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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für Nebenaggregate
einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Verdichter, Klimakompressoren, Luftpresser
für Druckluftbremsanlagen oder Niveauregulierungsanlagen,
Kühlwasserpumpen, Motorlüftungsventilatoren, Ölpumpen
für die Motorschmierung und/oder Servolenkungen, mit einem Überlagerungsgetriebe,
dessen Eingang mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine wirkverbundenen
ist, dessen einer Ausgang mit einem Antriebsteil eines Nebenaggregats
gekoppelt ist, und dessen zweiter Ausgang mit einer drehzahlregelbaren,
elektrischen Maschine wirkverbunden ist.
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Ein
derartiger Antrieb ist bereits aus der
DE 10 2004 018 420 A1 bekannt.
Dieser Antrieb dient dazu, einen mechanischen Lader drehzahlgeregelt anzutreiben
und beruht auf der Erkenntnis, dass ein Abgasturbolader in Verbindung
mit einem kleinvolumigen Otto- oder Dieselmotor problematisch betreibbar
ist, da ein zu geringes Energieangebot aufgrund zu kleiner Abgasmasseströme
eine wirkungsvolle Aufladung des Motors bei niedrigen Motordrehzahlen verhindert.
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Fahrzeuge
mit einem Motorkonzept dieser Art haben eine deutliche Anfahrschwäche.
Daher wird gemäß diesem Stand der Technik vorgeschlagen,
einen mechanischen Lader mittels des Überlagerungsgetriebes
und der drehzahlregelbaren elektrischen Maschine drehzahlgeregelt
anzutreiben, wobei die Antriebsdrehzahl des mechanischen Laders unabhängig
von der Drehzahl des Verbrennungsmotors eingestellt werden kann.
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Die
Einstellung der Drehzahlen des mechanischen Laders und der elektrischen
Maschine kann dabei so vorgenommen werden, dass im Leerlauf bzw.
bei sehr niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine durch die elektrische
Maschine ein unterstützendes Drehmoment erzeugt wird, so
dass sich die Drehzahlen der Brennkraftmaschine und der elektrischen
Maschine entsprechend einer vorgegebenen mechanischen Übersetzung
addieren. Mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine kann die
Unterstützung durch die elektrische Maschine herabgesetzt
werden, bis die elektrische Maschine ab einer bestimmten Drehzahl
ganz abgeschaltet sein kann. Bei noch weiter steigender Drehzahl
der Brennkraftmaschine lässt sich die elektrische Maschine
in einen Generatorbetrieb umschalten, um so einen Teil der von der
Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellten Leistung aufzunehmen
und die Drehzahl des mechanischen Laders zu begrenzen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den
Antrieb für Nebenaggregate einer Brennkraftmaschine der
eingangs erwähnten Art einfacher und wirkungsvoller zu
gestalten, sowie den Regelaufwand zu verringern.
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Ausgehend
von einem Antrieb für Nebenaggregate einer Brennkraftmaschine,
wie beispielsweise Verdichter, Klimakompressoren, Luftpresser für Druckluftbremsanlagen
oder Niveauregulierungsanlagen, Kühlwasserpumpen, Motorlüftungsventilatoren, Ölpumpen
für die Motorschmierung und/oder Servolenkungen, mit einem Überlagerungsgetriebe, dessen
Eingang mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden
ist, dessen einer Ausgang mit einem Antriebsteil eines Nebenaggregats gekoppelt
ist, und dessen zweiter Ausgang mit einer drehzahlregelbaren, elektrischen
Maschine wirkverbunden ist, wird vorgeschlagen, dass zwischen dem ersten
und dem zweiten Ausgang des Überlagerungsgetriebes eine Überbrückungskupplung und/oder
zwischen dem zweiten Ausgang und einem drehfesten Strukturelement
eine Bremse angeordnet ist.
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Durch
die Anordnung einer Überbrückungskupplung und/oder
einer Bremse lässt sich der Regelaufwand für diejenigen
Betriebsbereiche verringern, die einen Gleichlauf des ersten und
zweiten Ausgangs des Überlagerungsgetriebes und/oder einen Stillstand
des zweiten Ausgangs erfordern, da in diesen Fällen eine
Drehzahlregelung der elektrischen Maschine entfallen kann und eine Überlastung
der elektrischen Maschine bei Stillstand des zweiten Ausgangs vermieden
wird. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Nebenaggregate
auf die Leerlaufdrehzahl oder niedrige Drehzahlen der Brennkraftmaschine
ausgelegt sind und daher bei höheren Motordrehzahlen energetisch
nicht optimal laufen.
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Auch
mittels der Überbrückungskupplung ist es möglich,
sowohl ein Nebenaggregat als auch die elektrische Maschine mit einer
optimalen Drehzahl bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine oder einer
nur wenig höheren Drehzahl anzutreiben, wobei die elektrische
Maschine in diesem Fall als Generator geschaltet ist. Außerdem
ist es möglich, das Nebenaggregat, wenn kein Bedarf an
elektrischer Energie besteht, durch die Brennkraftmaschine bei festgebremstem
zweitem Ausgang mit optimaler Drehzahl anzutreiben. Bei höheren
Drehzahlen der Brennkraftmaschine werden die Überbrückungskupplung
und/oder die Bremse gelöst und die elektrische Maschine übernimmt
die Drehzahlregelung des Nebenaggregats durch Regelung des Antriebs
durch die elektrische Maschine in beiden Drehrichtungen oder durch
Entnahme elektrischer Energie aus dem Antrieb, ebenfalls mit Drehzahlregelung
im Generatorbetrieb.
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Besonders
wirkungsgradsteigernd wirkt der erfindungsgemäße
Antrieb, wenn das Nebenaggregat aus einem Abgasturbolader besteht,
weil in diesem Fall bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
Leistung an den Abgasturbolader abgegeben wird und sich die Drehzahl
des Abgasturboladers mittels der elektrischen Maschine regeln lässt,
so dass schon bei Leerlaufdrehzahl oder wenig darüber der volle
Ladedruck zur Verfügung steht.
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Durch
die Bremse lässt sich die Anfahrschwäche eines
mit einem Abgasturbolader zusammenwirkenden, kleinvolumigen Otto-
oder Dieselmotors am Übergang vom Schiebebetrieb auf Beschleunigung
eines Fahrzeugs noch weiter verbessern, wenn beim Gasgeben die Bremse
für den zweiten Ausgang des Überlagerungsgetriebes
betätigt wird, der Verdichter dadurch sehr schnell beschleunigt wird
und sofort den erforderlichen Ladedruck liefert.
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Wenn
in der Verbindung zwischen dem Verdichter und der Turbine des Abgasturboladers
eine Überholkupplung angeordnet wird, ergibt sich der Vorteil,
dass sich der Verdichter bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine
oder wenig darüber mit hoher Drehzahl antreiben lässt,
um einen hohen Ladedruck zu erzeugen, ohne die Turbine wirkungsgradmindernd
mitschleppen zu müssen. Bei höheren Drehzahlen
und Volllast der Brennkraftmaschine liefert die Turbine des Abgasturboladers
genügend Leistung, um den Verdichter über die Überholkupplung
anzutreiben und zusätzliche Energie über das Überlagerungsgetriebe
der Brennkraftmaschine und/oder der als Generator wirkenden elektrischen Maschine
zuzuführen. In diesem Fall ist es nicht notwendig, durch
den Abgasturbolader geförderten, überschüssigen
Ladedruck über ein gesteuertes Ladeluftventil abzuleiten,
da sich die Drehzahl des Abgasturboladers und dementsprechend der
Ladedruck den Anforderungen entsprechend über die Leistungsabgabe
an die Brennkraftmaschine und/oder die als Motor oder als Generator
betreibbare elektrische Maschine regeln lassen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung, die
den erfindungsgemäßen Antrieb in Verbindung mit
einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine zeigt,
weiter erläutert.
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Eine
Brennkraftmaschine 1 treibt mit seiner Abtriebswelle 15 über
eine Kupplung 5 ein Getriebe 4 und einen Eingang 11 eines
an sich bekannten Überlagerungsgetriebes 2 an.
Der erste Ausgang 12 des Überlagerungsgetriebes 2 steht
mit einem Verdichter 3 und über eine Überholkupplung 9 mit
einer Turbine 10 eines Abgasturboladers in Wirkverbindung.
Ein zweiter Ausgang 13 des Überlagerungsgetriebes 2 steht
mit einer elektrischen Maschine 8 in Wirkverbindung, wobei
letztere alternativ als Motor oder als Generator betreibbar ist.
Zwischen dem ersten Ausgang 12 und dem zweiten Ausgang 13 des Überlagerungsgetriebes 2 ist
eine Überbrückungskupplung 7 angeordnet.
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Eine
Bremse 6 ist am zweiten Ausgang 13 des Überlagerungsgetriebes 2 angeordnet,
so dass sich dieser zweite Ausgang 13 und die damit in
Wirkverbindung stehende elektrische Maschine 8 gegenüber
einem drehfesten Strukturelement 14 bis zum Stillstand
abbremsen lassen.
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Steht
die Abtriebswelle 15 der Brennkraftmaschine 1 still,
lässt sich der Verdichter 3 über die
als Motor wirkende elektrische Maschine 8 und das Überlagerungsgetriebe 2 antreiben,
so dass ein Ladedruck aufgebaut wird, der für das Anlassen
einer beispielsweise als Zweitaktmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 benötigt
wird. Bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine 1 und
wenig darüber lässt sich ein gewünschter
Ladedruck durch die Antriebsdrehzahl des Verdichters 3 dann
einstellen, wenn einerseits die Abtriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine 1 und
andererseits eine Antriebsdrehzahl der als Motor wirkenden elektrischen
Maschine 8 im Überlagerungsgetriebe 2 addiert
werden.
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Ab
einer sich aus den Abmessungen des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine 1 ergebenden
Drehzahl und Belastung beginnt die Turbine 10 des Abgasturboladers
Leistung über die Überholkupplung 9 an
den Verdichter 3 abzugeben, so dass durch die Brennkraftmaschine 1 und
die als Motor wirkende elektrische Maschine 8 keine Leistung mehr
zum Antrieb des Verdichters 3 aufgebracht werden muss.
Es steht vielmehr ein Leistungsüberschuss des Abgasturboladers 3, 10 zur
Verfügung, der über das Überlagerungsgetriebe 2 zur
nunmehr als Generator wirkenden elektrischen Maschine 8 und/oder
zur Abtriebswelle 15 der Brennkraftmaschine 1 gelangt.
Der durch den Abgasturbolader 3, 10 erzeugte Ladedruck
lässt sich entsprechend dem Bedarf der Brennkraftmaschine 1 über
die Leistungsaufnahme der als Generator wirkenden elektrischen Maschine 8 und
die Leistungsabgabe an die Brennkraftmaschine 1 regeln.
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Wenn
von einem Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine 1 schnell
auf starke Beschleunigung übergegangen werden soll, lässt
sich der Verdichter 3 des Abgasturboladers 3, 10 dadurch
sehr schnell auf eine einen ausreichenden Ladedruck bewirkende hohe
Drehzahl bringen, indem der zweite Ausgang 13 mittels der
Bremse 6 gegenüber dem drehfesten Strukturelement 14 abgebremst
wird. Zwar ist ein solches Abbremsen auch mit Hilfe der elektrischen
Maschine 8 möglich, doch müsste diese
elektrische Maschine 8 dann für eine vergleichsweise
hohe Leistung ausgelegt sein, um genauso wirkungsvoll wie die Bremse 6 eine
Drehzahlverminderung bis zum Stillstand zu bewirken.
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In
bestimmten Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine 1 ist
eine Drehzahlregelung des Verdichters 3 oder eines anderen
Nebenaggregats wie Klimakompressor, Luftpresser für eine
Druckluftbremsanlage, Kühlwasserpumpe, Motorlüftungsventilator
oder Ölpumpe nicht erforderlich, so dass in diesem Fall
die Überbrückungskupplung 7 geschlossen werden
kann und dadurch eine starre Verbindung zwischen dem Eingang 11 und
den beiden Ausgängen 12 sowie 13 des Überlagerungsgetriebes 2 hergestellt
wird. In diesem Fall stehen die Drehzahlen des Nebenaggregats 3, 10 und
der dann als Generator wirkenden elektrischen Maschine 8 in
einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Brennkraftmaschine 1.
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Vorteilhaft
ist des Weiteren, dass sich Nebenaggregate wie Klimakompressoren,
Luftpresser für Druckluftbremsanlagen oder Niveauregelungsanlagen,
Kühlwasserpumpen, Motorlüftungsventilatoren oder Ölpumpen
für die Motorschmierung und/oder Servolenkungen bei Stillstand
der Brennkraftmaschine 1 mittels der elektrischen Maschine 8 antreiben lassen,
so dass alle Funktionen dieser Nebenaggregate auch bei Stillstand
der Brennkraftmaschine 1 gegeben sind.
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Zum
Beispiel lässt sich die Klimaanlage auf diese Weise einschalten,
wenn ein parkendes Kraftfahrzeug durch Sonneneinstrahlung stark
aufgeheizt wird. Ebenso lässt sich ein Luftpresser für
eine Druckluftbremsanlage oder eine Niveauregelungsanlagen in Gang
setzen, wenn sich aufgrund von Undichtigkeiten ein Druckabfall im
Druckluftspeicher ergibt. Kühlwasserpumpen können nach
dem Abschalten der Brennkraftmaschine 1 weiterlaufen, um örtliche Überhitzungen
in der Brennkraftmaschine 1 zu vermeiden, insbesondere,
wenn gleichzeitig der Motorlüftungsventilator ebenfalls
weiterläuft. Zudem lässt sich die Ölpumpe
für die Motorschmierung vor dem Start der Brennkraftmaschine 1 in
Gang setzen, so dass beim Start der Brennkraftmaschine 1 der
volle Öldruck zur Verfügung steht, was die Motorlebensdauer
erhöht.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Überlagerungsgetriebe
- 3
- Verdichter
- 4
- Getriebe
- 5
- Kupplung
- 6
- Bremse
- 7
- Überbrückungskupplung
- 8
- Elektrische
Maschine
- 9
- Überholkupplung
- 10
- Turbine
- 11
- Eingang
- 12
- Erster
Ausgang
- 13
- Zweiter
Ausgang
- 14
- Drehfestes
Strukturelement
- 15
- Abtriebswelle
der Brennkraftmaschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004018420
A1 [0002]