DE10152471A1 - Elektrodynamisches Antriebssystem - Google Patents

Elektrodynamisches Antriebssystem

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Friedrich J Ehrlinger
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Abstract

Ein Verfahren zum Anlassen eines Verbrennungsmotors (4) eines mit einem elektrodynamischen Antriebssystem (2) ausgerüsteten Fahrzeugs, das einen Elektromotor (24) und ein Planetengetriebe (14) zwischen dem Verbrennungsmotor (4) und einem Schaltgetriebe (6) mit Eingangswelle (28) umfasst, sieht vor, dass zunächst der Elektromotor (24) auf eine Drehzahl beschleunigt wird, die grundsätzlich ausreichend ist, den Verbrennungsmotor (4) zu starten und dass danach eine geregelte Schließung einer die Drehung der Eingangswelle (28) des Schaltgetriebes (6) abbremsenden Bremse (32) gegen ein feststehendes Gehäuseteil (34) erfolgt, wodurch ein Moment als Summe aus Elektromotormoment und Rotationsmoment der rotierenden Bauteile auf den Verbrennungsmotor (4) wirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrodynamisches Antriebssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Elektrodynamische Maschinen werden in verschiedenen Systemen als Anordnungen zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe im Fahrzeug vorgeschlagen. So wird beispielgebend in der DE 199 34 696 A1 ein elektrodynamische Antriebssystem für ein Fahrzeug beschrieben, das zwischen einer Antriebsmaschine und einem Schaltgetriebe ein Planetengetriebe aufweist, das die drei Elemente Sonnenrad, Hohlrad und Planetenträger umfasst. Der Planetenträger als erstes Element ist mit dem Schaltgetriebe verbunden, das Hohlrad als zweites Element ist mit der Antriebsmaschine verbunden und das Sonnenrad als drittes Element ist mit wenigstens einem Elektromotor verbunden. Mit dieser Anordnung lässt sich die Antriebsmaschine starten, elektrische Energie erzeugen, elektrisch bremsen und das Fahrzeug auch aus dem Stand anfahren. Besondere Lösungsansätze zum Starten der Antriebsmaschine bei Kaltstartbedingungen sind aus der DE 199 34 696 nicht zu entnehmen.
  • Bei bekannten Kurbelwellen-Starter-Generatoren müssen die Kaltstartmomente des Verbrennungsmotors überwunden werden und zusätzlich muss die Einrichtung noch in der Lage sein, die drehenden Massen auf die erforderliche Startdrehzahl zu beschleunigen. Dies bedeutet, dass der Elektromotor des Kurbelwellen-Starter-Generators höhere Momente erzeugen muss, als nur die Kaltstartmomente des Verbrennungsmotors. Der prinzipielle Nachteil dieser Lösung ist, dass zwei gegensätzliche Forderungen, nämlich der Kaltstart und ein Generatorbetrieb bei höheren Verbrennungsmotordrehzahlen von demselben Elektromotor verlangt werden. Zur Erzielung der hohen mechanischen Momente beim Kaltstart muss bei einer vorgegebenen Leistung des Elektromotors die entsprechende Drehzahl sehr niedrig gewählt werden. Zur Abdeckung des gesamten Drehzahlbandes des Verbrennungsmotors im generatorischen Betrieb des Elektromotors ist deshalb ein großer Feldschwächebereich des Elektromotors erforderlich. Dieser große Feldschwächebereich bedingt einen schlechten Wirkungsgrad im Generatorbetrieb bei größeren Verbrennungsmotordrehzahlen. Die erforderlichen hohen Momente erfordern auch hohe Maschinenströme, die sich in hohen Kosten für die dafür erforderliche Leistungselektronik niederschlagen.
  • Bei bekannten Impulsstartern ist ein Elektromotor auf der Seite des Verbrennungsmotors über eine Schaltkupplung mit der Kurbelwelle verbunden. Auf der Seite des Getriebes sitzt zwischen dem Elektromotor und der Getriebeeingangswelle die konventionelle Anfahrkupplung mit Torsionsdämpfer. Um die oben genannten Nachteile für den Elektromotor und die Leistungselektronik zu vermeiden, werden bei den Impulsstartern zum Starten des Verbrennungsmotors beide Kupplungen geöffnet. Der Elektromotor beschleunigt nur seine eigenen Drehmassen und nach Erreichen der Schwungstartdrehzahl wird die verbrennungsmotorseitige Schaltkupplung geschlossen. Dadurch kann das Schwungmoment und das Elektromotormoment zum Kaltstart des Verbrennungsmotors genutzt werden. Die verbrennungsmotorseitige Schaltkupplung muss gleich oder eventuell sogar stärker als die getriebeseitige Anfahrkupplung dimensioniert werden, da sie im Fahrbetrieb alle statischen und dynamischen Verbrennungsmotormomente übertragen muss, was zu hohem Gewicht und hohen Kosten führt. Eine zusätzliche Speichermasse zur Zwischenspeicherung der Reibarbeit der Trennkupplung beim Schwungstart führt ebenfalls zu hohem Gewicht der Anordnung. Der Elektromotor muss eine eigene Lagerung besitzen, da er unabhängig von Verbrennungsmotor und Getriebe auf Schwungstartdrehzahl gebracht werden muss. Durch die zusätzliche Kupplung und deren Betätigungseinrichtungen wird eine große Baulänge erforderlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Starteinrichtung für Kaltstartbedingungen aufzuzeigen, die die beschriebenen Nachteile vermeidet.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein elektrodynamisches Antriebssystem mit den Merkmalen von Anspruch 2 und ein Verfahren nach Anspruch 1. Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Nach der Erfindung ist in einem elektrodynamisches Antriebssystem eines Fahrzeugs, das einen Elektromotor und ein Planetengetriebe zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Schaltgetriebe mit Eingangswelle umfasst, eine reibschlüssige Bremse vorgesehen zum geregelten Abbremsen der Eingangswelle des Schaltgetriebes gegen ein feststehendes Gehäuseteil. Bei einem dieses Antriebssystem nutzenden Verfahren wird bei neutral geschaltetem Getriebe zunächst der Elektromotor auf eine Drehzahl beschleunigt, die grundsätzlich ausreichend ist, den Verbrennungsmotor zu starten. Durch die Bremse erfolgt eine geregelte Schließung, wodurch die Eingangswelle des Schaltgetriebes gegen das feststehende Gehäuseteil erfolgt. Auf den Verbrennungsmotor wirkt ein Moment als Summe aus Elektromotormoment und Rotationsmoment der Massen rotierenden Bauteile, das den Verbrennungsmotor auch bei tiefen Temperaturen und damit verbundenen erschwerten Anlaufbedingungen sicher und schnell startet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bremse mit dem Planetenträger des Planetengetriebes verbunden, der in einer starren Drehverbindung mit der Eingangswelle des Schaltgetriebes steht. In einer anderen Ausgestaltung ist die Bremse mit einer Vorgelegewelle des Schaltgetriebes verbunden, die in einer starren Drehverbindung mit der Eingangswelle des Schaltgetriebes steht.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung und
  • Fig. 2 einen Verlauf der Anlassdrehzahl der Kurbelwelle.
  • Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein elektrodynamisches Antriebssystem 2, das zwischen einem Verbrennungsmotor 4 und einem Schaltgetriebe 6 angeordnet ist. Von der Kurbelwelle 8 des Verbrennungsmotors 4 wird über eine Dämpfungseinrichtung 10 das Hohlrad 12 eines Planetengetriebes 14 angetrieben. Mit dem Hohlrad 12 kämmen Planetenräder 16, die auf einem Planetenträger 18 drehbar angeordnet sind. Der Planetenträger 18 ist mit einer Reibungskupplung 20 verbunden, über die der Rotor 22 eines Elektromotors 24 drehfest mit dem Planetenträger 18 verbunden werden kann. Mit dem Rotor 22 ist auch das Sonnenrad 26 des Planetengetriebes 14 drehfest verbunden. Der Planetenträger 18 ist drehfest mit der Eingangswelle 28 des Schaltgetriebes 6 verbunden, deren Verzahnung mit einer Verzahnung an der Vorgelegewelle 30 im Schaltgetriebe 6 kämmt. Andere Verzahnungen der Vorgelegewelle kämmen mit Verzahnungen einer Abtriebswelle 36. Die Eingangswelle 28 ist durch eine reibschlüssige Bremse 32 drehfest mit dem Gehäuse 34 des Schaltgetriebes 6 verbindbar.
  • Zu Beginn des Anlassvorganges steht der gesamte Antriebsstrang still und das Schaltgetriebe 6 ist in Neutral geschaltet. Die Bremse 32 und die Kupplung 20 sind geöffnet. Der Elektromotor 24 beschleunigt auf eine Drehzahl, die für den Schwungstart erforderlich ist. Dadurch dreht das Sonnenrad 26, während das Hohlrad 12 durch den noch stehenden Verbrennungsmotor 4 noch festgehalten wird. Gleichzeitig dreht sich der Planetenträger 12 und die damit verbundene Eingangswelle 28 mit einer durch das Planetengetriebe 14 reduzierten Drehzahl. Durch ein geregeltes Schließen der Bremse 32 wird an der mit dem Hohlrad 12 verbundenen Hohlradwelle 38 Drehmoment und Drehzahl aufgebaut, das sich aus dem elektromotorischen Drehmomentanteil und dem Schwungmoment der drehenden Massen zusammensetzt. Nach dem vollständigen Schließen der Bremse 32 steht die Eingangswelle 28. Ab diesem Zeitpunkt wirkt nur noch das um den Faktor der Getriebeübersetzung des Planetengetriebes 14 erhöhte elektromotorische Moment auf die Hohlradwelle 38 und über das Dämpfungselement 10 auf die Kurbelwelle 8.
  • In der Fig. 2 ist der Verlauf der Kurbelwellendrehzahl n_VM über der Zeit t anhand der Kurve 40 dargestellt. Bis zum Kurvenpunkt 42 wird der Elektromotor 24 beschleunigt. Ab dem Kurvenpunkt 42 wird die Bremse 32 geschlossen. Ab dem Kurvenpunkt 44 hat sich ein Moment an der Hohlradwelle 38, resultierend aus elektromotorischem Moment und Schwungmoment, aufgebaut, das ausreichend ist, die Kurbelwelle 8 in Drehung zu versetzen. Die Kurbelwelledrehzahl n_VM nimmt zu, bis am Kurvenpunkt 46 die Bremse 32 vollständig geschlossen ist und die Eingangswelle 28 und der Planetenträger 18 steht. Aufgrund der fehlenden zusätzlichen Schwungenergie fällt die Kurbelwellendrehzahl n_VM nach dem Kurvenpunkt 46 wieder ab. Allerdings reicht jetzt das elektromotorische Moment an der Hohlradwelle 38 und die bereits in den Drehmassen gespeicherte elektrische Energie aus, um den Verbrennungsmotor 4 auf die erforderliche Anlassdrehzahl hochzuschleppen und diese Drehzahl auch über längere Zeit zu halten, bis der Verbrennungsmotor 4 zündfähig ist.
  • Gegenüber bekannten Anlasssystemen kann das Schwungrad des Verbrennungsmotors vereinfacht ausgeführt werden und der Anlasserkranz kann eingespart werden. Eine zusätzliche Anordnung eines konventionellen Schwungradanlassers für den Anlassvorgang bei extremen Kaltstartbedingungen kann entfallen. Bezugszeichen 2 Elektrodynamisches Antriebssystem
    4 Verbrennungsmotor
    6 Schaltgetriebe
    8 Kurbelwelle
    10 Dämpfungseinrichtung
    12 Hohlrad
    14 Planetengetriebe
    16 Planetenrad
    18 Planetenträger
    20 Reibungskupplung
    22 Rotor
    24 Elektromotor
    26 Sonnenrad.
    28 Eingangswelle
    30 Vorgelegewelle
    32 Bremse
    34 Gehäuse
    36 Abtriebswelle
    38 Hohlradwelle
    40 Kurve
    42 Kurvenpunkt
    44 Kurvenpunkt
    46 Kurvenpunkt

Claims (4)

1. Verfahren zum Anlassen eines Verbrennungsmotors (4) eines mit einem elektrodynamischen Antriebssystem (2) ausgerüsteten Fahrzeugs, das einen Elektromotor (24) und ein Planetengetriebe (14) zwischen dem Verbrennungsmotor (4) und einem Schaltgetriebe (6) mit Eingangswelle (28) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Elektromotor (24) auf eine Drehzahl beschleunigt wird, die grundsätzlich ausreichend ist, den Verbrennungsmotor (4) zu starten und dass danach eine geregelte Schließung einer die Drehung der Eingangswelle (28) des Schaltgetriebes (6) abbremsenden Bremse (32) gegen ein feststehendes Gehäuseteil (34) erfolgt, wodurch ein Moment als Summe aus Elektromotormoment und Rotationsmoment der rotierenden Bauteile auf den Verbrennungsmotor (4) wirkt.
2. Elektrodynamisches Antriebssystem (2) eines Fahrzeugs, das einen Elektromotor (24) und ein Planetengetriebe (14) zwischen einem Verbrennungsmotor (4) und einem Schaltgetriebe (6) mit Eingangswelle (28) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremse (32) vorgesehen ist zum geregelten Abbremsen der Eingangswelle (28) des Schaltgetriebes (6) gegen ein feststehendes Gehäuseteil (34).
3. Elektrodynamisches Antriebssystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (32) mit einem in einer starren Drehverbindung mit der Eingangswelle (28) des Schaltgetriebes (6) stehenden Planetenträger (18) des Planetengetriebes (14) verbunden ist.
4. Elektrodynamisches Antriebssystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (32) mit einer in einer starren Drehverbindung mit der Eingangswelle (28) des Schaltgetriebes (6) stehenden Vorgelegewelle (30) des Schaltgetriebes (6) verbunden ist.
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