[0001] Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs
gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
[0002] Es ist bei Fahrzeugen dieser Art, insbesondere bei Personen- oder Nutzfahrzeugen
bekannt (DE 36 01 176 C1), als Hauptantriebsmotor einen Verbrennungsmotor zu verwenden,
der Fahrzeugräder antreibt. Andererseits ist auch ein unabhängig antreibbarer Luftpresser
bzw. Kompressor für die Versorgung einer pneumatischen Niveauregelung vorgesehen.
Der Luftpresser wird nur unter bestimmten Bedingungen mit elektrischem Strom versorgt,
z.B. dann, wenn der Verbrennungsmotor stillsteht sowie eine Zuladung in das Fahrzeug
erfolgt und daher eine Niveau-Nachregelung vor dem Neustart des Hauptantriebsmotors
erfolgen soll.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs Maßnahmen zu treffen, durch die ein energieoptimierter, funktionsgerechter
Betrieb des Luftpressers ermöglicht wird.
[0004] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in zusätzlichen Ansprüchen angegeben.
[0005] Bei einem gemäß der Erfindung aufgebauten Fahrzeug kann der Luftpresser bei laufendem
Hauptantriebsmotor stets durch die vom Hauptantriebsmotor gelieferte Antriebsenergie
angetrieben werden, so daß keine zusätzlichen elektrischen oder mechanischen Wandlungsverluste
auftreten, wie sie beim Antrieb durch einen separaten Elektromotor unvermeidlich sind.
Zur Abzweigung von Antriebsenergie aus dem Triebstrang, der die Fahrzeugräder antreibt,
kann ein leistungsverzweigtes Getriebe eingesetzt werden, über das der Luftpresser
mit dem Hauptantriebsmotor in Antriebsverbindung steht. Dieses Getriebe hat neben
einem Ausgangstrieb für den Luftpresser und einem ersten Eingangstrieb für die bedarfsweise
Kupplung mit dem Hauptantriebsmotor noch einen zweiten Eingangstrieb, der bedarfsweise
in Antriebsverbindung mit dem Elektromotor für den Luftpresser steht.
[0006] Im leistungsverzweigten Getriebe sind Kuppeleinrichtungen vorgesehen, mittels welchen
bei Stillstand oder auch schon bei sehr niedrigen Drehzahlen des Hauptantriebsmotors,
die unter einem vorbestimmten Mindest-Drehzahlwert liegen, automatisch eine Umschaltung
der Antriebsverbindung des Kompressors vom Hauptantriebsmotor auf den Elektromotor
durchgeführt wird, wenn der Luftpresser betriebsnotwendige Funktionen im Fahrzeug
aufrecht erhalten soll. Der Elektromotor muß dann jedoch nicht bereits eingeschaltet
sein, sondern braucht durch geeignete Steuermittel erst aktiviert zu werden, wenn
z.B. komprimierte Luft für Luftverbraucher angefordert wird. Das kann dann notwendig
sein., wenn ein vorher aufgefüllter Luftspeicher für die Versorgung von z.B. pneumatischen
Bremseinrichtungen oder von Fahrzeug-Niveauregeleinrichtungen nicht ausreichend groß
für eine längere Betriebsdauer ist. Wird als Stromquelle statt einer Batterie eine
Brennstoffzelle eingesetzt, die z.B. das gesamte Bordnetz des Fahrzeuges mit elektrischer
Energie versorgen kann, dann ist es besonders vorteilhaft, mittels des Luftpressers
auch die für den Betrieb der einzelnen Zellen der Brennstoffzelle und/oder für einen
etwaigen Reformer notwendige sauerstoffhaltige Prozeßluft bereitzustellen. Die Brennstoffzelle
kann dabei auch in einem Brennstoffzellensystem angeordnet sein, das auch mit einem
üblichen Gaserzeugungssystem ausgerüstet sein kann, bei dem ein Reformer vorgesehen
ist, in welchem ein wasserstoffreiches Reformat aus einem Brennmittel gewonnen wird.
Dabei liefert die Brennstoffzelle zugleich den elektrischen Strom für den Antrieb
des Elektromotor, der anstatt des Hauptantriebsmotors den Luftpresser antreibt, so
daß anders als bei einer Batterie als Stromquelle Dauerbetrieb des Bordnetzes und
auch des Luftpressers möglich ist. Ferner ist es möglich, das leistungsverzweigte
Getriebe als Teil des Schaltgetriebes auszubilden, das im Antriebsstrang zwischen
dem Hauptantriebsmotor und den Fahrzeugrädern liegt.
[0007] Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
- Fig. 1
- eine Prinzipskizze einer Anordnung gemäß der Erfindung und
- Fig. 2
- eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung mit einem zusätzlichen Luftpresser.
[0008] Fig. 1 zeigt ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug, insbesondere ein Personen- oder
Nutzfahrzeug für Straßenoder Schienenbetrieb, welches einen Hauptantriebsmotor 1 aufweist,
der als Verbrennungsmotor oder als elektrischer Fahrmotor ausgebildet ist. Der Hauptantriebsmotor
1 kann über einen Antriebsstrang mit eingeschaltetem Getriebe 2 und ggf. Kupplung
mit einem Paar von Fahrzeugrädern 3 in Antriebsverbindung gebracht werden. Das Getriebe
2 ist als ein leistungsverzweigtes Getriebe 2 ausgebildet, das über einen ersten Eingangstrieb
4 mit dem Hauptantriebsmotor 1 und über einen zweiten Eingangstrieb 5 mit einem zusätzlichen
Antriebsmotor, insbesondere mit einem Elektromotor 6 in Antriebsverbindung seht. Das
leistungsverzweigte Getriebe 2 kann zudem mit einem ersten Ausgangstrieb 7 versehen
sein, der mit den Fahrzeugrädern 3 gekuppelt ist. Außerdem weist das leistungsverzweigte
Getriebe 2 einen zweiten Ausgangstrieb 8 auf, über den ein Luftpresser 9 angetrieben
wird. Der Luftpresser 9 saugt über einen Ansaugstutzen 10 atmosphärische Luft mit
Sauerstoffanteil aus der Umgebung an und gibt sie verdichtet über eine Druckluftleitung
11 als Prozeßluft zur Zuführung von Sauerstoff für den Stromerzeugungsprozeß an eine
als Stromquelle dienende Brennstoffzelle 12 ab. Zudem kann die komprimierte Luft über
Abzweigleitungen 11.1 und 11.2 für die Druckluftversorgung von pneumatischen Bremseinrichtungen
13 und Luftfedereinrichtungen bzw.
[0009] Niveausteuereinrichtungen 14 dienen, mittels welcher die Fahrzeugräder 3 gebremst
bzw. das Fahrzeugfederungssystem betrieben werden können.
[0010] Die Brennstoffzelle 12 erzeugt bedarfsgesteuert elektrischen Strom, der einem elektrischen
Steuersystem 15 zugeführt wird. Das Steuersystem 15 dient der Steuerung des Elektromotors
6, des Hauptantriebsmotors 1 und des leistungsverzweigten Getriebes 2 und kann auch
weitere elektrische Steuereinrichtungen oder Verbraucher, wie Lichter 16, Sitzheizungen
17, Entfrosteranlagen 18, Klimaund Belüftungseinrichtungen 19 sowie andere elektrische
Verbraucher und auch die Brennstoffzelle 12 sowie eine insbesondere dem Anfahren der
Brennstoffzelle 12 dienende Batterie 20 versorgen, steuern und laden.
[0011] Die Steuerung des Luftpressers 9 erfolgt bei diesem Aufbau in der Weise, daß im üblichen
Fahrbetrieb des Fahrzeuges bei laufendem Hauptantriebsmotor 1 der Luftpresser 9 über
das leistungsverzweigte Getriebe 2 angetrieben wird und die notwendigen Luftverbraucher
(Brennstoffzelle 12, Bremseinrichtung 13, Niveausteuereinrichtung 14 ) mit der erforderlichen
Luftmenge speist. Wird jedoch der Hauptantriebsmotor 1 abgeschaltet oder läuft derselbe
mit einer unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegenden Drehzahl, die eine Bereitstellung
der erforderlichen Luftmenge nicht mehr sicherstellt, wird der Elektromotor 6 in Betrieb
gesetzt. Der Elektromotor 6 treibt dann unmittelbar über das leistungsverzweigte Getriebe
2 den Luftpresser 9 an, wobei der sonstige Antriebsstrang gegenüber dem Elektromotor
6 entkuppelt ist. Jedoch kann in Sonder- oder Notfällen der Elektromotor 6 auch für
den zusätzlichen oder ggf. bei entkuppeltem Hauptantriebsmotor 1 für den alleinigen
Antrieb der Fahrzeugräder 3 herangezogen werden. Die Bereitstellung der elektrischen
Energie für den zusätzlichen Antriebsmotor 6 erfolgt aus der Brennstoffzelle 12, die
vorzugsweise das gesamte elektrische Bordnetz des Fahrzeuges speist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Luftpresser bei zu hohen Drehzahlen des Antriebsmotors
ebenfalls unabhängig vom Antriebsmotor mit dem Elektromotor 6 zu betreiben. Dadurch
kann der Verbrauch verbessert werden. Besonders große Einsparpotentiale ergeben sich
wenn der Luftpresser in der Schubphase vom Antriebsmotor als eine Art "Motorbremse"
angetrieben wird, so daß in dieser Phase kein Kraftstoff für die Bereitstellung der
Druckluft verbraucht wird. In der Zugphase kann anschließend der Luftpresser 9 im
Bedarfsfall durch den Elektromotor 6 angetrieben werden. Dabei kann wahlweise im Zugbetrieb
der Antrieb durch den Antriebsmotor 1 oder den Elektromotor 6 erfolgen.
[0012] Der Luftpresser liefert vorzugsweise die Druckluft für die Bremsanlage, die Luftfederung
und/oder die Niveauregulierung des Fahrzeugs. Vorzugsweise wird im Normalfall der
Antrieb des Luftpressers 9 durch den Antriebsmotor 1 und bei zu geringer Drehzahl
des Antriebsmotors 1 bzw. bei Stillstand durch den Elektromotor 6.
[0013] Insgesamt ergibt sich somit ein energieoptimierter Betrieb des Luftpressers 9, der
im Fahrbetrieb vom ohnehin laufenden Hauptantriebsmotor 1 und nur bei Stillstand oder
bei zu langsamem Lauf desselben im Bedarfsfall mittels eines zusätzlichen Antriebsmotors
6, der geringere Verluste als der leerlaufende Hauptantriebsmotor 1 aufweist, angetrieben
wird.
[0014] Neben dem Luftpresser 9 kann ein zusätzlicher, vorzugsweise elektromotorisch angetriebener
Luftpresser 9.1 vorgesehen sein. Dies ist in Fig. 2 durch den gestrichelt gezeichneten
Luftpresser 9.1 schematisch dargestellt. Gleiche Komponenten wie in Fig. 1 sind mit
denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Durch den zusätzlichen Luftpresser 9.1 kann
eine Zweikreisigkeit der Drucklufterzeugung sichergestellt werden. Bei Ausfall eines
Luftpressers 9 oder 9.1 kann der andere Luftpresser 9.1 oder 9 das Druckluftsystem
mit Druckluft versorgen. Der Luftpresser 9 und der zusätzliche elektromotorisch angetriebene
Luftpresser 9.1 können fallweise bezüglich der Druckluftleitung 11 in Reihe geschaltet
sein. Vorzugsweise ist dann in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Luftpressern
ein Rückschlagventil vorgesehen.
[0015] Günstig ist, einen zusätzlichen Elektromotor für den Antrieb des Luftpressers 9.1
vorzusehen. Der Antrieb kann jedoch auch durch eine geeignete Antriebsverbindung,
etwa einen vorzugsweise abkuppelbaren Riementrieb oder dergleichen, über den Elektromotor
6 erfolgen. Dieser zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 kann
vorzugsweise unabhängig von Luftpresser 9 zugeschaltet werden. Damit wird eine zweikreisige
Drucklufterzeugung ermöglicht. Vorteilhaft ist, daß dieser zusätzliche Luftpresser
9.1 bedarfsorientiert zugeschaltet werden kann, etwa bei einem zusätzlichen Bedarf
an Druckluft zum Bremsen oder etwa beim Betätigen von mit Druckluft versorgten Hubmechanismen
des Fahrzeugs.
[0016] Bei stehendem Antriebsmotor 1 kann dieser zusätzliche Luftpresser 9.1 z.B. abhängig
von der Bordspannung und/oder der Fahreranforderung und/oder dem Druckniveau der Druckluftanlage
zugeschaltet werden.
[0017] Diese Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung hat den Vorteil, daß eine zweikreisige
Drucklufterzeugung bei Ausfall einer Druckluftquelle eine Drucklufterzeugung des Fahrzeugs,
etwa im Notbetrieb, sicherstellen kann. Weiterhin ist eine hohe Luftpresserförderleistung
über den elektromotorisch angetriebenen Luftpresser 9.1 bereits bei geringen Motordrehzahlen
des Hauptantriebsmotors 1 bzw. auch ohne Antriebsmotorbetrieb möglich.
[0018] Die Auslegung des vom Antriebsmotors angetriebenen, vorzugsweise bedarfs- und leistungsoptimierten
Luftpressers 9 erfolgt zweckmäßigerweise entsprechend dem bei Normalfahreinsätzen
zu erwartenden Druckluftverbrauch und kann daher z.B. über die Hauptfahranteile eines
Fahrzeugs energieoptimiert erfolgen. Bei Zusatzbedarf über diesen zu erwartenden Druckluftverbrauch
hinaus kann der zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 zugeschaltet
werden und so eine ausreichende Druckluftversorgung sicherstellen, etwa bei einer
Talfahrt mit hohem Druckluftverbrauch beim Bremsen.
[0019] Vorteilhaft ist, bei auftretendem Zusatzbedarf im Fahrzeug-Standbetrieb, etwa bei
Aufsattel- oder Pritschvorgängen bei Nutzfahrzeugen, den zusätzlichen elektromotorisch
angetriebenen Luftpresser 9.1 zuzuschalten. Wahlweise erlaubt der zusätzliche elektromotorisch
angetriebene Luftpresser 9.1 bei ausreichender Spannungsversorgung auch derartige
Arbeiten ohne laufenden Motor. Dies vermindert die Lärmentwicklung des Fahrzeugs sowie
etwaige Abgasemissionen durch den Hauptantriebsmotor 1.
[0020] Der zusätzliche elektromotorisch angetriebene Luftpresser 9.1 kann bereits beim Start
schnell verfügbar sein, indem dieser etwa bei der Zündschlüsselstellung "Zündung ein"
bereits mit hoher Konstantdrehzahl zugeschaltet wird. Das lästige Motorengeräusch
bei hoher Motordrehzahl des Hauptantriebsmotors 1 zum Füllen der Druckluftanlage entfällt
damit.
[0021] Für eine schnelle Startbereitschaft kann der zusätzliche elektromotorisch angetriebene
Luftpresser 9.1 bereits vor Fahrantritt über eine Zeitschaltung zur Befüllung des
Wegfahr-Druckniveaus eingeschaltet werden. Dies kann zur Geräuschminimierung mit geringer
Drehzahl des Luftpressers erfolgen. Die schnelle Startbereitschaft kann in dieser
Weise auch über den Luftpresser 9 erreicht werden, wenn dieser elektromotorisch angetrieben
ist. Das Druckluftsystem des Fahrzeugs ist dann bereits beim Starten des Hauptantriebsmotors
1 gefüllt und betriebsbereit.
1. Fahrzeug, insbesondere Personen- oder Nutzfahrzeug, mit einem Hauptantriebsmotor,
mit einem durch einen Elektromotor antreibbaren Luftpresser und mit einer elektrischen
Stromquelle, aus welcher der Elektromotor gespeist wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Luftpresser (9) wahlweise mit dem Hauptantriebsmotor (1) oder mit dem Elektromotor
(6) in Antriebsverbindung steht.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Luftpresser (9) an einen Ausgangstrieb (8) eines leistungsverzweigten Getriebes
(2) angeschlossen ist, das zwei Eingangstriebe (4 und 5) aufweist und
daß wahlweise ein erster Eingangstrieb (4) mit dem Hauptantriebsmotor (1) und ein zweiter
Eingangstrieb (5) mit dem Elektromotor (6) in Antriebsverbindung zu bringen ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das leistungsverzweigte Getriebe (2) in den Triebstrang zwischen dem Hauptantriebsmotor
(1) und den Fahrzeugrädern (3) integriert ist.
4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das leistungsverzweigte Getriebe (2) Teil eines im Antriebsstrang vorgesehenen Schalt-
oder Automatikgetriebes ist.
5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektromotor (6) bei Stillstand und/oder bei Drehzahlen des Hauptantriebsmotors
(1), die unterhalb einer Mindestdrehzahl liegen, aus der Stromquelle (12) gespeist
ist.
6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektromotor (6) aus einer Brennstoffzelle (12) elektrisch gespeist ist.
7. Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Luftpresser (9) Umgebungsluft komprimiert, die den Zellen der Brennstoffzelle
(12) und/oder einem Reformer als sauerstofftragende Prozeßluft zugeführt ist.
8. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zusätzlicher elektromotorisch angetriebener Luftpresser (9.1) vorgesehen ist.
9. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der zusätzliche Luftpresser (9.1) mit dem Luftpresser (9) bezüglich der Druckluftleitung
(11) in Serie geschaltet ist.
10. Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Druckluft-Verbindungsleitung zwischen dem zusätzlichen Luftpresser (9.1)
und dem Luftpresser (9) ein Rückschlagventil vorgesehen ist.
11. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Luftpresser (9) wahlweise von dem Hauptantriebsmotor (1) oder dem Elektromotor
(6) angetrieben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb des Luftpressers (9) im Normalbetrieb durch den Antriebsmotor (1) und
bei geringer Drehzahl oder bei Stillstand des Antriebsmotors (1) durch den Elektromotor
(6) erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb des Luftpressers (9) im Schubbetrieb durch den Antriebsmotor (1) und
im Zugbetrieb wahlweise durch den Antriebsmotor (1) oder den Elektromotor (6) erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß bedarfsabhängig ein zusätzlicher elektromotorisch angetriebener Luftpresser zugeschaltet
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der zusätzliche Luftpresser (9.1) bei erhöhtem Druckluftbedarf im Fahrbetrieb zusätzlich
zum Luftpresser (9) zugeschaltet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der zusätzliche Luftpresser (9.1) bei stehendem und/oder bei leerlaufendem Hauptantriebsmotor
(1) beim Auftreten von Druckluftbedarf automatisch zugeschaltet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der zusätzliche Luftpresser (9.1) im Startbetrieb des Fahrzeugs zum Füllen der Druckluftanlage
zugeschaltet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der zusätzliche Luftpresser (9.1) vor Inbetriebnahme des Fahrzeugs zum Füllen der
Druckluftanlage zugeschaltet wird.