[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, dass von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher (Akku) und aus einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, ohne dass das Fahrzeug direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben wird und ein damit ausgerüstetes Fahrzeug. Als Fahrzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sämtliche mit einem Elektromotor angetriebenen Fahrzeuge, wie z.B. Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder, Eisenbahnen, Schiffe und andere vergleichbare Fahrzeuge, zu verstehen.

[0002] Der Entwicklung von straßengebundenen Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb oder gemischten Antrieben mit Elektromotor und Verbrennungskraftmaschine wird derzeit weltweit große Aufmerksamkeit zuteil. Dies liegt an den Bemühungen, die Schadstoff- Emissionen, die vom derzeitigen Straßenverkehr ausgehen und insbesondere den Ausstoß von CO ₂ zu reduzieren. Dabei steht der Wunsch im Vordergrund, innerhalb der Städte vollständig emissionsfrei mit Elektroantrieb fahren zu können.

[0003] Aktuell beträgt die Zahl der Neuzulassungen bei den Elektro-Autos ca. 1 Million pro Jahr. Dem gegenüber stehen weltweit 70 Millionen Neuzulassungen insgesamt, bei einem Bestand von ca. 1.5 Milliarden verbrennungsbetriebenen Personenfahrzeugen. Wollte man überhaupt eine Chance haben, die ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen, dürften ab sofort nur noch Elektro-Autos zugelassen werden, die dann auch mit emissionsfreier Energie betankt werden, was unrealistisch ist.

[0004] Elektrofahrzeuge, beispielsweise elektrisch betriebene Zweiräder, Motorroller und Kraftfahrzeuge, aber auch teilelektrisch betriebene Kraftfahrzeuge sind bekannt. Teilelektrisch betriebene Fahrzeuge sind Fahrzeuge mit einem Hybridantrieb, der neben einem Elektromotor einen weiteren Energiewandler, oft einen herkömmlichen Verbrennungsmotor, umfasst.

[0005] Ferner werden heute für den Antrieb von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor praktisch ausschließlich fossile flüssige Kraftstoffe eingesetzt, deren Verfügbarkeit begrenzt ist. Es ist somit zu erwarten, dass die Preise für derartige Kraftstoffe in der Zukunft stark ansteigen werden, was die Notwendigkeit für alternative Antriebe ebenfalls erhöhen wird. [0006] Das Problem aller reinen Elektrofahrzeuge ist derzeit die begrenzte Reichweite und insbesondre das hohe Gewicht der Batterien. Auch bei der Verwendung von Hochleistungsbatterien ist es aufwendig, eine Reichweite von mehreren 100 km zu erzielen.

[0007] Batterieelektrische Fahrzeuge sind aufgrund der hohen Masse der Batterie sehr schwer. Der Wunsch nach einer großen Reichweite erfordert noch größere und schwerere Batterien. Dies ist besonders kritisch bei Fahrzeugen, die nahe der Gewichtsgrenze für PKWs liegen, weil sie dann mit dem PKW-Führerschein nicht mehr gefahren werden können. Dies sind zum Beispiel Transportfahrzeuge der Sprinter Klasse aber auch Wohnmobile. Auch sehr große SUVs wiegen häufig deutlich über 2000 kg.

[0008] Eine andere Bauart von Fahrzeugen mit kombiniertem Antrieb sind die sogenannten Voll-Hybrid-Fahrzeuge. Diese sind heute schon in größeren Stückzahlen am Markt erhältlich. Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den Nutzen verringern.

[0009] Hybridfahrzeuge, die konfiguriert sind, eine externe Leistungsversorgung des Zuführens von elektrischer Leistung zu einer elektrischen Vorrichtung und dergleichen außerhalb des Fahrzeugs konfiguriert sind, sind bekannt. Einige dieser Hybridfahrzeuge können nicht nur elektrische Leistung, die in einer im Fahrzeug eingebauten Batterie gespeichert sind, sondern ebenfalls elektrische Leistung zuführen, die durch einen Leistungsgenerator unter Verwendung von Bewegungsleistung einer Kraftmaschine erzeugt wird. Herkömmliche Hybridmaschinensysteme, die für Fahrzeugantriebssysteme verwendet werden, beruhen auf einer einzelnen Maschine, die mit einem Motor/Generator verbunden ist. Obwohl signifikante Kraftstoffeffizienzen unter Verwendung von solchen Kombinationen erreicht werden, besteht Raum für eine Verbesserung hinsichtlich Fahrleistungseffizienzen und Emissionsverringerungen.

[0010] Normalerweise werden Hybridfahrzeuge durch den Antrieb eines elektrischen Motors und/oder einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle angetrieben und können in verschiedenen Antriebsmodi inklusive eines EV-Antriebsmodus (EV-Drive), in welchem das Fahrzeug nur von der Kraft des elektrischen Motors angetrieben wird, und einem Motor- Antriebsmodus, in welchem das Fahrzeug nur durch die Kraft des Verbrennungsmotors angetrieben wird, angetrieben werden. Im EV Drive wird ausschließlich die in der Batterie gespeicherte Energie und der elektrische Antriebsmotor zur Fortbewegung verwendet. Dieser Antriebsmodus kommt beim Anfahren und niedrigen Geschwindigkeiten zum Einsatz. [0011] Hybridantriebskonzepte lassen sich nach ihrem Systemaufbau (serieller, paralleler oder leistungsverzweigender Hybrid), aber auch nach dem Anteil der elektrischen Leistung (Mikrohybrid, Mildhybrid, Vollhybrid oder Range Extender) klassifizieren. Plug-in Hybride (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEVs) sind eine Erweiterung dieser Hybridtechnologie. Insbesondere ermöglichen sie eine weitere Senkung des Kraftstoffverbrauchs, indem ihre elektrische Energiespeichereinrichtung nicht mehr (ausschließlich) von dem vorhandenen Verbrennungsmotor und/oder durch Rekuperation, sondern über das elektrische Versorgungsnetz aufgeladen werden kann.

[0012] Verbrennungsmotoren arbeiten optimal im betriebswarmen Zustand, welcher im Fährbetrieb aber typischerweise erst nach 5 bis 20 Minuten erreicht wird. Während der gesamten Warmlaufphase ist die Ölviskosität erhöht, was zu einem erhöhten Reibmoment führt. Zudem ist bei niedrigen Wassertemperaturen keine Innenraumheizung verfügbar, was den Komfort beeinträchtigt und z.T. durch energieintensive elektrische Zuheizer ausgeglichen wird. Der Verbrennungsprozess selbst wird ebenfalls durch niedrige Brennraumwandtemperaturen beeinflusst.

[0013] Die Wandwärmeverluste fallen etwas höher aus, gleichzeitig kommt es tendenziell zu einer Verschlechterung der Emissionswerte von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen bzgl. Verbrauch, Emissionen und Komfort werden deshalb in den letzten Jahren verstärkt Maßnahmen ergriffen, um die Warmlaufphase zu verkürzen und die damit verbundenen Nachteile zu minimieren. Diese Maßnahmen werden im Allgemeinen unter dem Begriff „Wärmemanagement" zusammengefasst.

[0014] Besondere Bedeutung hat das Erreichen der Betriebstemperatur für die Abgasnachbehandlung, die bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren durch einen 3- Wege-Katalysator erfolgt. Die Konvertierungsraten im Katalysator sind sehr stark temperaturabhängig, wobei im kalten Zustand keine, im betriebswarmen Zustand beinahe eine vollständige Umsetzung/Reduktion der Schadstoffe erfolgt. Der schnelle Anstieg der Konvertierungsraten beim Erreichen einer bestimmten Temperaturgrenze wird als „Light-Off" bezeichnet.

[0015] Um niedrige Gesamtemissionen zu erzielen, muss daher zum einen die Zeitspanne von Motorstart bis Katalysator-Light-Off möglichst kurz sein, auf der einen Seite sollten die Rohemissionen in dieser Phase möglichst niedrig sein. Dazu werden innermotorische Maßnahmen („Katalysatorheizen") eingesetzt, wobei ein erhöhter Verbrauch in dieser im Vergleich zum ganzen Zyklus kurzen Phase in Kauf genommen wird.

[0016] Die DE 10 2008 027 620 Al betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), dessen Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor aufweist, und insbesondere ein HEV, dessen Verbrennungsmotor ein normaler Saugmotor, ein aufgeladener Motor oder ein Turbomotor mit stöchiometrischer oder magerer Verbrennung sein kann. Die Strategie verwendet die dynamischen Grenzen eines Verbrennungsmotors in Bezug auf die Drehmomentreaktion und Emissionen, um die zulässigen Werte des für den Antrieb des Fahrzeuges vorgesehenen elektrischen Hilfsmittels zu beschränken und steuert die in einem HEV verfügbare Ausstattung, um die Fahrzeugemissionen zu reduzieren und eine bessere Leistung und ein verbessertes Fahrverhalten zu schaffen.

[0017] Die DE 10 2020 112 747 Al betrifft einen Range-Extender (REX), aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine als ein Boxermotor mit paarweise gegenüberliegenden Pleuel ausgestaltet ist. Eine Motorsteuerschaltung ist dazu eingerichtet, dass die Zylinder eine drehzahlunabhängige, gleichzeitige Zündung aufweisen. Die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine ist mit einem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden, damit die elektrische Maschine mittels einer Generatorsteuerschaltung eine Rotation der Kurbelwelle mit einem Drehmoment vergleichmäßigt. Denn die Generatorsteuerschaltung ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine derart anzusteuern, dass sie in einem Arbeitstakt der Kolben als Generator und in den anderen Takten zumindest zeitweise als ein Motor fungiert. Der Range-Extender (REX) kann derart eingerichtet sein, dass die Drehzahl (N) der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von einer Fahrgeschwindigkeit (V) und einer Gaspedalstellung variiert, sodass ein Motorgeräusch einer Verbrennungskraftmaschine mit Schaltgetriebe simuliert wird.

[0018] Die DE 11 2009 003 767 T5 beschreibt ein Tandem-Hybridkonzept durch Aufteilen des ICE-Antriebs in zwei separate Maschinenmodule: eine primäre Maschine für maximale Effizienz und eine sekundäre Maschine für maximale Leistung und Beschleunigung. Außerdem ist der EM ein elektrischer Starter-Motor/Generator ("E-M/G"), der als Leistungsquelle für niedrige Geschwindigkeit allein oder in Kombination mit dem Ausgang der primären ICE oder auch mit sowohl der primären als auch der sekundären Maschine verwendet wird, wie erforderlich, um zusätzliche Leistung bereitzustellen. Der E-M/G dient natürlich auch der Funktion in einer Generatorbetriebsart, um elektrische Energie zum Wiederaufladen der Batterien und zur Bremsunterstützung bereitzustellen

[0019] Die US 2009/0 025 371 A betrifft ein Hybridfahrzeug, ein

Hybridfahrzeugantriebssystem und ein Verfahren für eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor in einem Hybridfahrzeug, das ferner eine zusätzliche Leistungsquelle aufweist. Der Verbrennungsmotor hat eine Kurbelwelle und mindestens einen Zylinder, wobei das Hybridfahrzeug ferner eine Kraftstoffspeichervorrichtung und eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung umfasst, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung stromabwärts des Zylinders angeordnet ist. Der Abgasnachbehandlungsvorrichtung wird Luft und Kraftstoff zugeführt, während der Motor nicht arbeitet, was zu einer Oxidation des Kraftstoffs in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung führt, um die Temperatur innerhalb ihres Aktivierungsbereichs zu halten. Die Luft kann durch Drehen des Motors durch die zusätzliche Leistungsquelle bereitgestellt werden, und die Steuerung der Luftmenge kann durch ein Drosselventil in einem Einlasskanal des Motors erreicht werden.

[0020] Die WO 2012/056 275 Al beschreibt eine Maschinenkombination aus einer Verbrennungskraftmaschine und einem Generator eines Hybridantriebs mit zwei parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Zylinder-Kolbeneinheiten, deren Kolben über die ihnen zugeordneten Pleuelstangen in Antriebsverbindung mit jeweils einer eigenen Kurbelwelle stehen, die über je ein Zahnrad gegenläufig miteinander drehverbunden sind. Durch diese Kopplung beider Kurbelwellen über Zahnräder lässt sich die Verbrennungskraftmaschine in besonders kompakter Bauweise mit einem Generator kombinieren, indem dessen Welle ein Zahnrad trägt, das mit diesen Zahnrädern der Kurbelwellen in derselben Ebene angeordnet ist.

[0021] Die WO 2010/145 628 Al betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Brennräumen, insbesondere in Verbrennungszylindern, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand ein Kraftstoff-Luft- Gemisch verbrannt 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 entspannt und nachfolgend in einen Abgasauslass übergeführt wird. Erfindungsgemäß ist ein erster elektromechanischer Energiewandler mechanisch an die Abtriebswelle der

Brennkraftmaschine gekoppelt, der elektrische Energie mit einer Speichereinheit für elektrische Energie austauscht, 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. Anwendung in Personenkraftwagen.

[0022] In der DE 34 34 532 CI wird ein Stromversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor beschrieben, wobei dem Fahrzeugmotor eine Freikolben-Stirlingmotor mit Lineargenerator zugeordnet ist, wobei die vom Lineargenerator erzeugte elektrische Energie der Batterie und der Elektrik zugeführt wird.

[0023] Die US 5 172 784 A beschreibt ein Antriebsystem für ein Elektro-Hybridfahrzeug mit einem Freikolben-Verbrennungsmotor, das mit einem integrierten linearen elektrischen Stromgenerator und einer Impulsfrequenzsteuerung versehen ist. Der Freikolben- Verbrennungsmotor soll schadstofffreien Brennstoff, wie z.B. Alkohol, Gas oder Propangas, verbrennen.

[0024] Alle vorgenannten Lösungsansätze, insbesondere aber das batteriebetriebene Elektroauto, haben das Problem, dass häufig nur geringe Reichweiten erreicht werden, was auf die zu geringe Kapazität der Batterie oder mangelndes Tankvolumen zurückzuführen ist.

[0025] Es besteht somit der Bedarf an einer Lösung der oben geschilderten Probleme, mit deren Hilfe die hohen CO ₂ -Emissionen, die durch Verbrennungsmotoren verursacht werden und als ein Grund für den stattfindenden Klimawandel angesehen werden, wirkungsvoll, kostengünstig und schnell reduziert werden können. Durch die geringe Reichweite der jeweiligen Tank- bzw. Batteriefüllungen der aktuellen umweltschonenden Kraftfahrzeuge wird eine vernünftige technische Lösung des Problems zusätzlich erschwert.

[0026] Die durchschnittliche tägliche Fahrstrecke beträgt unter 100 km. Der Gesetzgeber schreibt für elektrische Fahrzeuge Mindestreichweiten von circa 100 km vor. Würde man die Batterie auf diese Reichweite auslegen und für größere Reichweiten einen seriellen Hybrid verwenden, dann ergaben sich deutliche Gewichtsvorteile und auch leichtere Fahrzeugkonzepte. Die Batterien mussten nicht mehr an Schnell-Lade-Säulen mit hohen Ladeströmen geladen werden. Die Netzbelastung wurde deutlich geringer. Der große Druck auf den Ausbau des Schnell-Lade-Netzes konnte reduziert werden.

[0027] Durch die Verwendung von synthetischen Kraftstoffen aus erneuerbaren Energien könnte schnell eine CO ₂ Neutralität erreicht werden. Diese Fahrzeuge mit seriellem Hybridantrieb wären also leichter und deutlich kostengünstiger als reine BEV (Battery- Elektric-Vehicle). Somit wäre die Elektromobilität für die breite Masse wesentlich schneller umsetzbar.

[0028] Verbrennungsmotoren erzeugen in der Startphase die meisten Schadstoffe. Hätten der Motor, die Katalysatoren und die ganze Abgasanlage vor der Verbrennung des Kraftstoffs die Soll-Betriebstemperatur, dann wäre das Abgas sofort wesentlich sauberer und die Kosten für die Abgasanlage wesentlich günstiger.

[0029] Bei der Suche nach einer Lösung des Problems sind dem Erfinder eine Kombination als Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug in den Sinn gekommen, das für eine gute Energieumwandlung bekannt ist. Bei diesem Antriebssystem wird ein Verbrennungsmotor mit einem Generator zu einer kleinen und kompakten leichten Einheit kombiniert, ohne dass der Verbrennungsmotor das Fahrzeug direkt antreibt.

[0030] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug , dass von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher (Akku) und aus einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, ohne dass das Fahrzeug direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, und ein damit ausgerüstetes Fahrzeug zu schaffen, mit dem sich gegenüber reinen batterieelektrischen Fahrzeugen deutliche Gewichtsvorteile und damit leichtere und kostengünstige Fahrzeugkonzepte erreichen lassen.

[0031] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0032] Das Antriebssystem für ein Fahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher oder aus einem zusätzlich mitgeführtem Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, aus einer blockbildenden Einheit, umfassend eine Antriebseinheit und einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Batterieeinheit besteht, wobei die Antriebseinheit einen Verbrennungsmotor mit einem an der einen Seite der Kurbelwelle direkt oder indirekt angeflanschten Generator und einem auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle direkt oder indirekt angeflanschten Lader oder einen im Abgassystem der Antriebseinheit angeordneten Turbolader umfasst. [0033] Alternativ dazu kann das Antriebssystem für ein Fahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor angetrieben wird, dessen elektrische Energie aus einem elektrischen Speicher oder aus einem zusätzlich mitgeführtem Kraftstoff mittels eines Verbrennungsmotors bezogen wird, aus einer blockbildenden Einheit, umfassend eine Antriebseinheit und einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Batterieeinheit besteht, wobei die Antriebseinheit einen Freikolbenmotor mit einem Lineargenerator umfasst.

[0034] Die Antriebseinheit mit Generator und einen Elektromotor als blockbildende Einheit ist auf einem Fahrschemel/Hilfsrahmen des Fahrzeugs derart angeordnet, dass diese im Crashfall unter die Fahrgastzelle schiebbar bzw. zwangsgeführt ist.

[0035] Neben dem Lader, der als Kompressor oder Turbolader ausgebildet ist, kann noch ein Zusatzgebläse, das während der Warmlaufphase zusätzlich benutzt wird, angeordnet werden. Die Luftzufuhr erfolgt dann, je nachdem der Verbrennungsmotor im Schleppmodus oder im Verbrennungsmodus betrieben wird, über eine Ladeluftheizung oder eine Ladeluftkühlung.

[0036] Als Verbrennungsmotoren können vorzugsweise Boxermotoren mit mindestens zwei sich gegenüberliegenden Kolben-Zylindereinheiten, Gegenkolbenmotoren oder Freikolbenmotoren zum Einsatz kommen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit Freikolbenmotoren mit Lineargeneratoren einzusetzen. Die Motoren können soweit möglich im Zweitakt- oder im Viertaktverfahren als Otto- oder Dieselmotoren betrieben werden.

[0037] Die Vorteile des Boxermotors liegen im guten Massenausgleich, in der tiefen Einbaulage mit niedrigem Schwerpunkt, wenig thermische Probleme bei luftgekühlten Zweizylindern, wartungsfreundlich und es ist keine Umlenkung zum Sekundärtrieb nötig.

[0038] Bei den Gegenkolbenmotoren liegen die Vorteile in einem gleichmäßigerer Drehmomentverlauf über das gesamte Drehzahlband, in der bessere Spülung - die Längsspülung erlaubt einen vollständigen Gasaustausch bei geringen Spülverlusten durch die räumliche Trennung von Ein- und Auslassschlitzen -, der einströmenden Luft kann ein Drall mitgegeben werden, was gut für die Durchmischung und den Verbrennungsablauf ist und in einem guten Massenausgleich ohne Zusatzmaßnahmen.

[0039] Die verwendeten Verbrennungsmotoren weisen eine hohe Laufruhe auf und erzeugen kaum Vibrationen. Insbesondere beim Boxermotor werden durch die gegenüberliegende Anordnung der Zylinder, die bei der Bewegung der Kolben entstehenden Kräfte, wechselseitig aufgehoben. Massenkräfte 1. und 2. Ordnung werden vermieden. Das Ergebnis ist ein seidenweicher, runder Lauf des Motors. Ein weiterer Vorteil beim Boxermotor ist, dass durch die horizontale Anordnung der Ein- und Auslasskanäle der Boxermotor sehr niedrig gebaut werden kann und durch seine beiden gleichschweren Zylinderreihen sehr gut ausbalanciert ist.

[0040] Der Freikolbenmotor ist ein linearer „kurbelwellenloser" Verbrennungsmotor, bei dem die Kolbenbewegung nicht durch eine Kurbelwelle gesteuert wird, sondern durch das Zusammenwirken von Kräften aus den Brennkammergasen, einer Rückprall Vorrichtung und einer Lastvorrichtung, wobei die Leistung nicht an eine Kurbelwelle abgegeben, sondern entweder durch Abgasdruck, der eine Turbine und damit einen Generator antreibt, oder durch direkten Einbau eines Lineargenerators zur Erzeugung elektrischer Energie dient.

[0041] Die Aggregate Verbrennungsmotor, Generator und/oder Lader und gegebenenfalls ein Elektromotor bilden das Antriebsystem, das über Lagerstellen auf einem Fahrschemel oder Motor-/Vorderachsträger des Fahrzeugs montiert ist, wobei bei der Verwendung von Boxermotoren Lagerstellen außen an den Zylinderköpfen des Boxermotors angebracht sind, um die Momente des Motors mit geringen Kräften in den Fahrschemel oder die Vorderachsträger einzuleiten und eine weitere Lagerstelle als eine gemeinsame Lagerstelle für den Generator und den Verbrennungsmotor fungiert.

[0042] Bei Einsatz in frontgetriebenen Fahrzeugen besteht die Möglichkeit, die Antriebseinheit mit Generator direkt mit einem Elektromotor zu einer Baueinheit zu verbinden.

[0043] Im Start- bzw. Anfahrmodus ist die Luft einerseits über einen Lader, einem Drei Wegeventil und einer Ladeluftheizung oder andererseits über ein Zusatzgebläse und eine Ladeluftheizung den Zylindern des Verbrennungsmotors zuführbar, wobei das Zusatzgebläse zusätzlich zum Lader bei Bedarf in der Warmlaufphase zuschaltbar ist.

[0044] Der Verbrennungsmotor wird im Start- oder Anfahrmodus bis zum Erreichen der Soll-Betriebstemperatur der Katalysatoren in der Abgasanlage als Luftpumpe betrieben.

[0045] Im Start- oder Anfahrmodus wird das Fahrzeug nur mit Hilfe der von der Batterieeinheit entnommenen elektrischen Leistung betrieben. Während dieser Zeit erfolgt der Betrieb des Verbrennungsmotors im Schleppbetrieb, d.h., der Verbrennungsmotor wird ohne Verbrennung durch den Generator angetrieben und verdichtet nur die angesaugte Luft, somit werden Verbrennungsmotor und Abgasanlage mit den Katalysatoren auf Soll- Betriebstemperatur gebracht. Erst nach Erreichen der Soll-Betriebstemperatur wird der Verbrennungsmotor im Verbrennungsmotor betrieben.

[0046] Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Schadstoffausstoß eines Verbrennungsmotors besonders hoch. Durch die Vorwärmung von Verbrennungsmotor, den Katalysatoren und der gesamten Abgasanlage vor der Verbrennung des Kraftstoffs auf die Soll-Betriebstemperatur wird beim Einsetzen der Verbrennung das Abgas sofort wesentlich sauberer, der Schadstoffausstoß verringert sich wesentlich und die Kosten für die Abgasanlage wesentlich günstiger.

[0047] Es wird somit ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, dass gegenwärtigen und auch zukünftigen Umweltschutz- und Verbrauchsanforderungen auf kostengünstige Weise gerecht wird.

[0048] Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen:

Figur 1 - Konzept des erfindungsgemäßen Antriebssystems

Figur 2 - Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystems

[0049] Die Figur 1 zeigt ein Konzept des erfindungsgemäßen Antriebssystems, das aus einer Antriebseinheit 1, einem Elektromotor 12 zum Antrieb des Fahrzeugs und einer Batterieeinheit 17 besteht. Die Antriebseinheit 1 umfasst im Wesentlichen einen Verbrennungsmotor 2 mit einem an der einen Seite der Kurbelwelle angeflanschten Generator 3 und einem auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle angeflanschten als Kompressor ausgebildeten Lader 5. Zusätzlich kann auf dieser Seite noch ein Zusatzgebläse angeordnet sein. Der Generator 3 wird auch zum Starten und Beschleunigen des Verbrennungsmotors aus dem Stillstand heraus benutzt.

[0050] Als Verbrennungsmotor 2 kommt ein Boxermotor mit zwei sich gegenüberliegenden Kolben-Zylindereinheiten zum Einsatz, in denen jeweils mit einem zeitlichen Abstand 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 Zylindern beweglich gelagerte Kolben eine Druckkraft derart ausübt, dass mit Hilfe der Kolben eine Abtriebswelle („Kurbelwelle") in Rotation versetzt wird, die einerseits den Generator 3 und andererseits einen als Kompressor ausgebildeten Lader 5 antreibt.

[0051] Der als Boxermotor ausgebildete Verbrennungsmotor 2 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 mitgeführten Kraftstofftank 18.

[0052] Der Generator 3 tauscht mit Hilfe einer Leistungselektronik über elektrische Verbindungskabel elektrische Energie mit einer Batterieeinheit 17 aus bzw. es wird die elektrische Energie direkt zum Elektromotor 12 geleitet. Ein Prozessrechner bzw. eine Steuereinheit 19 regelt dabei sowohl den Betriebszustand des Generators 3 als auch den Betriebszustand der Batterieeinheit 17 und den des Verbrennungsmotors 2. Beim Betrieb des Kraftfahrzeuges wird der Generator 3 als elektromechanische Energiewandler benutzt, um mechanische Energie der Brennkraftmaschine abzugreifen und in Form von elektrischer Energie an die Batterieeinheit 17 oder direkt an den Elektromotor 12 zu transferieren.

[0053] Das beschriebene Antriebssystem (Konzept) sieht vor, dass beim Starten bzw. beim Anfahren des Fahrzeugs die elektrische Energie für den Elektromotor 12 einer Batterieeinheit 17 entnommen wird und der Verbrennungsmotor 2 für eine vorbestimmte Zeit im Schleppbetrieb gefahren wird, d.h., der Generator 3 treibt in dieser Phase den Verbrennungsmotor 2 an, ohne das Kraftstoff zugeführt und in den Zylindern verbrannt wird. Der Verbrennungsmotor 2 läuft ohne Verbrennung, also nur als Luftpumpe.

[0054] In der Start- bzw. Anfahrphase kann die Luft einerseits über einen Lader 5, vorzugsweise einem Kompressor, einem Dreiwegeventil 6 und einer Ladeluftheizung 8 oder andererseits über ein Zusatzgebläse 7 und einer Ladeluftheizung 8 den Zylindern des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Alternativ dazu kann ein Zusatzgebläse 7 zusätzlich zum Lader 5 in der Warmlaufphase eingesetzt werden.

[0055] Die von der Ladeluftheizung 8 vorgewärmte Luft wird durch die Verdichtung in den Zylindern des Verbrennungsmotors 2 weiter erhitzt. Die heiße Luft strömt in die Abgasanlage 9 und erwärmt diese und die Katalysatoren auf Soll-Betriebstemperatur. Erst wenn der Steuereinheit 19 das Erreichen der Soll-Betriebstemperatur gemeldet wird, startet der Verbrennungsmotor 2 im Verbrennungsmodus. [0056] Der aus dem Kraftstofftank 18 kommende Kraftstoff kann entweder über eine Vergaseranlage oder eine Einspritzanlage dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt werden.

[0057] Die Aufladung des Verbrennungsmotors 2 erfolgt durch einen Lader 5, vorzugsweise einem Kompressor oder einem Turbolader.

[0058] Zusätzlich kann am Boxermotor auch der Elektroantrieb 12 für die Vorderachse angebracht werden.

[0059] Die Aggregate Boxermotor, Generator 3, Lader 5 und gegebenenfalls der Elektromotor 12 bilden die Antriebseinheit 1 und können über die Lagerstellen 11 und 3 auf einem Fahrschemel oder Motor-/Vorderachsträger des Fahrzeugs vormontiert werden. Die Lagerstellen 11 sind außen an den Zylinderköpfen des Boxermotors angebracht, um die Momente des Motors mit geringen Kräften in den Fahrschemel oder die Vorderachsträger einzuleiten. Der Generator 3 und der Boxermotor haben eine gemeinsame Lagerstelle 3.

[0060] Die Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem. Das Kraftfahrzeug umfasst eine Vorderachse 13 mit einem Elektromotor 15 und eine Hinterachse 14 mit einem Elektromotor 16. Elektrisch verbunden sind die Elektromotoren 15, 16 mit der Antriebseinheit 1 und der Batterieeinheit 17.

[0061] Im Start- oder Anfahrmodus erhalten die Elektromotoren 15, 16 die benötigte elektrische Energie aus der Batterieeinheit 17. Erst nach Erreichen der Soll- Betriebstemperatur wird die für den Antrieb des Fahrzeuges benötigte elektrische Energie von der Antriebseinheit 1 zur Verfügung gestellt. Die Steuerung der Elektromotoren 14,15 des Verbrennungsmotors 2 und des Generators 3 sowie des Ladezustands der Batterieeinheit 17 erfolgt über die Steuereinheit 19.

[0062] Das Betreiben eines mit dem erfindungsgemäßen Antriebsystem ausgerüsteten Fahrzeugs erfolgt dergestalt, dass beim Start- bzw. Anfahrvorgang in einem ersten Schritt die Temperatur in der Abgasanlage 10 ermittelt wird. Liegt die Temperatur unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Katalysatoren, erfolgt das Starten bzw. das Anfragen des Fahrzeugs dadurch, dass die elektrische Energie für den / die Elektromotoren 12 oder 15; 16 der Batterieeinheit 17 entnommen wird.

[0063] Der Verbrennungsmotor 2 wird über den Generator 3 im Schleppbetrieb gefahren. Luft wird über den Lader 5 bzw. Lader 5 und Zusatzgebläse 7 in die Zylinder-Kolbeneinheit gefördert. Über die Ladeluftheizung 8 kann die Ansaugluft vorgeheizt werden. Die in die Zylinder-Kolbeneinheiten des Verbrennungsmotors 2 geförderte Ausgangsluft wird, ohne das Kraftstoff zugeführt wird, verdichtet und dementsprechend erhitzt.

[0064] Während des Schleppbetriebes wird ständig die Temperatur der Katalysatoren gemessen und in der Steuereinheit mit der Soll-Betriebstemperatur der Katalysatoren verglichen. Wird die Soll-Betriebstemperatur erreicht bzw. überschritten, wird die Kraftstoffzufuhr geöffnet und die Zündung des Verbrennungsmotors 2 eingeschaltet. Die Luftzufuhr erfolgt dann über den Lader 5, das Drei Wegeventil 6 und den Ladeluftkühler 9.

[0065] Der Verbrennungsmotor 2 startet und treibt den Generator 3 an, der die elektrische Energie erzeugt und an die Elektromotoren weitergibt. Die Steuerung des Verbrennungsmotors 2 und damit des Generators 3 erfolgt derart, das ständig die zur Verfügung gestellte elektrische Leistung ausreichend für ein energieeffizientes Fahren ist. Des Weiteren soll bei Bedarf zusätzliche Leistung für das Laden der Batterieeinheit zur Verfügung stehen.

[0066] Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt bei optimaler Drehzahl und Auslastung maximal ca. 37 %. Er ist bei gegebener Drehzahl stark lastabhängig - knapp unter Volllast am höchsten und sinkt bis zum Leerlauf auf null ab. Das heißt, im Teillastbetrieb, wenn wenig Gas gegeben wird, haben Ottomotoren einen schlechten Wirkungsgrad. Teillast und Leerlauf des Verbrennungsmotors kommen im Stadtverkehr häufig vor und können hier vermieden werden. Der Verbrennungsmotor kann nun bei hoher Last mit einem günstigen Wirkungsgrad betrieben werden.

[0067] Es ergibt sich somit ein Kraftfahrzeug, das über einen weiten Betriebsbereich mit einem hohen Wirkungsgrad gefahren werden kann, wobei der Verbrennungsmotor bei Bedarf in einem Bereich niedrigen spezifischen Verbrauchs mit moderater Drehzahl betrieben wird. Lastspitzen können ausschließlich elektromotorisch vorgenommen werden, ohne dass am Betriebszustand des Verbrennungsmotors Änderungen vorgenommen werden. Die Batterieeinheit wird dabei als Ausgleichsreservoir für die benötigte elektrische Energie zwischen einem kontinuierlichen Leistungsniveau eines effizient betreibbaren Verbrennungsmotors und einer kurzzeitig diskontinuierlichen Leistungsanforderung beim Betrieb moderner Kraftfahrzeuge.

[0068] Durch das vorgeschlagene Konzept kann mit einem Masseneinsatz von ca. 100 kg die Masse der Batterie um 400 bis 450 kg reduziert werden. Dadurch wird auch der Verbrauch im BEV-Modus reduziert. Der Einsatz der kritischen Materialien für die Batterieproduktion wird deutlich reduziert. Daraus ergibt sich ein gravierender Kostenvorteil verbunden mit den Eigenschaften eines reinen BEVs im Fährbetrieb und den Eigenschaften eines Verbrenners bezüglich der Reichweite.

[0069] Bezugszeichenaufstellung

1 - Antriebseinheit

2 - Verbrennungsmotor

3 - Generator

4 - Lagerstelle Verbrennungsmotor und Lader

5 - Lader

6 - Drei Wegeventil

7 - Zusatzgebläse

8 - Ladeluftheizung

9 - Ladeluftkühler

10 - Abgasanlage

11 - Lagerstellen Verbrennungsmotor

12 - Elektromotor

13 - Vorderachse

14 - Hinterachse

15 - Elektromotor Vorderachse

16 - Elektromotor Hinterachse

17 - Batterieeinheit

18 - Kraftstofftank