DPMA - Erfinderaktivitäten 2006/2007

Entwicklungstendenzen bei hybriden Fahrzeugsystemen im
Hinblick auf Kraftstoffeinsparung, Schadstoffminderung und
Komfort
Dr. Martin Tourneau, Abt. 1.26
Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoffausstoßes von Kraftfahrzeugen werden
zukünftig vermehrt hybride Fahrzeugsysteme eingesetzt. Damit verbunden ist die Entwicklung äußerst
komplexer Antriebskonzepte, die neben einer Anpassung des Verbrennungsmotors auch eine
Einbeziehung weiterer Fahrzeugkomponenten erfordern.
1. Einführung
Wesentliche Zielsetzungen bei der Entwicklung von
Antriebssystemen für Kraftfahrzeuge sind die Senkung
des Kraftstoffverbrauchs, die Reduzierung von
Schadstoffemissionen und die Steigerung des
Fahrkomforts. Zu diesem Zweck werden verschiedene
Lösungsansätze verfolgt. Zum einen erfolgt die
Weiterentwicklung der etablierten Diesel- und Ottomotoren
beispielsweise durch Optimierung von Verbrennung,
Aufladung, Gemischaufbereitung, Ladungswechsel oder
Abgasrückführung sowie durch die Verwendung
alternativer Kraftstoffe („Biodiesel“, Flüssiggas, Erdgas,
Wasserstoff, synthetische Kraftstoffe). Zunehmend werden
jedoch auch alternative Antriebskonzepte entwickelt bzw.
zur Serienreife gebracht. Neben Brennstoffzellenantrieben
sind hier vor allem die Hybridfahrzeuge zu nennen. Die
folgenden Abschnitte konzentrieren sich auf die
Vorstellung verschiedener Hybridkonzepte und zeigen
anhand von Anmeldungen, insbesondere im IPC-Bereich
F02D 45/00, einzelne Entwicklungsschwerpunkte auf.
2. Hybridkonzepte
Der Verbrauchsvorteil von Hybridfahrzeugen entsteht
durch effizientes Energiemanagement in Verbindung mit
Energiespeicherung bzw. Energierückgewinnung. In der
als Start-Stopp-Betrieb bezeichneten Betriebsweise wird
der Verbrennungsmotor z. B. bei Fahrzeugstillstand oder
im Schiebebetrieb abgeschaltet. Bei dem als Rekuperation
bezeichneten Vorgang wird beim Bremsen oder im
Schiebebetrieb kinetische Energie mit Hilfe eines
Generators in elektrische Energie umgewandelt und in
einer Batterie oder einem Kondensator gespeichert
(Bremsenergierückgewinnung). Diese gespeicherte
Energie wird in bestimmten Betriebsphasen zum Starten
des Verbrennungsmotors, temporär unterstützend zur
Erzielung großer Beschleunigungswerte (Boost-Betrieb)
oder zum ausschließlich elektrischen Antrieb (bei
Schwachlast) verwendet. Durch geeignete Steuer- und
Regelverfahren wird der Motor zudem bevorzugt in
Betriebspunkten mit hohem Wirkungsgrad betrieben.
Neben der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs wird
auch eine darüber hinausgehende Verminderung der
Schadstoffemissionen erreicht. Zum einen erreichen die
Verbrennungsmotoren durch die verwendeten
leistungsstarken Starter-Generatoren schneller die zum
selbstständigen Betrieb erforderliche Drehzahl (sog.
Schnellstart) und können deshalb nach kürzerer Zeit mit
optimaler Verbrennung arbeiten. Zum anderen wird durch
das vollständige Abschalten des Verbrennungsmotors und
ggf. durch Abkopplung vom Antriebsstrang bei niedrigen
Lastanforderungen der Abgasstrom unterbunden und ein
Auskühlen des Katalysators stark reduziert. Der
Katalysator kann dadurch stets bei optimalen
Temperaturen und Wirkungsgraden betrieben werden.
Neben der reinen Verbrauchs- und Schadstoffsenkung
sind mit den hybriden Fahrzeugsystemen auch weitere
Vorteile verbunden: Gesteigerter „Fahrspaß“ durch
größeres Drehmoment, Klimatisierung, Heizung und
Lüftung auch bei stehendem Verbrennungsmotor sowie
z. B. die aufgrund der hohen Systemspannung gegebene
Möglichkeit einer sog. Off-Board-Versorgung (Betrieb von
110- bzw. 220 V-Elektrogeräten an einer Bordsteckdose),
die insbesondere im nordamerikanischen Raum
gewünscht wird.
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