Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine sowie wenigstens einem elektromechanischen Energiewandler, die im Zusammenwirken zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden, wobei die Brennkraftmaschine beim Betrieb des Kraftfahrzeuges die überwiegende Zeit in einem besonders effizienten Betriebsbereich genutzt wird oder ausgeschaltet ist.

Stand der Technik

Nach heutigem Stand sind verschiedene Systeme für Kraftfahrzeuge mit AntriebsSystemen am Markt vorgestellt, bei denen wenigstens eine Brennkraftmaschine sowie mindestens ein Elektromotor zum Antrieb des jeweiligen Kraftfahrzeuges verwendet werden (so genannte Hybridfahrzeuge) . Im speziellen ist ein Hybridsystem mit serieller Anordnung von Brennkraftmaschine und Elektromotor (en) vorgesehen. Dessen Vorteil liegt in der um ca. 25 % effizienteren Umsetzung einer der Brennkraftmaschine zugeführten Energiemenge eines flüssigen Kraftstoffs - verglichen mit einem individuellen Betrieb der Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prozess .

Weiters sind nach Stand der Technik eine Verbrennungskraftmaschine nach Patent Nr. DE 879183 bzw. sowie eine Brennkraftmaschine nach der Patentschrift DE 60116942T2 als Stand der Technik bekannt. In diesen wird jeweils ein so genanntes 5 -Takt -Verbrennungsverfahren beschrieben, bei dem jeweils mit höherer Effizienz Kraftstoff in Antriebsleistung umgesetzt werden kann. Diese als Fahrmotoren betriebenen 5 -Takt -Motoren haben jedoch mehrere Nachteile. Als Fahrmotor genützt vergrößert sich das Hubvolumen durch die spezifische Ausführung von 2-Liter auf 4-Liter Motoren (bei ca. 20 % gesteigerter Leistung) . Dies führt zu einer unakzeptablen Vergrößerung des Motors und wird als Grund angesehen, dass sich diese zwar effizientere aber nachteilige Maschinenkonstruktion bisher nicht technisch durchsetzen konnte. Weiters ist der dynamische Betrieb eines solchen Motors nur unzureichend darstellbar. Eine Idee, den Motor durch Turboaufladung leistungsstärker zu machen, wurde in dem Patent DE 60116942 T2 veröffentlicht.

Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, die bei guter Praxistauglichkeit einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, das zukünftigen Umweltschutz- und Verbrauchsanforderungen auf kostengünstige Weise gerecht wird.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinheit nach Anspruch 1 gelöst. Dabei umfasst eine erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere VerbrennungsZylindern, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand (Zündwinkel) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansions- zylinders zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch - unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (Kurbelwelle) - entspannt und nachfolgend in einen Abgas -Auslass übergeführt wird, wobei ein erster elektromechanischer Energiewandler mechanisch an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie (Akkumulator, „Batterie") austauscht, und wobei ein weiterer elektromechanischer Energiewandler mechanisch mit wenigstens einer Radwelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit für elektrische Energie austauscht. Dabei ist der weitere elektromechanische Energiewandler zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges und zur Rückgewinnung von Bremsenergie vorgesehen. Der erste elektromechanische Energiewandler hingegen wird bevorzugt einerseits für einen Energieaustausch zwischen Kurbelwelle und Batterie sowie andererseits zur Einstellung der Last an der Kurbelwelle und als Starter-Maschine genutzt. Die Brennkraftmaschine wird bevorzugt fremd-gezündet nach einem Otto-Verfahren betrieben, um das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine besonders präzise steuern zu können. In den Brennräumen können prinzipiell verschiedene Arten von Brennverfahren durchgeführt werden, insbesondere Gleichraum- oder Gleichdruck-Verfahren im Zweitakt- oder Viertakt -Modus . Vor allem in einem Zweitakt -Modus kann eine merkliche Nachverbrennung des aus den Brennräumen ausgestoßenen Abgasgemiscb.es im Expansionszylinder realisiert werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Brennräume der Brennkraftmaschine ein Verdichtungsverhältnis von jeweils kleiner als 9 : 1, insbesondere kleiner als 8 : 1 auf.

In Ausgestaltung der Erfindung wird die Brennkraftmaschine in einem überwiegenden Betriebszustand näherungsweise stationär in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben oder sie ist stillgesetzt. Dabei kann eine Schwankungsbreite von +/- 250 U/min um einen bevorzugten Wert von beispielsweise 2000 U/min vorgesehen sein. In besonders bevorzugter Weise wird der Betriebszustand der Brennkraftmaschine weitgehend stationär in denjenigen Bereich der Drehmoment-Drehzahl-Ebene gelegt, in dem der geringste spezifische Kraftstoff-Verbrauch der Brennkraftmaschine liegt. Zusätzlich wird in weiter bevorzugter Weise der Bereich des höchsten Wirkungsgrades des ersten elektromechanischen Energiewandlers in eben demselben Drehmoment-/Drehzahlbereich gewählt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine wenigstens zwei nach einem Viertakt -Verfahren betriebene Brennräume sowie einen auf dieselbe Abtriebswelle wirkenden Expansionszylinder auf, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch entspannt wird, wobei der erste elektromechanische Energiewandler mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelt ist und überwiegend als Generator betrieben wird zum Aufladen einer Speichereinheit für elektrische Energie, wobei der weitere elektromechanische Energiewandler als Antriebs- und Bremseinheit für wenigstens eine Radwelle des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Brennkraftmaschine im Betrieb mit einer um weniger als 500 U/min schwankenden Drehzahl (quasi stationär) , insbesondere in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 U/min und 5000 U/min betrieben wird oder stillgesetzt ist. Des Weiteren wird der erste elektromechanische Energiewandlers erfindungsgemäß bevorzugt zum Einstellen der Last und/oder das Drehmoments der Brennkraftmaschine sowie zum Starten der Brennkraftmaschine verwendet .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader zugeordnet, bei der das aus dem Expansionszylinder abgeführte Abgasgemisch in einem Abgasturbolader weiter entspannt wird, wobei den Brennräumen zuzuführende Luft mit Hilfe des Abgasturboladers vorverdichtet wird. Damit kann der Gesamt - Wirkungsgrad des Antriebs weiter gesteigert und Abgasenergie wei- testgehend ausgenutzt werden. Vor und/oder hinter dem Abgasturbolader ist weiter bevorzugt wenigstens eine Abgasrückführungseinrichtung für wenigstens einen Teil des Abgases vorgesehen, das im Abgasturbolader entspannt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine zwei in gleichmäßigem Zündabstand von 360° arbeitende Viertakt - zylinder sowie einen zusätzlichen, größeren Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder aufweist, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden Viertaktzylindern aufgenommene Verbrennungsgase quasi in einem Zweitaktverfahren entspannt, wobei die Überleitung der Gase aus den ViertaktZylindern durch Öffnungen in einer zylindrischen Wand des Expansionszylinders, insbesondere mit einer in etwa senkrecht zur Zylinderachse orientierten Strömungsrichtung erfolgt. Die Viertakt- Zylinder weisen erfindungsgemäß bevorzugt dieselbe Hubhöhe und dasselbe Hubvolumen auf. Im Unterschied dazu weist der Expansionszylinder bevorzugt ein um mindestens 25% gesteigertes Hubvolumen auf, das über eine entsprechende Wahl des Zylinderdurchmessers und der Hubhöhe eingestellt wird, wobei die Hubhöhe des Expansionszylinders gegenüber der Hubhöhe der Viertaktzylinder vergrößert ist. Weiter bevorzugt ist eine Reihenanordnung der drei beschriebenen Zylinder derart vorgesehen, dass die Zylindermittelachsen sämtlich in einer gemeinsamen Ebene zu liegen kommen. Weiter bevorzugt überragt der Expansionszylinder die beiden Viertaktzylinder im Bereich des Zylinderkopfes, d.h. die obere Umkehrposition des Kolbens im Expansionszylinder weist einen größeren Abstand zur Drehachse der Kurbelwelle auf als die obersten Positionen der Kolben der Viertaktzylinder. Damit kann ein Überströmkanal zwischen Expansionszylinder und benachbartem Viertaktzylinder vorgesehen werden, der sich zwischen einer Auslassöffnung an der im wesentlichen runden Stirnseite des Viertaktzylinders und einer schlitzförmigen Öffnung in der zylindrischen Wand des Expansionszylinders erstreckt. Ein solcher Überströmkanal kann bevorzugt eine Strömungs- umlenkung von 90° oder weniger aufweisen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine Wandung des ExpansionsZylinders und/oder eine Wandung des im Expansionszylinder geführten Kolbens eine Wärmeverluste mindernde Lage aus einem Material auf, dessen Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ist als 200 W/ (m * K) , insbesondere niedriger als 50 W/ (m * K) . In dem Expansionszylinder kann somit eine nahezu adiabate Entspannung des Abgases und/oder eine Nachverbrennung realisiert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 100 ⁰ C bei Norm- Umgebungsbedingungen, insbesondere bei einer Außentemperatur von 20 ⁰ C, um weniger als 3 K pro Minute absinkt. Dabei weist die Brenn- kraftmaschine erfindungsgemäß eine isolierend wirkende Kapselung auf, deren Bestandteile unterschiedliche thermische Isolations- eigenschaften haben können, jedoch im Gesamtverhalten eine Auskühlung der (stillgesetzten) Brennkraftmaschine um weniger als 3 K/min bewirkt .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das den Abgas-Auslass des ExpansionsZylinders sperrende Auslass-Hubventil ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff hergestellt. Das Auslass- Hubventil des Expansionszylinders weist so eine niedrige Wärmespeicherfähigkeit auf und trägt nachhaltig zur thermischen Isolierung des Expansionszylinders bei.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das den Abgas-Auslass des Expansionszylinders sperrende Auslass-Hubventil eine Hauptachse auf, die parallel zur Hauptachse des ExpansionsZylinders ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist. Damit können einerseits die Strömungsverhältnisse beim Überleiten der Abgase in einen angeschlossenen Abgasstrang optimiert werden. Andererseits lässt sich ein Deckelteil des Expansionszylinders fertigungstechnisch günstig rotationssymmetrisch herstellen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe mit zwei in gleichmäßigem Zündabstand arbeitenden ViertaktZylindern sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder auf, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden ViertaktZylindern aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei die Brennkraftmaschine wenigstens eine zweite Zylindergruppe aufweist, die im wesentlichen gleich der ersten Zylindergruppe ausgestaltet und in V-Form, Stern-Form oder Boxer- Form mit einem Winkel größer 0° zur ersten Zylindergruppe geneigt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Zylindergruppe eine gemeinsame Abtriebswelle (Kurbelwelle) antreiben. Bevorzugterweise ist in diesem Fall die Kurbelwelle mit einem oder zwei elektro- mechanischen Energiewandlern gekoppelt, die elektrische Energie an jeweils eine mit dem elektromechanischen Energiewandler verbundene Batterie abgeben. Solchermaßen gestaltete Brennkraftmaschinen finden besonders auch in Boots- und Flugzeugtriebwerken Verwendung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden Massenkräfte zweiter Ordnung durch mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegte Ausgleichsmassen ausgeglichen. Insbesondere die unterschiedlichen Hebel- und Massenverhältnisse bei den Verbrennungszylindern einerseits und dem Expansionszylinder andererseits können erfindungsgemäß mittels einer Ausgleichswelle in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Dabei weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug eine Antriebseinheit samt einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere VerbrennungsZylindern auf, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand (Zündwinkel) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangsgemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird. Des weiteren übt das Abgasgemisch auf in den Brennräumen beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart aus, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle (Kurbelwelle) in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen ein weiterer Arbeitsraum in Form eines ExpansionsZylinders zugeordnet ist, in dem aus den Brennräumen ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Abtriebswelle (Kurbelwelle) entspannt und nachfolgend in einen Abgas-Auslass übergeführt wird. Ferner weist die Antriebseinheit einen ersten elektromechanischen Energiewandler auf, der mechanisch an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie austauscht, sowie einen weiteren elektromechanischen Energiewandler, der mechanisch mit wenigstens einer Radwelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist und ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit für elektrische Energie austauscht. Erfindungsgemäß ergibt sich damit ein Kraftfahrzeug, das über einen weiten Betriebsbereich dadurch mit hohem Wirkungsgrad gefahren werden kann, dass die Brennkraftmaschine bei Bedarf in einem Bereich niedrigen spezifischen Verbrauchs mit moderater Drehzahl betrieben wird. Der Bedarf wird erfindungsgemäß im wesentlichen anhand des Ladezustands der Speichereinheit für elektrische Energie (Akkumulator, „Batterie") ermittelt. Lastspitzen können dabei ebenso wie Anfahrvorgänge ausschließlich elektromotorisch bewältigt werden, ohne am Betriebszustand der Brennkraftmaschine Änderungen vorzunehmen oder diese überhaupt einzuschalten. Die Batterie dient dabei als Ausgleichsreservoir für Energie zwischen dem kontinuierlichen Leistungsniveau der stationär besonders effizient betreibbaren Brennkraftmaschine und den kurzzeitig diskontinuierlichen Leistungsanforderungen beim Betrieb moderner Kraftfahrzeuge.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit, insbesondere der Brennkraftmaschine eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 100 ⁰ C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 20 ⁰ C Lufttemperatur) und bei einer Fahrtwindanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h auch bei abgestellter bzw. stillgesetzter Brennkraftmaschine um weniger als 3 K pro Minute absinkt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe mit zwei Viertaktzylindern sowie einem zusätzlichen Expansionszylinder für eine anschließende Expansion des Abgasgemischs der Viertaktzylinder auf, wobei der Expansionszylinder abwechselnd aus den beiden ViertaktZylindern aufgenommene Verbrennungsgase entspannt, und wobei der Zylindergruppe ein gemeinsamer Abgas-Auslass sowie eine anschließende gemeinsame, thermisch isolierte Abgasrohrleitung aufweist, deren radiale Wärmeleitfähigkeit λ niedriger ausgelegt ist als 50 W/ (m * K) .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennkraftmaschine im Bereich einer AbgasröhrIeitung ein Katalysator zugeordnet, wobei in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator Abgas aus der Abgas - rohrleitung entnommen wird und über eine gezielte Abgasrückführung zu einem Wärmetauscher geleitet wird, über den Wärme vom Abgas zum Kühlwasser transferiert wird, wobei das gekühlte Abgas dann entweder der Saugseite der Brennkraftmaschine oder erneut der Abgasrohrleitung zugeführt wird. In besonders vorteilhafter Weise wird Abgas der Brennkraftmaschine nach dem Austritt aus dem Expansionszylinder einem Abgasturbolader zugeführt. Nach dem Abgasturbolader sind ein Abgasreinigungskatalysator sowie ein Rohrverzweigungselement in den Abgasstrang eingebaut, wobei mittels des Rohrverzweigungselements zumindest ein Teil des Abgases dem genannten Wärmetauscher und ggf. anschließend der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinheit als serielles Hybridsystem derart ausgelegt, dass die Auslegeleistung kleiner oder gleich dem zugehörigen Leistungswert gemäß der Fahrt - Widerstandslinie des Kraftfahrzeugs in der Ebene ist, die bei einer definierten Referenzgeschwindigkeit, insbesondere bei 125 km/h, bei 145 km/h oder 160 km/h in der Ebene erreicht wird. Als Referenzgeschwindigkeit wird insbesondere eine Dauerreisegeschwindigkeit in der Ebene angenommen, die im übrigen von Land zu Land und/oder für Standard- oder Sport -PKW unterschiedlich gewählt sein kann. Das Fahrzeug weist bevorzugt bei konstanter Fahrt mit Referenzgeschwindigkeit in der Ebene einen Leistungsbedarf auf, der als Auslegeleistung der Brennkraftmaschine und als Auslegeleistung des gesamten Hybridsystems gewählt wird. Höhere Leistungsanforderungen als die Auslegeleistung - beispielsweise bei Bergfahrt und/oder höherer Fahrzeuggeschwindigkeit - werden erfindungsgemäß im wesentlichen über kurzzeitige Leistungsentnahme aus dem elektrochemischen Energiespeicher (Akkumulator, Batterie) gedeckt.

Weitere Merkmale, Vorteile und Varianten ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der anhand der Zeichnungen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Hierzu zeigen

Fig. 1 in einer Prinzipskizze ein erstes erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine („5-Takt-Motor") in einer seriellen Hybridanordnung, Fig. 2 in einer Prinzipskizze ein zweites erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine („5-Takt-Motor") in einer seriellen Hybridanordnung,

Fig. 3 in einem Längsschnitt eine dritte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit drei Zylindern,

Fig. 3a einen Zylinderkopf für eine vierte erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt, einem Querschnitt sowie einer Ansicht von unten,

Fig. 4 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt der Brennkraftmaschine nach Fig. 3,

Fig. 5 in einem Querschnitt die Brennkraftmaschine nach Fig. 3,

Fig. 5a in einer ausschnittsweisen Prinzipdarstellung eine modifizierte erfindungsgemäße Antriebseinheit,

Fig. 5b in einem Temperatur-Zeit-Diagramm einen Temperaturverlauf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bei zunächst stillgesetzter Brennkraftmaschine ,

Fig. 5c in einem Prinzip-Schaubild den Ladezustand der Batterie [in Prozent vom Soll -Ladezustand] in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bei Durchfahren eines NEFZ-Fahrzyklus sowie

Fig. 6 in einem Prinzip-Diagramm eine Fahrwiderstandskurve eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs .

Bevorzugte Ausführungsbeispiele

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in Form eines Personenkraftwagens 1 mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit 2 ausgestattet, die nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert wird. Das Kraftfahrzeug kann als Nutz- fahrzeug zum Transport von Gütern ebenso ausgestaltet sein, wie als Motorrad, Omnibus, Baufahrzeug oder dergleichen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug auch spurgebunden auf Schienen betrieben werden. In jedem Fall weist es eine durch die Antriebseinheit in Rotation versetzte angetriebene Radwelle 4 und wenigstens ein angetriebenes Rad 5 auf .

Die Antriebseinheit 2 umfasst im wesentlichen eine Brennkraftmaschine 2.1, auf die an anderer Stelle als „5-Takt-Motor" Bezug genommen wird. Die Brennkraftmaschine 2.1 wiederum weist wenigstens zwei Brennräume V, insbesondere Verbrennungszylinder 2.2 auf, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft- Gemisch (Ausgangsgemisch) chemisch exotherm derart umgesetzt wird, dass ein Abgasgemisch mit gegenüber dem Ausgangs-igemisch erhöhter latenter Wärme und mit erhöhtem Druck erzeugt wird, wobei das Abgasgemisch auf in den Brennräumen V beweg->lich gelagerte Kolben Z eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben Z eine Abtriebswelle 2.4 („Kurbelwelle") in Rotation versetzt wird, wobei den Brennräumen V ein weiterer Arbeitsraum in Form eines Expansionszylinders 2.3 zugeordnet ist, in dem aus den Brenn-»räumen ausgeschobenes Abgasgemisch unter Abgabe von mecha->nischer Leistung an die Abtriebswelle 2.4 entspannt und nachfolgend in einen Abgas- Auslass 20 überge->führt wird. Die Brennkraftmaschine 2.1 erhält zum Betrieb flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff, in Form einer bevorzugt organischen Substanz, z. B. Otto- oder Diesel-Kraftstoff bzw. Benzin, Alkohol, Biogas oder Methan oder Wasserstoffgas oder dergleichen aus einem im Kraftfahrzeug 1 mitgeführten Kraftstofftank 3.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 2.1 weist insbesondere wenigstens zwei in einem Zündabstand von 360° arbeitende Hubkolbenzylinder 2.2 (Zwei-Takt- oder Vier-Takt-Zylinder) mit Brennräumen V auf, in denen der Kraftstoff bevorzugt fremdgezündet nach einem Otto-Verfahren exotherm mit Umgebungsluft verbrannt wird.

Das Verdichtungsverhältnis £ in den Brennräumen ist jeweils kleiner als 9 : 1, insbesondere kleiner als 8 : 1 gewählt, wobei V _H = Hubvolumen, V _κ = Kompressionsvolumen der Brennräume. Ferner weist die Brennkraftmaschine 2.1 einen weiteren Hubkolbenzylinder 2.3 (Expansionszylinder) für eine anschließende weitere Expansion der Verbrennungsgase auf (Fünfter Takt) . Dieser entspannt aus den beiden Verbrennungszylindern 2.2 übergeleitete Verbrennungsgase und schiebt diese über einen Abgas-Auslass in eine nachgeschaltete Abgasleitung 6.1, 6.2. Der weitere Hubkolbenzylinder 2.3 (Expansionszylinder) arbeitet bevorzugt in einer Art Zweitaktverfahren, wobei das Abgas der Verbrennungszylinder 2.2 unter Abgabe von mechanischer Arbeit im wesentlichen adiabat entspannt wird. Der Kolben des ExpansionsZylinders 2.3 gibt seine Leistung wie die Kolben der anderen beiden Zylinder 2.2 bevorzugt an eine gemeinsame Abtriebswelle 2.4 (Kurbelwelle) ab (vgl. insbesondere Fig. 3) .

An die Kurbelwelle 2.4 ist über eine Kupplung und/oder ein Getriebe ein erster elektromechanischer Energiewandler G („Generator") angekoppelt . Eine konkrete Ausgestaltung des ersten elektromecha- nischen Energiewandlers G kann der US 2009/0224628 Al entnommen werden, auf die hinsichtlich des Aufbaus (insbesondere zur Konstruktion des Stators und des Rotors unter Verwendung von Permanentmagneten) und der Betriebsbedingungen des Generators G vollumfänglich Bezug genommen wird. Dieser Generator G tauscht mit Hilfe einer Leistungselektronik E über elektrische Verbindungskabel 2.5, 2.6 elektrische Energie mit einer Speichereinheit B für elektrische Energie („Batterie", Akkumulator) aus. Ein Prozessrechner bzw. eine Ansteuerungseinheit C regelt dabei sowohl den Betriebszustand des Generators G als auch den Betriebszustand der Batterie B und den der Brennkraftmaschine 2.1. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges 1 wird der erste elektromechanische Energiewandler G zum überwiegenden Teil als Generator benutzt, um mechanische Energie der Brennkraftmaschine 2.1 abzugreifen und in Form von elektrischer Energie an die Batterie B zu transferieren. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges 1 kann der Generator G auch zum Starten und Beschleunigen der Brennkraftmaschine 2.1 aus dem Stillstand heraus benutzt werden. Dabei ist es zu bevorzugen, die Brennkraftmaschine 2.1 mit Hilfe des ersten elektromechanischen Energiewandlers G möglichst rasch von einem Ruhezustand (Stillstand) in den optimalen Betriebszustand zu über- führen, indem die Brennkraftmaschine 2.1 durch den Generator G in einen Betriebszustand mit Nenndrehzahl geschleppt wird. Die Nenndrehzahl soll erfindungsgemäß in einem Bereich des (mathematischphysikalischen) Drehmoment -Drehzahl -Diagramms der Brennkraftmaschine liegen, in der die Brennkraftmaschine einen besonders niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist. Ebenso ist der erste elektromechanische Energiewandler G vorgesehen, der dann arbeitenden Brennkraftmaschine 2.1 eine Nennlast zur Verfügung zu stellen, die ebenfalls in einem Bereich des Drehmoment -Drehzahl -Diagramms der Brennkraftmaschine liegt, in der die Brennkraftmaschine einen besonders niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist. Bei Nenndrehzahl und Nennlast soll erfindungsgemäß auch der Generator G einen möglichst optimalen Wirkungsgrad aufweisen, insbesondere nicht mehr als 15 % von seinem maximalen Wirkungsgrad abweichen.

Gemäß Fig. 1 ist der Brennkraftmaschine also ein elektromechanischer Energiewandler in Form eines Generators G zugeordnet, der mit oder ohne Getriebe bzw. Kupplung mechanisch mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 2.1 gekoppelt ist und von der Brennkraftmaschine 2.1 angetrieben werden kann. Der Generator G kann, wie in Fig. 3 im Detail dargestellt, läuferseitig direkt auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gesetzt sein. Der Generator G ist derart ausgelegt, dass er bei dem (für die Brennkraftmaschine 2.1 gewählten) Bestpunkt selbst ebenfalls einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, wobei die abzugebenden Ströme und die Spannung (en) des Generators G wiederum mit der Strom- Speichereinheit B abgestimmt sind. Dadurch dass das bisher beschriebene Teilsystem (Brennkraftmaschine, Generator, Elektronik, Batterie) im wesentlichen bei denselben Bedingungen arbeitet, können sämtliche konstruktiven Parameter auf diese Bedingungen hin optimiert werden.

Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel quasi stationär bei einer Nenndrehzahl von 2000 U/min mit einem nahezu konstanten Drehmoment von 150 Nm gegen die Last des ersten elektromechanischen Energiewandlers G betrieben. Eine bevorzugte Schwankungsbreite der Drehzahl während eines Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges 1 beträgt hierbei 500 U/min um die Nenn- drehzahl (also ca. +/- 250 U/min) . Darüber hinaus kann auch die Nenndrehzahl selbst in einer solchen Bandbreite (ggf. dauerhaft) verstellt werden - abhängig beispielsweise von dauerhaft geänderten Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine, von (variierenden) Kraftstoffeigenschaften oder Umgebungsbedingungen. Auch eine bedarfs- abhängige Schwankung des Drehmoments von +/- 30 Nm um den Nennwert bzw. eine dauerhafte Verstellung der Lastbedingungen an der Brennkraftmaschine 2.1 innerhalb einer solchem Bandbreite ist erfindungsgemäß möglich (insbesondere auch dann, wenn eine Verstellung einem sich ändernden (Gesamt-) Wirkungsgradmaximum der Antriebseinheit folgt) .

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Brennkraftmaschine bei einer Nenndrehzahl von ca. 3500 U/min und einem Nenndrehmoment von ca. 100 Nm quasi stationär betrieben. Die Leistungsparameter der zueinander gehörigen Komponenten Brennkraftmaschine, Generator, Leistungselektronik und Batterie sind dabei entsprechend auf diesen Betriebszustand abgestimmt.

Die Brennkraftmaschine wird bevorzugt solange insbesondere bei Nennbedingungen betrieben bis die Batterie B durch Zufuhr elektrischer Energie bei einem Anteil von 75 % (oder ggf. wahlweise auch von 85 % oder 100 %) der für den Betrieb vorgesehenen maximalen Speicherkapazität (Soll-Ladezustand SOC) angekommen ist. Beim Erreichen eines solchen Ladezustands der Batterie soll durch die Rechnereinheit C die Brennkraftmaschine 2.1 stillgesetzt und erst bei Bedarf, z.B. bei Absinken des Ladezustands auf unter 50 % auf unter des Soll -Ladezustands SOC (oder bei einem Ladezustand von 45 % oder 60 % des Soll-Ladezustands) oder bei Leistungsanforderungen des Kraftfahrzeugs oberhalb des Leistungsniveaus der Batterie B wieder gestartet werden. Dabei entsprechen 100 % des Soll-Ladezustands bevorzugt zwischen 50 % und 75 % des physikalisch möglichen Maximalladezustands der Batterie. Das Niveau des Soll-Ladezustands wird bevorzugt in Abhängigkeit von durchschnittlichen Stillstandszeiten des Fahrzeugs gewählt.

Zur Komplettierung des seriellen Hybridantriebs weist die Antriebseinheit 2 des Kraftfahrzeugs 1 (wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist) einen weiteren elektromechanischen Energiewandler in Form einer (Antriebs-) Motor-Generatoreinheit M/G auf. Die (Antriebsmotor-) Generatoreinheit M/G ist beispielsweise über ein Differential D und/oder ein Getriebe (nicht dargestellt) mit einer Antriebswelle (Radwelle 4) verbiinden, die unmittelbar die Räder des Kraftfahrzeugs antreibt.

Der weitere elektromechanische Energiewandler M/G (Motor-Generatoreinheit) tauscht via Verbindungskabel 2.6, 2.7 und Elektronik E ebenfalls elektrische Energie mit der Speichereinheit B für elektrische Energie aus. Der Prozessrechner bzw. die Ansteuerungseinheit C regelt dabei sowohl den Betriebszustand der Motor-Generator-Einheit M/G als auch den Betriebszustand der Batterie B. Dabei sind die Betriebsparameter der Motor-Generator-Einheit M/G auf das Betriebsverhalten des Kraftfahrzeuges abgestimmt, da die Motor-Generator- Einheit M/G ihre Energie aus der Batterie bezieht und über diese insbesondere von den Komponenten Brennkraftmaschine und Generator weitgehend entkoppelt ist .

In einem (nicht dargestellten) modifizierten Ausführungsbeispiel können für die den Rädern einzeln zugeordnete Achsen separate Antriebs-E-Motoren vorgesehen sein, die wiederum ihre Leistung aus einer zentralen Strom- Speichereinheit entnehmen könnten. Eine oder mehrere Antriebsmotor-Generatoreinheiten M/G dienen erfindungsgemäß als Fahrmotoren, die das erforderliche Drehmoment für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs an die Räder übertragen. .

In einem weiteren (nicht dargestellten) modifizierten Ausführungsbeispiel können sowohl die Motor-Generatoreinheit M/G als auch die Brennkraftmaschine über ein Differential und/oder ein (Planeten-) Getriebe und/oder eine Kupplung an die Radwelle 4 angekuppelt bzw. ankuppelbar sein, so dass sich eine alternative Konfiguration der Antriebseinheit 2 ergibt . Insbesondere bei einem Langstreckenbetrieb des Kraftfahrzeuges bei weitgehend gleichbleibender und hoher Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs kann es auch sinnvoll sein, einen Lastanteil der Brennkraftmaschine mechanisch an die Radwelle 4 zu übertragen. Dieser Lastanteil kann niedriger als die Nennlast der Brennkraftmaschine 2.1 sein, wenn zugleich die Batterie B geladen wird. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel weist eine Brennkraftmaschine 2.1 für eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 2 mehrere aus je zwei Hochdruckzylindern und je einem (wesentlich) größeren Expansionszylinder (Niederdruckzylinder) bestehende Zylindergruppen auf. Die genannten Zylindergruppen können zueinander in Reihenform, in V-Form, in Boxenform oder in Sternform angeordnet sein (nicht näher dargestellt) .

In weiteren modifizierten Ausführungsbeispielen werden Massenkräfte zweiter Ordnung durch mit doppelter Kurbelwellendrehzahl bewegte Ausgleichsmassen im Bedarfsfall ausgeglichen. Hierzu ist eine über ein festes Getriebe an die Kurbelwelle gekoppelte Ausgleichswelle mit Ausgleichsmassen vorgesehen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, die Massen der Kolben der Verbrennungszylinder summiert einerseits und des Kolbens des Expansionszylinders andererseits unterschiedlich zu gestalten, insbesondere könnten die Einzelmassen in etwa gleich (speziell gleich niedrig) gestaltet sein.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 2 gemäß Fig. 2 beinhaltet eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, welche aus der DE 60116942 T2 im Detail entnehmbar ist. Die DE 60116942 T2 wird hinsichtlich eines möglichen Aufbaus und prinzipieller Betriebsverfahren der Brennkraftmaschine

2.1 vollumfänglich zum Bestandteil dieser Anmeldung gemacht. Insbesondere ist in einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine in der DE 60116942 T2 im Detail erläuterte Abgasturbolader-Einheit 7 (Abgasturbolader, ATL) vorgesehen, die in die Abgasleitungen 6.1,

6.2 eingeschaltet ist. Mittels der Abgasturbolader-Einheit 7 wird aus der Brennkraftmaschine entlassenes Abgasgemisch entspannt und mittels der rückgewonnenen Energie Frischluft zur Zuführung an die Brennkraftmaschine vorverdichtet. Dazu wird das vom Expansionszylinder 2.3 ausgeschobene Abgas über die Abgasleitung 6.1 einer Entspannungsturbine des Abgasturboladers 7 zugeführt. Die gewonnene mechanische Energie wird von der Entspannungsturbine an ein Verdichterrad des Abgasturboladers 7 übertragen, mit dem der Brennkraftmaschine 2.1 zuzuführende Umgebungsluft vorverdichtet werden kann. Dem ATL nachgeschaltet ist ein Abgasreinigungskatalysator CC. Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine 2.1 („5-Takt-Motor") besonders effizient im wesentlichen stationär mit nahezu konstanter Drehzahl (oder in einem kleinen Drehzahlbereich von +/- 250 U/min um die Nenndrehzahl) betrieben und in ein serielles Hybridsystem integriert, wie sich aus der weiteren Beschreibung ergibt. Die konstante Drehzahl sowie die damit abzugebende Leistung der Brennkraftmaschine werden bevorzugt so gewählt, dass ein Punkt möglichst guter Effizienz bzw. maximalen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine (Bestpunkt) möglichst gut angenähert wird. Wenn die Brennkraftmaschine nicht (mehr) benötigt wird, kann sie stillgesetzt werden und zur gegebenen Zeit wieder gestartet werden. Der Bestpunkt liegt erfindungsgemäß in einem Drehzahlbereich von 1000 U/min bis ca. 5000 U/min, insbesondere zwischen 1000 U/min bis ca. 3500 U/min.

Grundsätzlich ist ein serielles Hybridsystem für einen Fahrantrieb mit einer durchschnittlichen Antriebsleistung von wesentlich mehr als 30 kW auslegbar. Erfindungsgemäß wird ein solches Gesamtsystem so ausgelegt, dass die dauerhaft mittels Brennkraftmaschine 2.1 und Generator G abgebbare Leistung kleiner oder gleich groß ist wie die zu benötigende Antriebsleistung bei gesetzlicher oder anderweitig vorher festgelegter Höchstgeschwindigkeit und/oder bei vorher festgelegter Dauerreisegeschwindigkeit. Erfindungsgemäß werden für Dauerreisegeschwindigkeiten eines Mittelklasse-PKW von 125 km/h, 145 km/h bzw. 160 km/h Nennleistungswerte von 28 kW, 40 kW bzw. 60 kW gewählt. Für kleinere oder größere Fahrzeuge sind entsprechend abweichende Werte vorgesehen.

Aus Fig. 6 ergibt sich eine bevorzugte Auslegung eines Antriebskonzepts für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 gemäß den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die durch die Brennkraftmaschine 2.1 samt Generator G zur Verfügung gestellte elektrische Leistung soll gerade so hoch sein, dass eine vorbestimmte Soll -Geschwindigkeit v _Dma χ auf Dauer durch die Brennkraftmaschine 2.1 und den unmittelbar angekoppelten Generator G bei Nennleistung darstellbar ist. Erfindungsgemäß wird eine solche Dauerhöchstgeschwindigkeit v _Dmax bei ca. 120 km/h festgelegt. Anhand einer Fahrwiderstandskurve FK eines Mittelklassefahrzeuges gemäß Fig. 6 kann dazu eine zu installierende Nenn-Leistung P _N von Generator G und Brennkraftmaschine 2.1 ermittelt werden: Dies sind bei 120 km/h Dauergeschwindigkeit des Fahrzeuges ca. 28 kW, was sich aus den kartesischen Koordinaten des Punktes Fl auf der Fahrwiderstandslinie FK ergibt.

Darüber hinausgehende Leistungserfordernisse (höhere Steigungen, höhere Geschwindigkeiten, höhere Nutzlasten) sollen kurzfristig durch eine zeitlich begrenzte Energieentnahme aus einer „Pufferbatterie" B (bzw. aus dem Akkumulator) bestritten werden. Eine solche „Pufferbatterie" kann erfindungsgemäß ca. 6 kWh Energiemenge speichern, mit der gemäß Fig 6 eine Fahrgeschwindigkeit V _x des Kraftfahrzeuges von 185 km/h in der Ebene über eine Zeitdauer von 5 min möglich wäre (Punkt F2) . Mit derselben Energiemenge wäre hingegen eine Fahrgeschwindigkeit v _y von 140 km/h für einen Zeitraum von ca. 25 min realisierbar (Punkt F3) bis zu einer weitgehenden Entladung der Batterie B. Nach Entladung der Batterie B soll das Fahrzeug erfindungsgemäß unterhalb des Punktes Fl bewegt werden, um eine sukzessive Wiederaufladung der Batterie B zu ermöglichen.

Der beschriebenen Konfiguration sind für heute übliche Personenkraftwagen Hubräume zwischen 0,6 1 und 1,6 1 am 5 -Takt -Motor notwendig. Durch die Nutzung des elektromotorischen Betriebszustandes sind im realen Fahrbetrieb alle Lastzustände im Stadtverkehr elektrisch abgedeckt. Ab Geschwindigkeiten von ca. 60 km/h wird die Brennkraftmaschine 2.1 zeitweilig zugeschaltet, und die Batterie B wird zeitweilig geladen - bei gleichzeitiger Entnahme von Energie durch die (Antriebs- ) Motor-Generatoreinheit M/G.

In der Kombination der verschiedenen Antriebskomponenten („5-Takt- Motor", Generator, Batterie und Elektro-Antriebsmotor) sollen die prinzipiellen Vorteile der Komponenten jeweils voll genutzt und die entsprechenden Nachteile der Einzelkomponenten vermieden werden. Dies geschieht besonders dadurch, dass der Strang „Brennkraftmaschine - Generator - Batterie" vom Strang „Antriebs-E-Motor - Batterie" prinzipiell entkoppelt und sodann die Brennkraftmaschine samt Generator nahe einem Bestpunkt betrieben werden kann. Weitere konstruktive Details weiterer erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen können insbesondere den Fig. 3, 3a, 4 und 5 entnommen werden. Bezugszeichen gleicher oder gleichartiger Bauteile sind gleich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen gewählt. Im übrigen sind die in den Fig. 3, 3a, 4 und 5 dargestellten Brennkraftmaschinen 2.1 in Kraftfahrzeugen gemäß den Fig. 1 und 2 (samt Varianten) ggf. auch in Kombination miteinander einsetzbar. Ebenso sind sie in einer Baugruppe nach Fig. 5a einsetzbar.

Weitere Details einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2.1 sind aus Fig. 3 (einem vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen 5 -Takt -Motor) sowie aus Fig. 4 (einem vergrößerten Detail desselben Motors) entnehmbar. Die Verbrennungszylinder 2.2 (Viertaktzylinder) werden bevorzugt in einem Viertaktverfahren betrieben, weshalb ihnen jeweils ein Einlassventil 12 sowie ein Auslassventil 13 in einem Zylinderkopf K zugeordnet sind. Die Ventile werden im Betrieb (in an sich bekannter Weise) von einer Nockenwelle 14 zu einer Translationsbewegung gegen die Kräfte jeweils einer Schließfeder 19 veranlasst, wobei die Nockenwelle 14 über ein Riemen- oder Kettengetriebe 15 an die Kurbelwelle 2.4 gekoppelt und am Zylinderkopf K gelagert ist. Zündkerzen sind nicht dargestellt, werden aber für die Durchführung eines Viertakt-Otto- Brennverfahrens bevorzugt verwendet .

Die Verbrennungszylinder 2.2 sind mit dem Expansionszylinder 2.3 im wesentlichen in ein und derselben Ebene angeordnet, wobei die jeweiligen Kolben der Zylinder 2.2, 2.3 über bevorzugt gleich lange Pleuelstangen auf die gemeinsame Kurbelwelle 2.4 einwirken. Bevorzugt ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kolbenmasse des Kolbens 11 im Expansionszylinder 2.3 zirka doppelt so groß gewählt wie die Masse eines Kolbens in einem Brennraum eines Verbrennungszylinders 2.2. Ferner ist der Durchmesser des Expansionszylinders 2.3 um ca. 25 % bis 45 %, insbesondere um ca. 40 % größer gewählt als der Durchmesser eines Brennraums V. Weiter vorteilhaft ist das Hubvolumen des Expansionszylinders 2.3 um ca. 100 % größer als das Hubvolumen eines Verbrennungszylinders. Insbesondere ist aus Fig. 3 ersichtlich, dass die Verbrennungszylinder 2.2 mit geringem seitlichem Abstand und in einer Reihe mit dem Expansionszylinder 2.3 angeordnet sind. Darüber hinaus ist der Expansionszylinder 2.3 gegenüber beiden VerbrennungsZylindern 2.2 in Richtung des Zylinderkopfes K nach oben versetzt angeordnet, so dass im Zylinderkopf K jeweils ein Überströmkanal 16 zwischen den Verbrennungs- Zylindern 2.2 einerseits und dem Expansionszylinder 2.3 andererseits ausgestaltet sein kann. Ein Überströmkanal 16 weist am oberen stirnseitigen Ende des Brennraums eines Verbrennungszylinders 2.2 eine im wesentlichen kreisrunde Öffnung L (Auslassöffnung des Verbrennungszylinders) auf, die vom Auslassventil 13 des zugehörigen Verbrennungs - Zylinders 2.2 verschlossen werden kann. Der Überströmkanal 16 weist über seine Länge zunächst einen kreisrunden Querschnitt und schließlich einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, mit dem er am oberen Ende in den Expansionszylinder 2.3 mündet. Vorzugsweise weist der Überströmkanal 16 eine Länge von weniger als 5 cm auf.

Vorteilhafterweise weisen die Überströmkanäle 16 nicht nur eine geringe Länge sondern auch eine geringe Krümmung mit entsprechend reduziertem Umlenkwinkel auf (mit einer Richtungsänderung von beispielsweise 70° bis 90°) - entsprechend gering ist der schädliche Totraum in den Überströmkanälen 16.

Erfindungsgemäß erfolgt die Überleitung der Gase aus dem Verbrennungszylindern 2.2 somit durch schlitzförmige Öffnungen 17 in der zylindrischen Wand des ExpansionsZylinders 2.3 mit einer Strömungsrichtung in etwa senkrecht zur Zylinderachse des Expansionszylinders 2.3.

Weiter erfindungsgemäß ist das Verdichtungsverhältnis ε der Verbrennungszylinder 2.2 gegenüber üblichen Werten (ε = 9,5) , wenn also keine nachfolgende weitere Expansion folgt, um 10 % bis 20 % gesenkt (also erfindungsgemäß ε = 8,55 bis 7,6) und im zusätzlichen Expansionszylinder erhöht. Bei den bisherigen Motoren ohne zusätzliche Expansion wird das Verdichtungsverhältnis (gleich Expansionsverhältnis) so hoch wie möglich gewählt. Daraus entstehen die höchsten Anforderungen an die Klopffestigkeit des Kraftstoffs und die höchsten Drücke bzw. Kräfte auf viele Teile. Demgegenüber wird erfindungsgemäß ein deutlicher Vorteil erreicht, indem die Verbrennungszylinder 2.2 strukturell niedrigere Belastungen erfahren.

Aus Bild 4 ist die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 3 für eine erfin ¹ dungsgemäße Antriebseinheit ausschnitthaft in einem teilweisen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine 2.1 dargestellt (bzw. ein Schnitt durch eine einzelne Zylindergruppe) . Besonders gut erkennbar sind hierbei die von Auslassventilen 13 absperrbaren Überströmkanäle 16 zwischen den 4 -Takt -ZyIindem 2.2 (Brennraum- Zylinder; in Fig. 4 rechts und links) sowie dem zentralen, größeren Expansionszylinder 2.3. Bevorzugt weist der Expansionszylinder eine gegenüber den Brennraum- ZyIindem 2.2 vergrößerte Länge und/oder einen gegenüber den Brennraum- ZyI indem 2.2 vergrößerten Durchmesser auf.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Wände des zusätzlichen Expansionszylinders 2.3 eine den Wärmeverlust mindernde Beschichtung Tl, T2 , T3 , T4 aus dafür geeignetem Material aufweisen. Ein ringförmiger Bereich nahe des Zylinderkopfes K (bzw. benachbart zum Zylinderkopf K) kann dabei eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder einen ringförmigen Einsatz Tl aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Erfindungsgemäß sind beispielsweise Beschichtungen oder Einsätze aus Edelstahl, insbesondere aus Nickelhaltigern Stahl oder aus einer Keramik, weiter bevorzugt aus einem Aluminiumoxid, aus einem (Hart-) Eloxal , Nickel, Titan oder dergleichen vorgesehen. Auf der übrigen Zylinder-Wandung des ExpansionsZylinders 2.3 kann optional eine bis zu 100 μm dicke Beschichtung oder Oberflächenbehandlung T2 aus ähnlichem Material vorgenommen werden. Auch an der Unterseite des Zylinderkopfes K kann im Bereich des Expansionszylinders 2.3 eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder einen scheibenförmiger Einsatz T3 aus einem der oben genannten Materialien mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein. Schließlich ist besonders bevorzugt auch an einer Oberseite des Kolbens 11 des ExpansionsZylinders eine 0,1 mm bis 2 mm dicke Beschichtung und/oder ein kuppeiförmiger Aufsatz T4 aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Kolben des ExpansionsZylinders zu mehr als 50 % seines Volumens aus einem keramischen Material hergestellt.

In den Brennraum- ZyI indem 2.2 müssen die Wände durch eine Flüssigkeitskühlung auf verhältnismäßig niedriger Temperatur gehalten werden damit die Menge der Ladung nicht durch Erwärmung an den Wänden kleiner wird und es darf keine Zündung durch Verdichtung an einer heißen Wand entstehen. Diese Forderungen entfallen jedoch beim Expansionszylinder 2.3, so dass bei konstant hoher Temperatur (insbesondere in adiabater Entspannung) mechanische Arbeit gewonnen werden kann und weniger Kühlwärme abgeführt werden muss.

In modifizierten Ausführungsbeispielen sind für den Expansionszylinder 2.3 Zylinderbüchsen aus keramischen Werkstoffen, insbesondere nickelhaltigem Edelstahl, Titan oder dergleichen vorgesehen.

Weiter erfindungsgemäß ist dem Expansionszylinder mittig, d.h. bevorzugt mit identischer (Symmetrie-) Achse ein Auslassventil 18 zugeordnet, über das Abgas das aus dem zusätzlichen Expansionszylinder in die Abgasanlage überführt werden kann. Das den Abgas - Auslass H, 20 des ExpansionsZylinders (2.3) sperrende Auslass- (Hub) ventil 18 weist eine Hauptachse auf, die parallel zur Hauptachse AH des Expansionszylinders ausgerichtet, bevorzugt mit dieser zusammenfallend angeordnet ist.

Das genannte Auslass- (Hub) ventil 18 kann ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff und/oder aus einem Leichtmetall wie Titan hergestellt sein und/oder mit einer keramischen Beschichtung versehen sein. Die geringe Masse wirkt sich positiv aus, z.B. auf Geräusche und geringere Massenkräfte. Eine geringere Wärmeableitung in Verbindung mit einer erhöhten Ventiltemperatur kann zu einer Reduzierung der Wärmeverluste des Expansionszylinders führen.

Gemäß Fig. 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hinsichtlich ihres Zylinderkopfes K dargestellt. Dabei zeigt Fig. 3a beginnend von rechts oben: Längs- schnitt durch den Zylinderkopf K einer Brennkraftmaschine ähnlich der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Brennkraftmaschine; einen Querschnitt durch den Zylinderkopf im Bereich des Expansionszylinders entlang der Linie I -I; Ansicht von unten auf den Zylinderkopf entlang der Ebene II-II.

In Fig. 3a ist in der rechten oberen Abbildung eine Ansicht auf eine schlitzförmige Auslassöffnung 17 des Überströmkanals im Expansionszylinder dargestellt. Die in etwa sichelförmige dreidimensionale Gestaltung der Überströmkanäle ist auch aus der linken oberen Abbildung in Fig. 3a entnehmbar. Ferner sind die Einlassöffnungen I sowie die Auslassöffnungen A der Verbrennungszylinder ebenso gut erkennbar wie die (einzige) Auslassöffnung H des Expansionszylinders, wobei durch letztere das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine in einen nicht im Detail dargestellten Abgastrakt gelangt.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein Ansaugventil 12 einer Brennkraftmaschine 2.1 für eine weitere, modifizierte erfindungsgemäße Antriebseinheit 2 gezeigt. Wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass die Brennkraftmaschine nach Fig. 5 eine im wesentlichen vollständige Kapselung 50 aufweist, die als Wärme- und Schallisolierung dient. Eine derartige erfindungsgemäße Kapselung 50 soll insbesondere durch ein Ansaugrohr 2OA, eine Abgasrohrleitung sowie ggf. eine oder mehrere Elektrizitätsleitungen (Kabel) sowie eine Kraftstoffleitung durchdrungen werden. Ansonsten könnte eine solche optimierte Isolierung vollständig geschlossen sein. Erfindungsgemäß kann die Isolierung durch eine Kunststoffkapsei 51 mit eingeschlossener Luftschicht, durch eine Schaumstoff -Ummantelung 52 und/oder eine sonstige Einhausung mit niedrigen Wärmedurchgangszahlen ausgestaltet werden. In bevorzugter Weise wird die Isolierung im Bereich eines Abgasrohres 6.2 fortgesetzt, so dass das einem Abgasreinigungs- katalysator CC zugeführte Abgas möglichst warm am Katalysator ankommt. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kapselung mehrere unterschiedliche I solierungs-Elemente 50, 51, 52, die sich über mindestens 80 % der Außenoberfläche der Brennkraftmaschine erstrecken, so dass diese gegen Wärmeverluste infolge Wärme- abstrahlung und Umgebungsluftanströmung wirksam geschützt ist. In Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit, insbesondere der Brennkraftmaschine nach Fig. 5 eine thermisch wirksame Isolierung derart zugeordnet, dass eine Innentemperatur der Brennkraftmaschine von mehr als 100 ⁰ C bei Norm-Umgebungsbedingungen (insbesondere 20 ⁰ C Lufttemperatur) und bei einer Fahrtwindanströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 km/h um weniger als 3 K pro Minute absinkt. Hierzu ist eine Abschätzung in den Fig. 5b und Fig. 5c dargestellt, aus denen sich ein beispielhafter Verlauf der Motorkern-Temperatur MT ergibt, wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist und ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug einen NEFZ- Fahrzyklus durchfährt. Vorzugsweise wird die Motorkerntemperatur MT erfindungsgemäß am Zylinderkopf K oder am Kurbelgehäuse gemessen.

In Fig. 5c sind (neben der Motorkerntemperatur MT) in durchgezogener Linie der Batterieladezustand SOC [in Prozent vom Maximum] sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit v [in km/h] über der Test-Zyklus-Zeit [in Sekunden] dargestellt. Für die Bestimmung der Daten wird ein Kraftfahrzeug mit folgenden Daten angenommen: Masse m = 1300 kg, Luftwiderstandsbeiwert cw = 0,32, Stirnfläche A = 2,17 m ² , fR = 0,01, λ = 1,11; iges 6,5, f_rek =0,9.

In Fig 5a sind ein System und ein Verfahren zu einer erfindungsgemäßen Abgasenergierückgewinnung veranschaulicht, das mit den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann. Entsprechend sind für gleiche oder gleichwirkende Elemente identische Bezugszeichen vergeben.

Das System zur Abgasenergierückgewinnung umfasst ähnlich wie beim Kraftfahrzeug 1 nach Fig. 2 eine erfindungsgemäße mehrzylindrige Brennkraftmaschine 2.1 nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, einen Abgasturbolader 7 sowie einen Abgaskatalysator CC. Über einen Expansionszylinder 2.3 der Brennkraftmaschine 2.1 (5-Takt- Motor, s.o.) wird in einer ersten Stufe Energie aus dem Abgas entnommen, indem das Abgas im Expansionszylinder 2.3 nachentspannt wird. Wärme und Druck des Abgases werden quasi wie in einem fünften Arbeits- takt in mechanische Arbeit umgewandelt und direkt auf die Kurbelwelle 2.4 der Brennkraftmaschine 2.1 gebracht. Das so entspannte Abgas wird über eine Abgasleitung 6.1 dem Abgasturbolader 7 zugeführt. In einer zweiten Stufe wird dem Abgas mittels des Abgasturboladers 7 weitere Energie entzogen bevor das Abgas in eine Abgasnachbehandlungsanlage (Katalysator CC) gelangt. Der Abgasturbolader verdichtet Verbrennungs - luft, die über ein Ansaugrohr 2OA den VerbrennungsZylindern 2.2 zugeführt wird, und transferiert so auf die zu verdichtende Verbrennungsluft aus dem Abgas entnommene Energie.

In einer dritten Stufe kann beispielsweise in einem Kaltstart- Prozess restliche Abgaswärme (nach dem Katalysator CC) über einen Abgas/Wasser-Wärmetauscher W an einen Kühlwasserkreislauf 2.8 der Brennkraftmaschine 2.1 übertragen werden. Für letzteres ist eine Regelklappe 6.3 in einem Abgasabzweigrohr 6.4 angeordnet. Wie aus Fig. 5a deutlich wird, soll das so abgekühlte Abgas in einem KaIt- start-Prozess nach einem Luftfilter F der Brennkraftmaschine in ein Ansaugrohr 2OB zurückgeführt werden, wodurch sich quasi eine vierte Stufe der Energierückgewinnung bzw. Energierückhaltung ergibt.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sowie aus den Unteransprüchen in beliebiger Kombination.