DE102009033633A1

DE102009033633A1 - Generator-Antriebssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009033633A1
Application number: DE200910033633
Authority: DE
Inventors: Hermann Stief
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-01-20
Also published as: WO2011006724A1; DE202009010345U1; CN102574457A; CN102574457B; US9018867B2; EP2454113A1; US20120068651A1

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Generator-Antriebssystem zum Antrieb des Generators einer Brennkraftmaschine sowie ggf. weiterer Nebenaggregate jener Brennkraftmaschine. Weiterhin richtet sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Abstimmung des Betriebs des Generators einer Brennkraftmaschine. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche es möglich wird, die innerhalb eines für den Antrieb eines Generators vorgesehenen Antriebssystems ("FEAD") auftretenden Belastungen, insbesondere im Rahmen von Motorstartvorgängen, zu verringern. Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Generator-Antriebssystem für den Generator einer Brennkraftmaschine, mit einem Zugmitteltrieb, der ein Zugmittel umfasst, das über eine Generator-Laufscheibe geführt ist, die dem Antrieb des Generators dient, wobei sich dieses Antriebssystem dadurch auszeichnet, dass der Generator derart ausgebildet und elektrisch beschaltet ist, dass der Generator temporär als Motor betreibbar ist, und dass der Generator mit der Generator-Riemenscheibe oder die Kurbelwellenriemenscheibe mit der Kurbelwelle über eine Freilaufkupplung gekoppelt ist, die es gestattet, dass der Generator im Rahmen seines Betriebs als Motor die Generator-Laufscheibe oder unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses die Kurbelwelle überholt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf ein Generator-Antriebssystem zum Antrieb des Generators einer Brennkraftmaschine sowie ggf. weiterer Nebenaggregate jener Brennkraftmaschine. Weiterhin richtet sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Abstimmung des Betriebs des Generators einer Brennkraftmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Generator-Antriebssysteme der vorgenannten Art umfassen typischerweise einen Zugmitteltrieb. Als Zugmittel werden mittlerweile überwiegend Flach- bzw. Vielkeilrippenriemen beispielsweise sog. Poly-V-Riemen verwendet. Diese Riemen werden über Spannrollenanordnungen vorgespannt. insbesondere beim Starten einer Brennkraftmaschine können während der ersten Kurbelwellendrehungen innerhalb des Zugmitteltriebs Belastungen auftreten die weit über den im übrigen Regelbetrieb auftretenden Belastungen liegen. Insbesondere bei Fahrzeugen die mit automatischen Motorstart- und Motorabschalteinrichtungen ausgestattet sind wirken sich die Motorstartvorgänge deutlich auf die Lebensdauer der Komponenten des Zugmitteltriebs und der angetriebenen Aggregate aus.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird die innerhalb eines für den Antrieb eines Generators vorgesehenen Antriebssystems („FEAD”) auftretenden Belastungen, insbesondere im Rahmen von Motorstartvorgängen zu verringern.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Generator-Antriebssystem für den Generator einer Brennkraftmaschine, mit einem Zugmitteltrieb der ein Zugmittel umfasst das über eine Generator-Laufscheibe geführt ist die dem Antrieb des Generators dient, wobei sich dieses Antriebssystem dadurch auszeichnet, dass der Generator derart ausgebildet und elektrisch beschaltet ist, dass der Generator temporär als Motor betreibbar ist, und dass der Generator mit der Generator-Riemenscheibe oder die Kurbelwellenriemenscheibe der Brennkraftmaschine über eine Freilaufkupplung gekoppelt ist die es gestattet, dass der Generator im Rahmen seines Betriebs als Motor die Generator-Laufscheibe oder unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses die Kurbelwelle überholt.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den Generator bei ausgewählten Betriebszuständen, insbesondere während einer Motorstartphase, sowie in Phasen mit hohem Winkelgeschwindigkeitsanstieg der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, den Leistungsfluss über den Zugmitteltrieb sowie die durch die Eigenträgheit des Generators bislang bedingte Zugmitteltriebbelastung zu reduzieren.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Freilauf als Klemmkörperfreilauf ausgeführt. Dieser Freilauf erlaubt ohne weitere äußere Einflussnahme einen Überholbetrieb des temporär als Motor betriebenen Generators. Weiterhin ist es auch möglich, den Freilauf als Klemmfederfreilauf, oder ggf. auch als aktiv schaltbaren Freilauf auszuführen.
Die Umschaltung des Generators in einen Schubbetriebsmodus erfolgt erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des entsprechenden Kraftfahrzeuges. Insbesondere erfolgt die Umschaltung des Generators in einen Motorbetriebsmodus im Rahmen einer Motorstartphase, so dass der Motoranlasser die rotatorisch gelagerten und trägheitsbehafteten Komponenten des Generators nicht beschleunigen muss.
Auf Grundlage des erfindungsgemäßen Konzeptes wird auf vorteilhafte Weise eine deutliche Reduzierung des effektiven Gesamt-Motor Massenträgheitsmoments bei Motorstartphasen erreicht. Zudem kann durch dieses Konzept auch in anderweitigen Betriebsphasen, insbesondere in Phasen ausgeprägter Drehzahlerhöhungen eine deutliche Reduzierung der wirksamen FEAD-Trägheiten erreicht werden. Soweit die Brennkraftmaschine Drehzahlen im Bereich von Resonanzfrequenzen des Zugmitteltriebs erreicht kann auch in diesen Bereichen durch temporären Schubbetrieb die in dem Zugmitteltrieb auftretende Belastung reduziert werden.
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, die im Zugmitteltrieb eingestellte Riemenvorspannung zu verringern und hierdurch die Belastungen der Komponenten im Zugmitteltrieb zu reduzieren. Hierdurch werden auch mit kostengünstigen Bauteilen hohe Laufzeiten zuverlässig erreicht. Insbesondere kann auf aufwendige und teuere Bauteile (z. B. hochbelastbare Spanner, Spezialriemen und dgl.) im FEAD verzichtet werden.
Der Generator ist vorzugsweise so ausgelegt, dass dieser seine Läuferstruktur sowie die mit dieser umlaufenden Komponenten mit hinreichender Dynamik (vorzugsweise zumindest geringfügig rascher als die schnellsten Beschleunigungen des Motors unter Normalbetriebsbedingungen) beschleunigen kann.
Durch eine erfindungsgemäße Steuerung oder Regelung die vorzugsweise mit der Motorsteuerelektonik (ECU) verbunden ist, dann kann dann folgendes erreicht werden:

1. Der Generator (=E-Maschine) beschleunigt sich selbst während des Motorstarts (dadurch kein Leistungsabgriff von der Kurbelwelle) – diese muss dann „nur noch die Generator Laufscheibe und anteilig den Freilauf beschleunigen”. Die Erfindung erfasst auch Konzepte bei welchen in der Kurbelwellenriemenscheibe ein Freilaufsystem angeordnet ist. Bei entsprechend leistungsstarker Auslegung des Generators wird es möglich durch diesen den gesamten Riementrieb auf Drehzahlen zu bringen die einem Leistungsabgriff von der Kurbelwelle vorbeugen.
2. Bei schnellem Drehzahlwechsel auch zu hohen Drehzahlen kann der Generator sich selbst beschleunigen so, dass die Drehzahl der Generatorwelle in diesen kurzen Zeitbereichen immer leicht über der Drehzahl der Generatorriemenscheibe liegt.
3. Bei Start-Vorgängen beschleunigt der Generator sich selbst (Freilauf auf dem Generator) bzw. den Riementrieb (Freilauf auf der Kurbelwelle). Beim Start durchläuft der Riementrieb mit Spannsystemen und ggf. vorhandenen Entkopplungselementen Resonanzbereiche, die zu hohen Belastungsspitzen führen können. Diese Resonanzbereiche können durch das erfindungsgemäße Konzept ohne Leistungsabgriff von der Kurbelwelle überfahren werden ohne dass hierbei eine ausgeprägte Koppelung mit dem Kurbelwellensystem vorliegt. Hierdurch wird die Startzeit verkürzt. Insbesondere wenn eine Start-Stoppautomatik verwendet erweist sich das erfindungsgemäße Konzept als besonders wertvoll.
4. Bei kritischen Betriebszuständen (z. B. hohe Ungleichförmigkeit durch Motorvolllast bei extrem niedriger Drehzahl) kann die Drehzahl des Generator aktiv zumindest geringfügig über die Laufscheibendrehzahl angehoben werden.
5. Wenn ein entsprechender Freilauf auf der Kurbelwelle angeordnet wird, wird der Generator so ausgelegt, dass dieser im Schubbetrieb ein Antriebsdrehmoment liefert dass so hoch ist, dass damit auch die anderen Aggregate des FEAD mitbeschleunigt werden können und somit die auf der Kurbelwelle sitzende Laufscheibe in o. g. kritischen Betriebszuständen immer leicht über der Kurbelwellendrehzahl dreht. Hierdurch wird es möglich den FEAD deutlich gleichmäßiger zu beschleunigen. Durch dieses Konzept werden die überlagerten Beschleunigungen – durch die Verbrennungsvorgänge verursacht – eleminiert insbesondere dann, wenn die durch den Schubbetrieb des Generators eingestellte Winkelgeschwindigkeit über den durch Ungleichförmigkeiten erhöhten Spitzenwinkelgeschwindigkeiten liegt. (z. B. KW-Drehzahl 1500 +/– 400 Umdrehungen pro Minute (rpm) dann Drehzahl Riementrieb 1900 + x (ca. 2000 rpm))
6. Ist der kritische Betriebszustand beendet, dann kann die Generatordrehzahl (bzw. die der E-Maschine) auf die Kurbelwellendrehzahl*Übersetzung abgesenkt werden und der Generator wird über den Zugmitteltrieb angetrieben und arbeitet dann wieder im Generatorbetrieb, d. h. unter Abgabe elektrischer Leistung).
7. Die im Rahmen des Schub- oder Motorbetriebs des Generators entfallenden Ladezeiten sind relativ gering. Es ist möglich, den Einsatz des erfindungsgemäßen Konzeptes in Abhängigkeit vom Ladezustand eines Akkusystems abzustimmen. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene temporäre Schubbetrieb des Generators kann unterbunden werden, wenn der Ladezustand des Akkusystems dies als angezeigt erscheinen lässt.
8. Die Freiläufe können als rein mechanische Bauteile ausgeführt werden die als solche den Überholbetrieb zulassen. Diese Freiläufe können insbesondere als Klemmkörperfreiläufe mit Rampen am Innenring oder am Außenring, sowie auch als Schlingfederfreiläufe ausgeführt sein.
9. Die sowohl im Generatorbetriebsmodus, als auch im Motor- oder Schubbetriebsmodus betreibbare E-Maschine kann gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch zum regenerativen Bremsen als Motorbremse über den Riementrieb verwendet werden. Diese hierbei gewonnene elektrische Leistung kann in schnellen Energiespeichern (Batterien, Kondensatorsystemen z. B. Gold- oder Supercaps ..) gepuffer werden. Die hierbei gewonnene Energie kann dann für die o. g. speziellen Betriebszustände verwendet werden.
10. Wird bei größeren Beschleunigungen des Fahrzeugs gleichzeitig der Riementrieb/Generator wie oben beschreiben entkoppelt steht mehr mechanische Leitung für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung. Dadurch wir eine höhere Elastizität bei der Beschleunigung erreicht, bzw. es steht eine Reserve zur Verfügung. Gff. können durch den erfindungsgemäß erreichten Spitzenleistungsgewinn entsprechende Rückdimensionierungen des Motors realisiert werden.

Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Konzeptes in Verbindung mit einem für den Antrieb eines Kraftwagens vorgesehenen Antriebssystem.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist stark vereinfacht ein Antriebssystem für einen PkW dargestellt. Dieses Antriebssystem umfasst eine Brennkraftmaschine 1, ein an diese angeschlossenes Getriebe 2 für zur Bewerkstelligung des zum Antrieb eines Kraftwagons erforderlichen Leistungsabgriffs, sowie ein Generator-Antriebssystem (FEAD) für den Antrieb eines Generators 3 und ggf. weiteren Nebenaggregaten (hier nicht dargestellt).
Das Generator-Antriebssystem umfasst einen Zugmitteltrieb mit einem Zugmittel 5 das über eine Generator-Laufscheibe 6 geführt ist die dem Antrieb des Generators 3 bzw., der kinematischen Einbindung desselben in den Zugmitteltrieb dient. Der Zugmitteltrieb umfasst weiterhin eine Kurbelwellenlaufscheibe 7 die auf einem Endabschnitt der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 1 sitzt.
Das hier gezeigte Generator-Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus, dass der Generator 3 derart ausgebildet und elektrisch beschaltet ist, dass der Generator 3 temporär als E-Motor betreibbar ist, wobei der Generator 3 mit der Generator-Riemenscheibe 6 über eine Freilaufkupplung 4 gekoppelt ist die es gestattet, dass der Generator 3 im Rahmen des Bertriebsmodus als Motor die Generator-Laufscheibe 6 drehzahlmäßig überholt, d. h. schneller dreht als die Generator-Riemenscheibe 6.
Um diesen speziellen Betrieb des Generators 3 zu ermöglichen ist dieser über eine Leistungselektronik 10 an eine Energiespeichereinrichtung 11 angebunden. Die Ansteuerung der Leistungselektronik 10 erfolgt über die Motorsteuerung 12. Dieser Motorsteuerung 12 stehen die steuerungsrelevanten Sensorsignale für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine und des hiermit ausgestatteten Fahrzeuges an sich zur Verfügung. Nach Maßgabe vordefinierter Steuerstrategien erfolgt über die Motorsteuerung eine Ansteuerung der Leistungselektronik 10 derart dass der Läufer des Generators 3 Winkelgeschwindigkeiten erreicht die über den aktuellen Winkelgeschwindigkeiten der Generatorriemenscheibe 6 liegen. In diesen speziellen Betriebsphasen des Generators 3 führt die Massenträgheit des Läufers sowie der diesen tragenden Generatorachse zu keinem Belastungsbeitrag im Zugmitteltrieb. Der Generator 3 ist in diesem Betriebsmodus vom Zugmitteltrieb letztlich abgekoppelt.
Es ist möglich, für den Temporärbetrieb des Generators 3 mit elektrisch beschleunigter Läuferwelle einen Hilfsenergiespeicher 13 vorzusehen. Dieser Hilfsenergiespeicher 13 kann so ausgelegt sein, dass dessen Ladung nur für wenige Generatorbeschleunigungsvorgänge ausgelegt ist. Soweit dieser Hilfsenergiespeicher 13 einen ausreichenden Ladezustand aufweist wird dieser vorrangig für die Bereitstellung der Beschleunigungsenergie herangezogen. Durch ein ebenfalls über die Motorsteuerung 12 angesteuertes Lademodul 14 kann weiterhin festgelegt werden, aus welchem der Speichersysteme 11, 13 die temporär benötigte Energie abgezogen werden soll. Weiterhin kann im Zusammenspiel mit dem Lademodul 14 auch festgelegt werden wohin im Rahmen eines späteren Betriebs des Generators als tatsächlicher Generator die gelieferte Leistung abgegeben werden soll. Der Hilfsenergiespeicher 13 kann hierbei so aufgebaut sein, dass dieser extrem hohe Ladeströme zulässt. Hierzu kann der Hilfsspeicher 13 beispielsweise als Gold- oder Supercap-Kondensatorsystem ausgebildet sein. Der Hilfsspeicher 13 eignet sich damit in besonderem Maße zur Aufnahme elektrischer Leistung in einem sog. regenerativen Betriebsmodus, d. h. einem Betriebsmodus in welchem der Generator 3 Leistung aus der über das Getriebe 2 „geschobenen” Kurbelwelle 8 abgreift.
Das erfindungsgemäße System kann als in sich abgestimmte Baugruppe vorbereitet sein das den speziellen Generator eine eigene Regelelektronik und ggf. auch den Hilfsenergiespeicher 13 umfasst. Die zum temporären Betrieb des Generators 3 als selbst akzellerierendes System erforderlichen Signale können als einfache 1/0 Signale über den Magnetschalter 15 des Anlassers 16 oder die Motorelektronik 12 zur Verfügung gestellt werden. An der Riemenscheibe 6 selbst kann ein Impulsgebersystem vorgesehen sein durch welches unmittelbar im Bereich des Generators Drehzahlinformationen bereitgestellt werden können durch welche ein Überholbetrieb des Läufers des Generators eingeregelt werden kann.
Es ist möglich, den Generator und die diesem zugeordneten elektrischen Systeme so auszulegen, dass für die Abwicklung eines Motorstarts der Läufer des Generators mit einer Winkelbeschleunigung in Rotation versetzt wird die mit hinreichendem Sicherheitsabstand einen Überholbetrieb des Läufers sicherstellt, ohne dass hierbei die Kurbelwellendrehzahl oder die Drehzahl der Generatorriemenscheibe 6 besonders erfasst werden muss, d. h. keinerlei zusätzliche Steuerung oder Regelung notwendig ist.
Die vorangegangenen Ausführungen erfolgten für eine Ausführungsform bei welcher der Freilauf 4 zwischen Generatorriemenscheibe 6 und der Generatorwelle angeordnet ist. Die Erfindung umfasst jedoch ausdrücklich auch solche Ausführungsformen bei welchen der Freilauf 4 zwischen Kurbelwelle 8 und der Kurbelwellenriemenscheibe 7 angeordnet ist. Über den speziell temporär als Motor betreibbaren Generator 3 kann dann der gesamte Zugmitteltrieb einschließlich der auf der Kurbelwelle 8 sitzenden Kurbelwellenriemenscheibe vorbeschleunigt werden. Dieses spezielle Konzept erlaubt es über den Generator 3 kurzzeitig Hilfsaggregate wie beispielsweise eine Lenkhilfepumpe anzutreiben so dass eine Lenkhilfefunktion auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine gegeben ist. Durch den auf der Kurbelwelle sitzenden Freilauf wird eine Mitnahme derselben vermieden.
Die Leistungselektronik 10 ist vorzugsweise so gestaltet, dass diese sowohl den Generatorbetrieb, als auch den temporären Motorbetrieb abwickelt.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Getriebe
3: Generator
4: Freilauf
5: Zugmittel
6: Generator-Laufscheibe
7: Kurbelwellenlaufscheibe
8: Kurbelwelle
10: Leistungselektronik
11: Energiespeichereinrichtung
12: Motorsteuerung
13: Hilfsenergiespeicher
14: Lademodul
15: Magnetschalter
16: Anlasser

Claims

Generator-Antriebssystem für den Generator (3) einer Brennkraftmaschine, mit einem Zugmitteltrieb der ein Zugmittel umfasst das über eine Generator-Laufscheibe (6) geführt ist die dem Antrieb des Generators (3) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) derart ausgebildet und elektrisch beschaltet ist, dass der Generator (3) temporär als Motor betreibbar ist, und dass der Generator (3) mit der Generator-Laufscheibe (6) oder einer Motorkurbelwellenriemenscheibe (7) über einen Freilauf (4) gekoppelt ist der es gestattet, dass der Generator (3) im Rahmen des Motorbetriebs die Generator-Laufscheibe (6) bzw. die Kurbelwelle überholt.
Generator-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (4) als Klemmkörperfreilauf ausgeführt ist.
Generator-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (4) als Klemmfederfreilauf ausgeführt ist
Generator-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (4) als schaltbarer Freilauf ausgeführt ist.
Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung des Generators (3) in einen Schubbetriebsmodus in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des entsprechenden Kraftfahrzeuges erfolgt.
Generator-Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung des Generators (3) in den Schubbetrieb im Rahmen einer Motorstartphase erfolgt.
Verfahren zur Abwicklung des Betriebs eines über einen Zugmitteltrieb und ein Freilaufsystem an eine Brennkraftmaschine angebundenen Generators, bei welchem in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand der Generator derart elektrisch angesteuert wird, dass der Generator temporär als Motor wirksam ist, und dass der Läufer des temporär als Motor wirksamen Generators derart beschleunigt wird, dass der Generator im wesentlichen keine mechanische Beschleunigungsarbeit aus dem Zugmitteltrieb abgreift.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer des Generators derart beschleunigt wird, dass das Freilaufsystem öffnet.