DE102009033659A1 - Generator-Antriebssystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
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 einer Brennkraftmaschine.
- Hintergrund der Erfindung
- Generator-Antriebssysteme der vorgenannten Art umfassen typischerweise einen Zugmitteltrieb. Als Zugmittel werden mittlerweile überwiegend Keilrippen(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, insbesondere die Lebensdauer der Lagerungen sowie auch auf die Lebensdauer des Generators 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 auftretenden mechanischen Belastungen 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 die Generator-Laufscheibe mit dem Generator über eine Kupplungseinrichtung gekoppelt ist, wobei diese Kupplungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine schaltbar in einen Freigabezustand bringbar ist.
- Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den Generator bei ausgewählten Betriebszuständen, insbesondere währen einer Motorstartphase, beim Abschalten des Motors, sowie auch insbesondere bei temporären Hochlastphasen selektiv vom Zugmitteltrieb abzukoppeln.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kupplungseinrichtung derart ausgelegt, dass in jenem Freigabezustand im wesentlichen kein Drehmoment zwischen der Generator-Laufscheibe und einer anzutreibenden Komponente des Generators übertragen wird, so dass bei Betrieb der Brennkraftmaschine in jenem Freigabezustand im wesentlichen keine mechanische Arbeit durch den Generator aus dem Zugmitteltrieb abgezogen wird und die trägheitsbehafteten Komponenten des Generators keinen Einfluss auf die Belastungen im Zugmitteltrieb haben.
- Die Kupplungseinrichtung ist gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung vorzugsweise als Klauenkupplung ausgeführt. Die Klauenstruktur kann so ausgebildet sein, dass durch diese auch eine Überlastsicherung erreicht wird, so dass ein fehlerhaftes Zuschalten der Klauenkupplung, z. B. bei unzureichender Synchronisation keine übermäßigen Bauteilsbelastungen der zusammenwirkenden Komponenten verursacht.
- Alternativ zu der Ausführung der Kupplung als Klauenkupplung ist es auch möglich, diese als Klemmkupplung auszuführen. Diese Klemmkupplung kann so gestaltet sein, dass diese ebenfalls eine Drehmomentenbegrenzung verursacht, so dass wie oben ausgeführt bei unzureichender Synchronisation oder verfrühtem Zuschalten des Generatorläufers an die zugeordnete Riemenscheibe keine unzulässigen Belastungen auftreten.
- Die Kupplungseinrichtung ist vorzugsweise so aufgebaut, dass diese eine elektromechanische Schaltstruktur umfasst, zur gesteuerten Aufhebung und/oder Herbeiführung eines Kupplungseinriffszustandes auf elektrischem Wege. Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung ist es hierbei möglich, die Kupplungseinrichtung so auszubilden, dass diese nur zur Herbeiführung eines Wechsels des Eingriffszustand, d. h. zum Lösen oder Schließen kurzzeitig bestromt werden muss. Für dieses Konzept umfasst die Kupplungseinrichtung beispielsweise ein elektromagnetisch verlagerbares Sperrglied dass in der jeweiligen Endstellung durch einen Hilfsmechanismus mit einer hinreichenden Sicherungswirkung gesichert ist. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Kupplungseinrichtung so zu gestalten, dass diese nur für die temporäre Herbeiführung des Freigabezustands mit Spannung beaufschlagt werden muss. Diese Variante eignet sich insbesondere für Anwendungen durch welche primär die Belastungen des Zugmitteltriebs sowie die Belastung eines elektrischen Anlassers für Start-Stopp Systeme abgesenkt werden sollen.
- Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung ist der Generator derart ausgebildet, dass dieser temporär als Motor betreibbar ist, wobei der Generator im Rahmen eines Drehzahlanpassungsmodus durch elektrische Leistungszufuhr derart ansteuerbar ist, dass dieser eine auf die aktuelle Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine abgestimmte Drehzahl erreicht die eine Herbeiführung eines Kupplungseingriffszustands erlaubt. Die aktuelle Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine kann in vorteilhafter Weise aus einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine abgegriffen werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Drehzahl der Laufscheibe durch einen mit dieser zusammenwirkenden Drehzahlmesssystem zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweise an der Laufscheibe eine Impulsgeberstruktur angeordnet sein. Die Detektion eines hinreichenden Synchronlaufs kann auch durch anderweitige Maßnahmen, insbesondere anhand des Spannungsfrequenz am „Generator” sowie den Zünd- oder Einspritzimpulsen der Brennkraftmaschine erfasst werden.
- Die Kupplungseinrichtung kann einen lastabhängig schaltenden Mechanismus umfassen der im Rahmen der für einen Motorstartbetrieb typischen Belastungen, d. h. bei „Beschleunigung ab Null” zunächst selbsttätig in einen Freigabezustand gelangen kann. An der Kupplungseinrichtung kann dann ein Mechanismus vorgesehen sein der dafür sorgt, dass die Kupplungseinrichtung wieder in einen Eingriffszustand gelangt, wenn der Generator im Rahmen einer Generatorbeschleunigungsphase durch elektrische Leistungszufuhr eine hinreichende Drehzahl erreicht hat, insbesondere die Generatorriemenscheibe leicht überholt hat.
- Der erfindungsgemäße Mechanismus kann als weitgehend geschlossene Baugruppe in eine Laufscheibe eingebunden sein und hierbei eine Nabenstruktur aufweisen die zu herkömmlichen Generatorwellen kompatibel ist. Dieser spezielle Mechanismus kann dann im wesentlichen durch Substitution einer herkömmlichen Riemenscheibe in die entsprechende Brennkraftmaschine eingebunden werden.
- Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Mechanismus im Zusammenspiel mit Komponenten des Generators zu realisieren. So ist es möglich, eine zur Umschaltung der Kupplung vorgesehenen Magnetspulenwicklung am Stirnbereich des Generators anzuordnen und den Generator und die schaltbar aktivierbare Riemenscheibe als Komplettbaugruppe zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es möglich, einen Teil der Betätigungsmechanik aus der Riemenscheibe heraus zu verlagern. Dies kann insbesondere über ein Gestänge, oder Hydraulikfluidsystem erfolgen das sich durch eine in der Generatorwelle ausgebildete Bohrung hindurch erstreckt.
- Die erfindungsgemäße Kupplung ist bevorzugt zwischen der Riemenscheibe und der Generatorwelle angeordnet. Es ist auch möglich, die Kupplungseinrichtung so auszubilden, dass diese zwischen der Generatorwelle und dem darauf sitzenden Läufer wirksam ist.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise zwischen der Generatoreinrichtung und der Laufscheibe ein Getriebe vorgesehen. Dieses Getriebe ist vorzugsweise als Untersetzungsgetriebe ausgeführt das als solches dazu dient, dass bei Betrieb der Brennkraftmaschine im hohen Drehzahlbereich keine unzulässig hohen Generatordrehzahlen auftreten. Dieses Getriebe ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgeführt. Gerade bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Konzepts unter Einschluss eines Getriebes ist es möglich, die Herbeiführung des Koppelungszustandes durch Festbremsen einer Komponente, insbesondere eines Planetenträgers oder Hohlrades dieses Getriebes vorzunehmen.
- Durch das erfindungsgemäße Konzept wird in vorteilhafter Weise eine deutliche Reduzierung des wirksamen Gesamt-Motor-Massenträgkeitsmoments erreicht. Hierdurch ergibt sich insbesondere für den Motorstart eine deutliche Reduzierung der wirksamen FEAD- bzw. Gesamt-Motor-Trägheiten. Zudem wird eine Abkoppelung bei kritischen Drehzahlen möglich. Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt in vorteilhafter Weise eine geringere Riemenvorspannung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der (Reib-)Verlustleistung. Zudem wirken gegenüber bisherigen Konzepten deutlich geringere Kräfte auf alle Bauteile im Riementrieb. Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es auch möglich, den Blindleistungsanfall im Bereich des Generators zu reduzieren.
- Das erfindungsgemäße Konzept umfasst den Ansatz, in eine Generatorlaufscheibe eine Kupplung, insbesondere Klauenkupplung und ggf. ein zusätzliches Getriebe einzubinden. Die Erfindung nutzt dabei den Umstand, dass ggf. durch geringe Modifikationen und schaltungstechnische Maßnahmen der Generator als E-Motor eingesetzt werden kann und dabei auf eine Drehzahl beschleunigt werden kann, die ein Einrücken der Kupplung bei laufender Brennkraftmaschine erlaubt. Der Generator wird vorzugsweise so gestaltet, dass dieser seine eigene Masse hinreichend schnell (vorzugsweise zumindest geringfügig schneller als die schnellsten Beschleunigungen des Motors unter Normalbetriebsbedingungen) beschleunigen kann. Durch eine entsprechende Steuerung oder Regelung, die ggf. auch mit der Motor-ECU verbunden ist, kann dann damit Folgendes erreicht werden:
- 1. Der Generator kann während kritischer Betriebszustände (in beide Drehrichtungen!) durch z. B. o. g. Klauenkupplung von der Motordrehzahl x Übersetzung weggeschaltet werden (z. B. auf Drehzahl 0 und somit wird die Bildleistung auch 0);
- 2. Ist der kritische Betriebszustand beendet, dann kann die Generatordrehzahl (bzw. die der E-Maschine) auf die Kurbelwellendrehzahl x Übersetzung gebracht werden und die Kupplung kann wieder geschlossen werden;
- 3. bei Verwendung eines zusätzlichen Getriebes zwischen Riemenscheibe und Generator kann vor dem Wiedereinkuppeln der gewünschte „Gang” eingelegt werden und dann die entsprechende Synchrondrehzahl mit der E-Maschine angefahren und eingekuppelt 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 Brennkraftmaschine1 , ein an diese angeschlossenes Getriebe2 für zur Bewerkstelligung des zum Antrieb des Kraftwagens erforderlichen Leistungsabgriffs sowie ein Generator-Antriebssystem für den Antrieb eines Generator3 sowie ggf. weiterer Hilfsaggregate4 beispielsweise in Form von Lenkhilfepumpen und Kompressoren. - Das Generator-Antriebssystem umfasst einen Zugmitteltrieb mit einem Zugmittel
5 , das über eine Kurbelwellenlaufscheibe10 und über eine Generator-Laufscheibe6 geführt ist, die dem Antrieb des Generators3 dient. - Das hier gezeigte Generator-Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Generator-Laufscheibe
6 mit dem Generator3 über eine Kupplungseinrichtung7 gekoppelt ist, wobei diese Kupplungseinrichtung7 derart ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine1 schaltbar in einen Freigabezustand bringbar ist. - Die Kupplungseinrichtung
7 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, dass in jenem Freigabezustand im wesentlichen kein Drehmoment zwischen der Generator-Laufscheibe6 und einer anzutreibenden Komponente des Generators3 übertragen wird. Die Kupplungseinrichtung7 kann hierzu insbesondere als Klauenkupplung oder auch als Klemmkupplung ausgeführt sein. - Die Kupplungseinrichtung
7 umfasst bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine rein mechanische oder elektromechanische Schaltstruktur, zur gesteuerten Aufhebung und/oder Herbeiführung eines Kupplungseinriffszustandes auf elektrischem, beispielsweise elektromagnetischem Wege. - Der Generator ist derart ausgebildet, dass dieser temporär als Motor betreibbar ist. Dieser Generator
3 ist im Rahmen eines Drehzahlanpassungsmodus durch elektrische Leistungszufuhr derart ansteuerbar, dass dieser eine auf die aktuelle Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine1 abgestimmte Drehzahl erreicht, die eine Herbeiführung eines Kupplungseingriffszustands erlaubt. Die aktuelle Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine wird bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Motorsteuerung8 der Brennkraftmaschine abgegriffen. - Die Kupplungseinrichtung
7 kann konstruktiv zudem als Überlastkupplung ausgeführt sein, so dass diese bei unzureichender Synchronisation und dennoch veranlasster Herbeiführung des Eingriffszustands etwaige hierbei auftretende Lastspitzen begrenzt. - Das erfindungsgemäße System kann so betrieben werden, dass im Rahmen einer Motorstartphase, insbesondere bei Aktivierung des Anlassers
9 , die Kupplungseinrichtung7 in einen Freigabezustand verbracht wird, so dass der Startvorgang ohne Leistungsabgriff des Generators3 sowie im wesentlichen ohne Trägheitsmomentenbeitrag desselben abgewickelt werden kann. - Nach Maßgabe eines in der Motorsteuerung
8 , oder ggf. einer speziell dem Generator zugeordneten Zusatzsteuerung hinterlegten Programms kann die Festlegung des Eingriffszustands der Kupplungseinrichtung erfolgen. Zur Herbeiführung des Eingriffszustands wird zunächst der Generator1 durch entsprechende Leistungszufuhr, ggf. unter Zwischenschaltung eines Frequenzumrichters auf eine der Drehzahl der Riemenscheibe6 entsprechende Drehzahl gebracht. Sobald ein hinreichender Gleichlauf, oder ggf. ein leichtes Überholen eintritt wird die Kupplungseinrichtung7 in einen Kopplungszustand verbracht. - Der Kopplungszustand kann in Abhängigkeit von zahlreichen Betriebsparametern temporär wieder aufgehoben werden z. B. um für den Gesamtmotor (Massenträgheiten), das Antriebssystem (Kraftspitzen) oder dem Generator ungünstige oder unwirtschaftliche Betriebszustände zu vermeiden), oder den momentanen Leistungsbedarf ungünstige Wirkungen zu vermeiden. Die Herbeiführung des Kopplungszustands erfolgt bei Betrieb der Brennkraftmaschine
1 stets erst nach hinreichendem Hochfahren des Generators1 . - Die Kupplung kann noch federnde Elemente (in beide Richtungen) haben, um beim Einkoppeln und im generatorischen Betrieb (Kupplung geschlossen) Kraftspitzen abzumildern. Die Kupplungseinrichtung
7 kann auch zwischen der Kurbelwellenlaufscheibe10 und der Kurbelwelle angeordnet sein. Die Einstellung geeigneter Generatordrehzahlen erfolgt unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse im Zugmitteltrieb. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Getriebe
- 3
- Generator
- 4
- Hilfsaggregate
- 5
- Zugmittel
- 6
- Generator-Laufscheibe
- 7
- Kupplungseinrichtung
- 8
- Motorsteuerung
- 9
- Anlasser
- 10
- Kurbelwellenlaufscheibe
Claims (17)
- Generator-Antriebssystem für den Generator (
3 ) einer Brennkraftmaschine (1 ), mit einem Zugmitteltrieb der ein Zugmittel (5 ) umfasst das über eine Generator-Laufscheibe (6 ) geführt ist die dem Antrieb des Generators (3 ) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Generator-Laufscheibe (6 ) mit dem Generator (3 ) über eine Kupplungseinrichtung (7 ) gekoppelt ist, wobei diese Kupplungseinrichtung (7 ) derart ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1 ) schaltbar in einen Freigabezustand bringbar ist. - Generator-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (
7 ) derart ausgelegt ist, dass in jenem Freigabezustand im wesentlichen kein Drehmoment zwischen der Generator-Laufscheibe (6 ) und einer anzutreibenden Komponente des Generators (3 ) übertragen wird. - Generator-Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (
7 ) als Klauenkupplung ausgeführt ist. - Generator-Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (
7 ) als Klemmkupplung ausgeführt ist, und - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (
7 ) vorzugsweise bidirektional federnde Elemente umfasst, derart, dass im Rahmen des Einkoppelns und im generatorischen Betrieb (Kupplung geschlossen) Kraftspitzen reduziert werden. - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (
7 ) eine elektromechanische Schaltstruktur umfasst, zur gesteuerten Aufhebung und/oder Herbeiführung eines Kupplungseinriffszustandes auf elektrischem Wege. - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (
7 ) als rein mechanische Kupplung ausgeführt ist. - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (
3 ) derart ausgebildet ist, dass dieser temporär als Motor betreibbar ist, und dass der Generator (3 ) im Rahmen eines Drehzahlanpassungsmodus durch elektrische Leistungszufuhr derart ansteuerbar ist, dass dieser eine auf die aktuelle Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine (1 ) abgestimmte Drehzahl erreicht die eine Herbeiführung eines Kupplungseingriffszustands erlaubt. - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine (
1 ) aus einer Motorsteuerung (8 ) der Brennkraftmaschine (1 ) abgegriffen wird. - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Betriebsdrehzahl aus einem mit der Generator-Laufscheibe (
6 ) zusammenwirkenden Drehzahlmesssystem ermittelt wird. - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (
7 ) als Überlastkupplung ausgeführt ist die im Rahmen eines Motorstartbetriebes in einen Freigabezustand gelangen kann, und dass die Kupplungseinrichtung (7 ) wieder in einen Eingriffszustand gelangt, wenn der Generator (3 ) im Rahmen einer Generatorbeschleunigungsphase durch elektrische Leistungszufuhr eine hinreichende Drehzahl erreicht hat. - Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Generator (
3 ) und der Laufscheibe (6 ) ein Getriebe vorgesehen ist. - Generator-Antriebssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Getriebe als Untersetzungsgetriebe ausgeführt ist.
- Generator-Antriebssystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Planetengetriebe ausgeführt ist.
- Generator-Antriebssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Herbeiführung des Koppelungszustandes durch Festbremsen einer Komponente, insbesondere eines Planetenträgers oder Hohlrades dieses Getriebes erfolgt.
- Generator-Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauenkupplung mit einer Überlastkupplung gekoppelt ist, derart, dass etwaige bei unzureichender Synchronisation im Rahmen des Einrückens der Klauenkupplung auftretende Lastspitzen begrenzt werden.
- Verfahren zur Abstimmung des Betriebs einer Brennkraftmaschine bei welchem in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder eines diese umfassenden Fahrzeuges temporär ein Koppelungszustand zwischen einem Zugmitteltrieb und einem durch diesen angetriebenen Generator aufgehoben werden kann, wobei im Rahmen einer der Aufhebung des Koppelungszustandes nachfolgenden Einkoppelungsphase der Generator zunächst als Motor betrieben wird und auf elektrischem Wege auf eine Synchrondrehzahl gebracht wird die ein Wiederherstellen des Koppelungszustands erlaubt.
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