmeelemente auf, welche im eingerückten Zustand der Kupplung formschlüssig ineinander greifen, d. h. einen Formschluss zwischen beiden Kupplungshälften bilden. Damit wird das Drehmoment verlustfrei von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragen.

Bevorzugt ist die Schaltkupplung als Klauenkupplung ausgebildet, welche durch Axialverschiebung der Kupplungshälften ein- und ausrückbar ist. Bevorzugt sind die Mitnahmeelemente als Stirnverzahnungen auf beiden Kupplungshälften ausgebildet. Dadurch ergeben sich minimale axiale Wege zum Ein- und Ausrücken der Kupplung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kupplungshälfte axial verschiebbar auf der Antriebswelle angeordnet, was aus Gründen des Bauraumes, insbesondere für die Ansteuerung der Kupplung von Vorteil ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kupplungshälfte über einen Verstellmechanismus axial verschiebbar, d. h. die Schaltkupplung kann von außen ein- und ausgerückt werden, um die Verbindung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle herzustellen oder zu unterbrechen.

Bevorzugt umfasst der Verstellmechanismus eine senkrecht zur Antriebswelle angeordnete Exzenterwelle oder eine gekröpfte Welle, ein Verbindungsglied sowie eine Schaltgabel zur Verschiebung der ersten Kupplungshälfte. Damit wird ein zuverlässiger und kompakter Schaltmechanismus zum Ein- und Ausrücken der Kupplung geschaffen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Stator der elektrischen Maschine durch ein Kühlmittel kühlbar, womit eine höhere Leistung der elektrischen Maschine bei gleichem Bauraum erreichbar ist.

Bevorzugt weist der Stator einen zylindrischen Kühlmantel auf, welcher in das Gehäuse eingesetzt ist und mit diesem Kühlkanäle bildet. Die Kühlkanäle stehen mit im Gehäuse angeordneten Kühlmittelanschlüssen in Verbindung. Damit können die Kühlkanäle an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, so dass eine wirksame Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine erreicht wird.

Erfindungsgemäß ist ferner bei einem Hybridantrieb für Wasserfahrzeuge, insbesondere für Yachten vorgesehen, dass die elektrische Maschine integrierter Bestandteil eines Moduls der vorgenannten Bauart ist. Damit ergibt sich der Vorteil, dass die hybridspezifischen Bauteile in einem vormontierbaren und austauschbaren Modul enthalten sind. Das Modul kann dabei zur Nachrüstung von konventionellen Antrieben auf Hybridantriebe oder auch für die Erstausrüstung eines Hybridantriebes verwendet werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Modul einen antriebs- seitigen Verbindungsflansch auf, über welchen es an der Brennkraftmaschine befestigt werden kann. Ferner weist das Modul einen abthebsseitigen Verbindungsflansch auf, über welchen es mit dem Getriebe befestigt wird. Über diese beiden Flansche ist das Modul in den Antriebsstrang eingesetzt und wird zum integralen Bestandteil des Hybridantriebes für den Schiffspropeller.

Bevorzugt umfasst das Modul auf der Antriebsseite auch eine elastische Kupplung, über welche die Antriebswelle des Moduls mit der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Schwungrad verbunden wird. Damit werden von dem Verbrennungsmotor ausgehende Drehschwingungen gedämpft und etwaige Achsabweichungen kompensiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschreiben, wobei sich aus der Zeichnung und/oder der Beschreibung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Hybridantrieb für eine Yacht,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Hybridmodul,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Hybridantriebes mit

Hybridmodul, Fig. 4a, 4b perspektivische Darstellungen des Hybridmoduls mit Blick auf die

Antriebs- und die Abtriebsseite, Fig. 5 eine Schnittdarstellung des Hybridmoduls,

Fig. 6 eine 3-D-Ansicht des Hybridmoduls mit Schaltmechanismus,

Fig. 7a, 7b Schnittdarstellungen des Schaltmechanismus bei aus- und eingerückter Schaltkupplung, Fig. 8 einen Teilschnitt durch den Stator einer elektrischen Maschine mit Kühlmantel und Kühlmittelanschlüssen. Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Hybrid- antrieb 1 für eine Yacht 2, von welcher lediglich der Rumpf 2a und das Ruder 2b dargestellt sind. Der Hybridantrieb 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 3, vorzugsweise einen Dieselmotor, ein Untersetzungs- und Wendegetriebe 4, im Folgenden kurz Getriebe 4 genannt, sowie ein zwischen Brennkraftmaschine 3 und Getriebe 4 angeordnetes Modul 5, auch Hybridmodul 5 genannt. An die Ausgangsseite des Getriebes 4 ist eine Propellerwelle 6 angeschlossen, welche durch den Rumpf 2a hindurchgeführt und mit einem vor dem Ruder 2b angeordneten Schiffspropeller 7, im Folgenden kurz Propeller 7 genannt, verbunden ist. Die Yacht 2 kann eine Motoryacht, eine Segelyacht oder ein Motorsegler sein, also ein Fahrzeug der Sportschifffahrt.

Fig. 2 zeigt das Hybridmodul 5 (vgl. Fig. 1 ) in schematischer Darstellung als einzelne Baueinheit. Das Modul 5 weist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Gehäuse 8 mit einem anthebsseitig angeordneten Stirnflansch 8a und einem abthebsseitig angeordneten Stirnflansch 8b auf. Innerhalb des Gehäuses 8 ist eine Antriebswelle 9 mit einer ersten Kupplungshälfte 10a angeordnet, welche axial verschiebbar, angedeutet durch einen Doppelpfeil P, jedoch drehfest auf der Antriebswelle 9 angeordnet ist. Koaxial zur Antriebswelle 9 ist eine Abtriebswelle 11 angeordnet, auf deren Ende eine zweite Kupplungshälfte 10b fest angeordnet ist. Die beiden Kupplungshälften 10a, 10b bilden eine schaltbare Kupplung 10, auch Schaltkupplung 10 genannt, welche bevorzugt als Klauenkupplung 10 ausgebildet ist. Innerhalb des Gehäuses 8 ist ferner eine elektrische Maschine 12 angeordnet, welche einen ortfesten Stator 12a sowie einen Rotor 12b aufweist, welcher drehfest auf der Abtriebswelle 11 angeordnet ist. Die elektrische Maschine 12 kann als Motor zum Antrieb der Abtriebswelle 11 , d. h. des Propellers 7 (vgl. Fig. 1 ) oder als Generator betrieben werden. Über die Schaltkupplung 10, die in Fig. 2 in geöffnetem (ausgerücktem) Zustand dargestellt ist, können die Antriebswelle 9 und die Abtriebswelle 11 gekuppelt oder getrennt werden.

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild die gesamte als Hybridantrieb ausgebildete Antriebsanlage, wobei das Hybridmodul 5 durch ein in gestrichelten Linien dargestelltes Rechteck gekennzeichnet ist. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 bezeichnen die Bezugszahlen 10 die Schaltkupplung und die Bezugszahl 12 die als Motor und Generator betreibbare elektrische Maschine, welche mit einer Batterie 13, auch Akkumulator 13 genannt, verbunden ist. Der Brennkraftmaschine 3 (vgl. Fig. 1 ) ist ein Tank 14 mit Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff zugeordnet. Schließlich ist eine elektronische Steuereinheit 15 vorgesehen, welche über Steuerleitungen 15a, 15b einerseits mit dem Verbrennungsmotor 3 und andererseits mit dem Hybridmodul 5 verbunden ist.

Der dargestellte Hybridantrieb kann in folgenden Betriebsarten betrieben werden:

Bei eingerückter Schaltkupplung 10 treibt der Verbrennungsmotor 3 durch, d. h. es besteht eine mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 3 und der Propellerwelle 6, wobei die Drehzahl des Verbrennungsmotors 3 über das Untersetzungsgetriebe 4 reduziert wird und die Drehrichtung für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt umgekehrt werden kann. Die elektrische Maschine 12 kann bei eingerückter Schaltkupplung 10 entweder als Generator laufen, wodurch die Batterie 13 geladen wird, oder als Motor, wobei sie als so genannter Booster wirkt und den Antrieb des Verbrennungsmotor 3 verstärkt. Damit kann ein größeres Drehmoment auf den Propeller 7 übertragen werden. Die Steuerung der Umschaltung von Motor- und Generatorbetrieb erfolgt dabei über die elektronische Steuereinheit 15.

Bei ausgerückter Schaltkupplung 10 ist die Brennkraftmaschine 3 von der Propellerwelle 6 getrennt, der Antrieb erfolgt rein elektrisch, d. h. die elektrische Maschine 12 arbeitet als Motor und bezieht ihre elektrische Energie aus der Batterie 13 oder anderen nicht dargestellten an Bord befindlichen Generatoren. Mit dem rein elektrischen Antrieb entfallen die Geräusche des Dieselmotors 3 und dessen Abgase. Somit ist ein leiser und emissionsfreier Antrieb der Yacht möglich.

Fig. 4a und Fig. 4b zeigen das Hybridmodul 5 jeweils in einer perspektivischen Ansicht von der Antriebsseite und von der Abtriebsseite her. In Fig. 4a ist die Antriebswelle 9 mit einem Antriebsflansch erkennbar, welcher mit einer elastischen Kupplung 16 verbunden ist. Am zylindrischen Gehäuse 8 ist ein Anschlusskasten 17 für den Anschluss von elektrischen Kabeln für die elektrische Maschine (nicht sichtbar) befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist am Gehäuse 8 ein Stellmotor 18 für die Schaltung der Kupplung (nicht sichtbar) befestigt. Fig. 4a zeigt den anthebsseitigen Stirnflansch 8a, Fig. 4b zeigt die Abtriebsseite des Gehäuses 8 mit Abtriebswelle 11 und Stirnflansch 8b.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine konstruktive Ausführung des Hybridmoduls 5, wobei für funktionell gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wie in den vorherigen Figuren verwendet werden. Im Gehäuse 8 des Moduls 5 ist die Antriebswelle 9 über Wälzlager 19, 20 gegenüber dem Gehäuse 8 bzw. gegenüber der Abtriebswelle 11 abgestützt. Die Antriebswelle 9 ist über einen Antriebsflansch 9a mit der elastischen Kupplung 16 verbunden, welche ihrerseits in nicht dargestellter Weise mit dem Schwungrad der Brennkraftmaschine verbunden wird. Die Abtriebswelle 11 ist mit dem Rotor 12b der elektrischen Maschine 12 drehfest verbunden. Der Stator 12a ist mit dem Gehäuse 8 fest verbunden. Die erste Kupplungshälfte 10a der Schaltkupplung 10 ist axial beweglich, jedoch drehfest auf der Antriebswelle 9 angeordnet. Die zweite Kupplungshälfte 10b ist drehfest mit der Abtriebswelle 11 verbunden und über Wälzlager 21 auf der Antriebswelle 9 abgestützt. Die Kupplungshälften 10a, 10b, dargestellt im ausgerückten Zustand, weisen auf ihren einander zugekehrten Stirnflächen Mitnahmeelemente in Form von Stirnverzahnungen 10c, 10d auf, welche bei eingerückter Kupplung formschlüssig ineinander greifen. Die axial verschiebbare erste Kupplungshälfte 10a wird durch einen Schaltmechanismus, welcher eine Exzenterwelle 22 mit einem Exzenterbolzen 22a sowie ein Verbindungsglied 23 in Form einer Lasche umfasst, betätigt. Einzelheiten des Verstell- bzw. Schaltmechanismus sind in den Figuren 6, 7a, 7b dargestellt.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung die Schaltkupplung 10 und eine Schaltgabel 24, welche auf einem gehäusefesten Führungszapfen 25 geführt und von dem Verbindungsglied 23 betätigt wird. Der Stellmotor 18 treibt über einen nicht dargestellten Schneckentrieb auf die Exzenterwelle 22, welche das Verbindungsglied 23 und damit die Schaltgabel 24 in axialer Richtung verstellt. Fig. 7a, Fig. 7b zeigen die Kupplung im ausgerückten (entkuppelten) und im eingerückten (gekuppelten) Zustand. Beide Figuren zeigen den gehäusefesten Führungszapfen 25, auf welchem die Schaltgabel 24 geführt wird. In Fig. 7a befindet sich der Exzenterbolzen 22a der Exzenterwelle 22 in der Zeichnung in einer linken Position und zieht das Verbindungsglied 23 und damit die Schaltgabel 24 in der Zeichnung nach links. Die Kupplung 10 ist damit geöffnet. In Fig. 7b befindet sich der Exzenterbolzen 22a in der Zeichnung in einer rechten Position. Die Schaltgabel 24 wird durch eine Schließfeder 26 in der Zeichnung nach rechts, d. h. in die Schließposition der Kupplung 10 gedrückt. Beide Kupplungshälften 10a, 10b kuppeln ein und bilden eine formschlüssige Verbindung nach Art einer Klauenkupplung. Diese Art von Kupplung kann zur Vermeidung von Verschleißschäden nur lastfrei und bei Drehzahlgleichheit beider Kupplungshälften geschaltet werden. Beim Wiederöffnen der Kupplung 10 wird die als Druckfeder ausgebildete Schließfeder 26 zusammengedrückt. Die Schaltkupplung 10 wird im eingerückten Zustand gemäß Fig. 7b durch eine Kugelfalle 27 blockiert, die beim Öffnen der Kupplung freigegeben wird.

Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt des Stators 12a und seine Anordnung im Gehäuse 8. Der Stator 12a ist von einem Kühlmantel 28 umgeben, welcher mit dem Gehäuse 8 Kühlkanäle 29 bildet. Die Kühlkanäle 29 sind über Radialbohrungen 30 mit Kühlmittelanschlüssen 31 verbunden. Über die Kühlmittelanschlüsse 31 kann aus einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf Kühlmittel zu- und abgeführt werden, so dass der Stator 12a durch Flüssigkeitsumlaufkühlung gekühlt wird.

Bezugszeichen

Hybπdantπeb

Yacht a Rumpf b Ruder

Brennkraftmaschine

Getriebe

Hybridmodul

Propellerwelle

Propeller

Gehäuse a Stirnflansch b Stirnflansch

Antriebswelle a Antriebsflansch 0 Schaltkupplung 0a erste Kupplungshälfte 0b zweite Kupplungshälfte 0c Stirnverzahnung Od Stirnverzahnung 1 Abtriebswelle 2 Elektrische Maschine 2a Stator 2b Rotor 3 Batterie (Akku) 4 Tank 5 elektrische Steuereinrichtung 5a Steuerleitung 5b Steuerleitung 6 elastische Kupplung Anschlusskasten

Stellmotor

Wälzlager

Wälzlager

Wälzlager

Exzenterwelle

Exzenterbolzen

Verbindungsglied

Schaltgabel

Führungszapfen

Schließfeder

Kugelfalle

Kühlmantel

Kühlkanal

Radialbohrung

Kühlmittelanschluss