DE10152748A1 - Brennkraftmaschine mit einer als Kurbelwellen-Starter-Generator fungierenden elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer als Kurbelwellen-Starter-Generator (KSG) fungierenden elektrischen Maschine, die einerseits zum Starten der Brennkraftmaschine herangezogen werden kann und andererseits bei laufender Brennkraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie dient, und wobei ein weiterer elektrisch betriebener Anlassermotor zum Starten der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Dabei kann der weitere Anlassermotor in einen zusätzlichen Zahnkranz am Rotor des KSG, der mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, eingreifen. Zum Starten der Brennkraftmaschine können der KSG und der weitere Anlassermotor mit unterschiedlichen Leistungsanteilen parallel zueinander betrieben werden, wobei der KSG und der weitere elektrische Anlassermotor bevorzugt an verschiedene elektrische Versorgungsnetze angebunden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer als Kurbelwellen- Starter-Generator (KSG) fungierenden elektrischen Maschine, die einerseits zum Starten der Brennkraftmaschine herangezogen werden kann und andererseits bei laufender Brennkraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer als Kurbelwellen-Starter-Generator (KSG) fungierenden elektrischen Maschine, deren Rotor mit der Kurbelwelle und deren Stator direkt oder indirekt bevorzugt mit dem Gehäuse der Brennkraftmaschine verbunden ist, und deren Rotor mit einem zusätzlichen Zahnkranz oder dgl. versehen ist, über den eine weitere Maschine an die elektrische Maschine ankoppelbar ist. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 196 45 943 A1 insbesondere auf die DE 199 31 963 A1 verwiesen.
• Grundsätzlich bestehen verschiedene Möglichkeiten, wie eine Brennkraftmaschine angeworfen bzw. angelassen oder gestartet werden kann. Bekannt sind konventionelle elektrische Starter oder Anlasser, deren Ritzel in eine Verzahnung bevorzugt am Schwungrad der Brennkraftmaschine einrückbar sind. Bekannt sind ferner sogenannte Starter-Generator-Systeme, bei denen eine einzige elektrische Maschine einerseits als Anlasser und andererseits als Generator fungieren kann. Diese Starter-Generator-Systeme ermöglichen einerseits einen schnelleren und leiseren Start der Brennkraftmaschine und andererseits eine relativ hohe Generatorleistung, sowie dies in der eingangs letztgenannten Schrift beschrieben ist. Beschrieben ist darin auch eine spezielle Ausführungsvariante eines Starter-Generator-Systems in Form des sogenannten Kurbelwellen-Starter-Generators, wobei der Rotor dieser elektrischen Maschine direkt mit der Kurbelwelle oder allgemein der Antriebswelle der Brennkraftmaschine verbunden ist bzw. mit dieser eine gemeinsame Rotationsachse aufweist.
• Kurbelwellen-Starter-Generatoren können dabei grundsätzlich in Innenläufer- oder Außenläuferbauweise gefertigt sein. Als Maschinenkonzept kommen prinzipiell alle Arten von elektrischen Drehfeldmaschinen zum Einsatz (beispielsweise Asynchron, Synchron, Switched-Reluctance, Transversalfluß, etc.). Die Forderung nach gutem generatorischen Wirkungsgrad im gesamten Betriebsdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine führt zu einer Auslegung, die einen schlechten elektromotorischen Wirkungsgrad im Startfall nach sich zieht. Als Folge hiervon werden hohe elektrische Ströme und Leistungen zum Starten der Brennkraftmaschine benötigt. Insbesondere zur Sicherung der Kaltstartfähigkeit ist eine entsprechende Überdimensionierung der Leistungselektronik und der elektronischen Speicherbatterien, aus denen die elektrische Leistung abgezogen wird, erforderlich. Wenn nämlich die elektrische Startleistung ausschließlich über den KSG in das erforderliche Startmoment umgesetzt wird, so ist - da dieser direkt auf die Kurbelwelle wirkt - zur Erzeugung des erforderlichen Startmoments ein sehr hoher Startstrom notwendig. Dies gilt insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine, da dann die Reibungsverluste in der Brennkraftmaschine naturgemäß wesentlich höher sind als bei bereits betriebswarmer Brennkraftmaschine.
• Die bei einem Kaltstart aus der elektrischen Batterie bzw. allgemein einem Energiespeicher entnommene Leistung beträgt je nach Bauart der elektrischen Maschine sowie je nach Größe der Brennkraftmaschine sowie der aktuellen Temperaturverhältnisse bis zu 20 kW und mehr. Die Gewährleistungen eines sicheren Kaltstarts ist daher ein entscheidendes Auslegungskriterium für KSG-Systeme. Dies hat hohe Kosten für die Leistungselektronik, den elektrischen Energiespeicher sowie für das gesamte elektrische Versorgungsnetz zur Folge, insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug fungiert. Auslegungskompromisse können Wirkungsgradnachteile im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine und damit einen erhöhten Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine im Normalbetrieb zur Folge haben.
• Auch diese Problematik ist in der bereits eingangs genannten DE 199 31 963 A1 angesprochen, nämlich dass die direkte Verbindung der elektrischen KSG-Maschine mit der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle in der Regel eine Überdimensionierung der benötigten Elektronik und eine Dimensionierung der elektronischen Maschine auf den Starterbetrieb zur Folge hat. Zur Behebung dieses Nachteils wird in der genannten Schrift vorgeschlagen, die elektrische Starter-Generator-Maschine über mechanische Zwischenelemente mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu verbinden, wodurch eine deutlich geringere Startleistung des Systems ermöglicht wird. Als mechanische Zwischenelemente kommen insbesondere ein Zusatzgetriebe, (bevorzugt der Planetenbauart) oder eine Kupplung in Frage, was jedoch beides den Bauaufwand erheblich vergrößert bzw. zusätzlichen Bauraum benötigt. Dies ist insbesondere problematisch, wenn die mit einem derartigen Starter-Generator versehene Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist.
• Gleiches gilt für das aus der eingangs erstgenannten DE 196 45 943 A1 bekannte Konzept einer Startereinheit für eine Brennkraftmaschine. In dieser Schrift ist im übrigen die bekannte Technologie bezüglich Startern oder Anlassern von Brennkraftmaschinen überblicksmäßig beschrieben. Neben den konventionellen elektrischen Startern oder Anlassern ist darin auch der - bereits beschriebene - elektrische Startergenerator mit Direktstart beschrieben, wobei ebenfalls auf die Dimensionierungsproblematik insbesondere für den Kaltstart der Brennkraftmaschine eingegangen wird. Ausdrücklich erwähnt ist beispielsweise, dass der Elektromotor des Startergenerators um mehr als den Faktor 3 gegenüber dem Bedarf für die Generatorleistung vergrößert werden muss, um einen sicheren Start einer kalten Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Zum Starten einer betriebswarmen Brennkraftmaschine wäre dann ein solcher Startergenerator eindeutig überdimensioniert. Daher wird in dieser DE 196 45 943 A1 eine Startereinheit vorgeschlagen, die zwei verschiedene Startmethoden erlaubt. Die eine Startmethode für die Brennkraftmaschine ist ein sogenannter Impulsstart und die andere ein Direktstart, der von einem KSG durchgeführt werden kann. Dabei wird der Impulsstart vorzugsweise bei kalter Brennkraftmaschine mit der Energie einer Schwungmasse durchgeführt, während der Direktstart bei zumindest im wesentlichen betriebswarmer Brennkraftmaschine zum Zuge kommt. Gemäß dem in dieser Schrift beschriebenen Stand der Technik wird die jeweils günstigste Startmethode abhängig von der Temperatur der Brennkraftmaschine selbsttätig ausgewählt. Dieses Konzept kann grundsätzlich überzeugen, hat jedoch abermals den Nachteil des relativ hohen Bauaufwandes, insbesondere im Hinblick auf den ausreichend zu dimensionierenden Schwungmassenspeicher.
• Hiermit soll nun aufgezeigt werden, wie an einer Brennkraftmaschine mit einer als Kurbelwellen-Starter-Generator fungierenden elektrischen Maschine nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 2 eine günstige Dimensionierung für den Generator-Betriebsfall bei laufender Brennkraftmaschine erreicht werden und gleichzeitig eine ausreichend sichere Kaltstartfähigkeit erzielt werden kann.
• Die Aufabe dieser Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder ein weiterer elektrisch betriebener Anlassermotor zum Starten der Brennkraftmaschine vorgesehen ist (Anspruch 1), oder dass eine weitere elektrische Maschine, die bekanntermaßen an den Rotor des KSG über einen zusätzlichen Zahnkranz oder dergleichen ankuppelbar ist, ein insbesondere elektrisch betriebener Anlassermotor ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhaft der Unteransprüche.
• Die vorliegende Erfindung schlägt somit vor, neben dem Kurbelwellen- Starter-Generator (abgekürzt KSG) eine weitere Starter-Vorrichtung zum Anlassen bzw. Anwerfen der Brennkraftmaschine vorzusehen. Da ein zusätzlicher Impuls-Starter, wie er aus der eingangs erst genannten DE 196 45 943 A1 bekannt ist, zu aufwendig ist, wird ein demgegenüber wesentlich einfacher und kompakter baueinder elektrisch betriebener Anlassermotor vorgeschlagen. Bevorzugt können dabei zum Starten der Brennkraftmaschine der KSG und dieser weitere elektrische Anlassermotor mit variablen bzw. unterschiedlichen Leistungsanteilen parallel zueinander betreibbar sein, d. h. der KSG wird zum Starten der Brennkraftmaschine und insbesondere im Kaltstart durch den weiteren elektrischen Anlassermotor unterstützt, wobei dieser durchaus auch die beiden Extremwerte der Startleistung, nämlich sowohl 0% als auch 100% der erforderlichen Startleistung übernehmen kann.
• Dieser zusätzliche elektrisch betriebene Anlassermotor kann dabei wie herkömmlich ausgelegt sein und insbesondere wie herkömmlich unter Zwischenschaltung einer entsprechend großen Untersetzung letztlich auf die Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle einwirken, so dass wie bisher üblich die gegenüber der KSG-Leistungsaufnahme deutlich geringere Leistungsaufnahme (beispielsweise in der Größenordnung von 2,5 KW) anfällt. Weiter entlastet werden kann die elektrische Anlage, die die Energie für den bzw. die nunmehr beiden Anlassermotoren zur Verfügung stellt, wenn der KSG und der erfindungsgemäße weitere elektrische Anlassermotor an verschiedene elektrische Versorgungsnetze angebunden sind. Unterschiedliche elektrische Versorgungsnetze angedacht bzw. realisiert sind bereits bei Kraftfahrzeugen, deren Brennkraftmaschinen-Antriebsaggregat mit einem KSG versehen ist, da der Kurbelwellen-Starter-Generator günstig an ein Versorgungsnetz, dessen Netzspannung 42 Volt beträgt, angebunden ist, während gleichzeitig ein bisher übliches 12 Volt-Versorgungsnetz vorhanden ist. Dann ist es möglich, an einem derartigen sogenannten Zweispannungs- Bordnetz den erfindungsgemäßen weiteren bzw. zusätzlichen elektrisch betriebenen Anlassermotor über die 12 Volt-Ebene zu versorgen, wodurch die (andere) 42-Volt-Ebene entlastet wird. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass eine leistungsmäßige Koppelung dieser beiden Spannungsebenen ebenfalls möglich ist.
• Was die Übertragung des Antriebsdrehmomentes vom zusätzlichen, insbesondere elektrisch betriebenen Anlassermotor letztlich auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine betrifft, so ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Anlassermotor mit dem Rotor des Kurbelwellen-Starter- Generators zusammenwirkt bzw. zusammenwirken kann, da hierdurch eine Funktionsvereinigung an diesem Rotor vorliegt. Bevorzugt ist der Rotor mit einem entsprechenden Zahnkranz oder dergleichen versehen, in den das Ritzel des insbesondere elektrisch betriebenen Anlassermotors, der ansonsten wie im bekannten Stand der Technik üblich ausgebildet sein kann, eingreifen kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass in der eingangs zweitgenannten DE 199 31 963 A1 bereits vorgeschlagen ist, den Rotor eines KSG außenseitig mit einer zusätzlichen Verzahnung zu versehen und über diese Verzahnung eine weitere Maschine anzutreiben, so beispielsweise einen Klimakompressor. Kein Hinweis ist jedoch in dieser Schrift enthalten, in eine entsprechende Verzahnung einen zusätzlichen Anlassermotor eingreifen zu lassen.
• Ebenfalls darauf hingewiesen sei in diesem Zusammenhang, dass die zusätzliche Verzahnung am Rotor des KSG unterschiedlich ausgebildet oder angeordnet sein kann, wobei es sich beim Kurbelwellen-Starter-Generator sowohl um einen der Innenläufer-Bauart als auch um einen der Außenläufer- Bauart handeln kann. Dabei kann die Verzahnung entweder als Innenverzahnung oder als Außenverzahnung ausgeführt sein, wie auch aus den beigefügten Prinzipsskizzen zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele hervorgeht.
• In den Fig. 1, 2 ist jeweils ein Kurbelwellen-Starter-Generator (KSG) stark vereinfacht in einem Längsschnitt dargestellt, wobei in beiden Figuren gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. So trägt der Rotor des Kurbelwellen-Starter-Generators die Bezugsziffer 1, während die am Starter angeordneten elektrischen Wicklungen mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet sind. Die Rotationsachse 3 des KSG fällt mit derjenigen der nicht dargestellten Kurbelwelle der ebenfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine zusammen. Entweder rechtsseitig oder linksseitig an den Rotor 1 schließt sich dabei die Brennkraftmaschine und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite das nachgeschaltete Getriebe an, wobei darauf hingewiesen sei, dass ein erfindungsgemäßer KSG - ebenso wie in der bereits mehrfach genannten DE 199 31 936 A1 gezeigt - auf der dem Getriebe gegenüberliegenden Seite der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann.
• In Fig. 1 ist ein KSG in Innenläuferbauweise dargestellt und in Fig. 2 ein solcher in Außenläuferbauweise. Unabhängig davon welche Bauart gerade gewählt wird, kann am Rotor 1 an einer geeigneten Fläche einen Verzahnung, d. h. ein Zahnkranz 4a oder 4b oder 4c oder 4d vorgesehen sein, über den dieser Rotor 1 mit einem Ritzel eines nicht dargestellten insbesondere elektrisch betriebenen Anlassermotors kämmen kann. Selbstverständlich ist nur ein einziger derartiger Zahnkranz 4a oder 4b oder 4c oder 4d erforderlich; figürlich dargestellt sind lediglich unterschiedliche Anbauorte, wonach es sich wie ersichtlich entweder um eine Innenverzahnung oder um einen Außenverzahnung handeln kann. Lediglich der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, dass die Ein- und Ausrückrichtung des Ritzels des zusätzlichen Anlassermotors in den jeweiligen Zahnkranz 4a bzw. 4b etc. selbstverständlich ebenfalls beliebig ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht ist die Anordnung der Verzahnung 4a etc. bei einem KSG in Außenläuferbauweise zumindest am Außenumfang beliebig möglich.
• Indem erfindungsgemäß ein zusätzlicher (figürlich nicht dargestellter) Anlassermotor - insbesondere elektrisch arbeitend - vorgesehen ist, ist es nicht mehr erforderlich, den (ansonsten herkömmlichen) KSG auf den Kaltstart der Brennkraftmaschine hin auszulegen. Dies bietet neue konstruktive Freiheitsgrade hinsichtlich des generatorischen Wirkungsgrades des KSG und führt somit letztendlich zu einer Kraftstoffersparnis im Betrieb der Brennkraftmaschine, wobei zusätzlich eine Warmstartoptimierung möglich ist. Auch der Bauaufwand des KSG kann sich durch die erfindungsgemäße Gestaltung verringern. Gleichzeitig sind durch dieses dann redundante Startsystem weitreichende Notlaufeigenschaften gesichert. Die Kosten und der Bauraum für das System können insgesamt reduziert werden. Ebenfalls ist mit diesem System eine Rückfalllösung für den Serieneinsatz gegeben, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (4)

1. Brennkraftmaschine mit einer als Kurbelwellen-Starter-Generator (KSG) fungierenden elektrischen Maschine, die einerseits zum Starten der Brennkraftmaschine herangezogen werden kann und andererseits bei laufender Brennkraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer elektrisch betriebener Anlassermotor zum Starten der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.

2. Brennkraftmaschine mit einer als Kurbelwellen-Starter-Generator (KSG) fungierenden elektrischen Maschine, deren Rotor mit der Kurbelwelle und deren Stator direkt oder indirekt bevorzugt mit dem Gehäuse der Brennkraftmaschine verbunden ist, und deren Rotor mit einem zusätzlichen Zahnkranz oder dgl. versehen ist, über den eine weitere Maschine an die elektrische Maschine ankoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Maschine ein insbesondere elektrisch betriebener Anlassermotor ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Brennkraftmaschine der KSG und der weitere Anlassermotor mit unterschiedlichen Leistungsanteilen parallel zueinander betreibbar sind.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der KSG und der weitere elektrische Anlassermotor an verschiedene elektrische Versorgungsnetze angebunden sind.