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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebstrangs
eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 10035049 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine
als Fahrantriebsquelle und mit Start-Stopp-Betrieb bekannt, bei
welchem eine Schmiermittelpumpe der Verbrennungskraftmaschine zur
Einbringung von Schmiermittel in bestimmte Bereiche der Verbrennungskraftmaschine
in einer Stopp-Phase des Kraftfahrzeugs oder in einer Phase, in
welcher keine Energieanforderung an die Verbrennungskraftmaschine
gestellt wird, durch einen Elektromotor elektrisch angetrieben wird.
Das elektrische Antreiben der Schmiermittelpumpe wird in Abhängigkeit
vom Abschaltzeitpunkt der Verbrennungskraftmaschine gestartet und
bewirkt, dass ein Schmiermitteldruck direkt an den zu schmierenden Teilen
der Verbrennungskraftmaschine ansteht, wenn die Verbrennungskraftmaschine
angelassen wird. In der Regel werden in Kraftfahrzeugen die Schmiermittelpumpen
von Verbrennungskraftmaschinen ausschließlich über
eine Kurbelwelle betrieben. Dies bedeutet, dass bei abgeschalteter
Verbrennungskraftmaschine eine Schmiermittelversorgung durch die
Schmiermittelpumpe unterbrochen wird. Ein Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine
erfolgt dann mit nicht ausreichend geschmierten Bauteilen. Durch
das in der
DE 10035049
A1 vorgeschlagene Verfahren soll der Wiederstart von Verbrennungskraftmaschinen
nach einer Stopp-Phase oder nach einer Phase, in welcher keine Energieanforderung
an die Verbrennungskraftmaschine gestellt wird, ein bedingt durch
eine mangelnde Schmierung verursachter erhöhter Verschleiß,
welcher zu schwerwiegenden Schäden an Teilen der Verbrennungskraftmaschine
führen kann, vermieden oder reduziert werden.
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Es
wird vorgeschlagen entweder die bereits vorhandene von der Kurbelwelle
der Verbrennungskraftmaschine angetriebene Schmiermittelpumpe mit einer
Kupplung zu versehen und alternativ zur Kurbelwelle mit einem Elektromotor
anzutreiben, oder es wird eine zusätzliche Schmiermittelpumpe
eingeführt, welche von einem Elektromotor elektrisch angetrieben
wird. Bei beiden Lösungsansätzen wird eigens ein
zusätzlicher Elektromotor zum elektrischen Betrieb einer
Schmiermittelpumpe vorgesehen.
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Bei
einer Anwendung des in der
DE 10035049
A1 vorgeschlagenen Verfahrens liegt beim Wiederstart der
Verbrennungskraftmaschine zwar ein Schmiermitteldruck direkt an
den zu schmierenden Teilen der Verbrennungskraftmaschine an. Zwischen
den zu schmierenden Oberflächen, beispielsweise der Kurbelwellengleitlager,
kann sich jedoch durch eine Anwendung des Verfahrens kein Schmierfilm
ausbilden, da die Oberflächen der zu schmierenden Bauteile,
wie die Lagerzapfen und die Lagerschalen der Kurbelwellengleitlager,
im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine unmittelbar aufeinander liegen.
Das bedeutet, dass beim Wiederstart trotz einer Anwendung des in
der
DE 10035049 A1 vorgeschlagenen
Verfahrens immer zunächst eine Festkörperreibung
beispielsweise in den Kurbelwellengleitlagern stattfindet, wodurch
deren Lebensdauer herabgesetzt werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Betrieb eines
Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs zu entwickeln, wobei der Antriebsstrang
sowohl eine Verbrennungskraftmaschine als auch eine Elektromaschine
aufweist, mit welchem Schäden an der Verbrennungskraftmaschine
im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs mit abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine
durch einfache, kostengünstige Maßnahmen reduzierbar
sind.
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Die
Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, welcher
eine Verbrennungskraftmaschine mit einer von einer Kurbelwelle der
Verbrennungskraftmaschine angetriebene Schmiermittelpumpe für
Schmiermittel zur Schmierung von Teilen der Verbrennungskraftmaschine
aufweist. Die Verbrennungskraftmaschine ist mechanisch über
die Kurbelwelle mit einer als Generator und als Elektromotor betreibbaren
ersten Elektromaschine verbindbar. Das erfindungsgemäße
Verfahren sieht vor, die Kurbelwelle und die mit der Kurbelwelle
drehfest verbundene Schmiermittelpumpe der Verbrennungskraftmaschine
während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs mit abgeschalteter
Verbrennungskraftmaschine in bestimmten zeitlichen Abständen
gesteuert über eine Steuereinrichtung von der als Elektromotor betriebenen
ersten Elektromaschine anzutreiben.
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Unter
einem Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs werden Betriebszustände
eines Kraftfahrzeugs verstanden, in welchen sich das Kraftfahrzeug bedingt
durch eine Rollbewegung seiner Räder fortbewegt.
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Durch
das vorgeschlagene Verfahren ist eine Reduktion von Schäden
der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere der Kurbelwellenlager,
welche im elektrischen Fahrbetrieb an der mittransportierten aber
abgeschalteten Verbrennungskraftmaschine hervorgerufen werden, bewirkbar.
Im elektrischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs sind die Kurbelwellenlager
durch die ungünstige Kombination aus stillstehender Kurbelwelle,
Vibration und fehlender Schmierung besonders belastet. Insbesondere
wirken auf die äußeren Kurbelwellenlager bei still
stehender Verbrennungskraftmaschine auf einer Steuerungsseite eine
Zugkraft eines Riemens oder einer Kette für einen Nockenwellenantrieb
und auf einer Getriebeseite ein Gewicht einer Kurbelwelle sowie
eines Schwungrads ein. Ebenso werden die Kurbelwellenlager durch
eine Gewichtskraft der Triebwerksteile, wie zum Beispiel die Kolben
und die Pleuel, belastet. Die Kurbelwellenlager sind in der Regel
als hydrodynamische Gleitlager ausgeführt, jedoch kommen
Wälzlager auch zur Anwendung.
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Bei
hydrodynamischen Kurbelwellengleitlagern bewirkt ein Schmierfilm
aus Schmiermittel zwischen einem Lagerzapfen und einer Lagerschale
des Kurbelwellengleitlagers ein Gleiten der Kurbelwelle im Lager
ohne direkten Kontakt zur Lagerschale. Der Schmierfilm bildet sich
durch einen Aufbau eines hydrodynamischen Drucks und wird durch
eine Drehbewegung der Kurbelwelle erzeugt. Er ist nicht von einer
Höhe des Versorgungsdrucks abhängig, mit welchem
das Schmiermittel von der Schmiermittelpumpe für die Lagerschmierung
bereitgestellt wird. Wird jedoch die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet,
so sinkt die Höhe des Schmierfilms nach einiger Zeit nach
dem Abschalten ab, und es entsteht zwischen der Kurbelwelle und
den belasteten Oberflächen der Kurbelwellengleitlager eine
Mischreibung aus Festkörperreibung von Lagerschale und Lagerzapfen
und hydrodynamischer Reibung des Schmierfilms. Die Festkörperreibung
bewirkt einen hohen Verschleiß der Kurbelwellengleitlager
und ist vorteilhaft zu vermeiden. Wird die Verbrennungskraftmaschine
zudem im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs abgeschaltet, wird zum einen
die Belastung der Kurbelwellengleitlager durch Vibrationen des Fahrbetriebs
erhöht, zum anderen wird ein Absinken des Schmierfilms
noch durch die Vibrationen begünstigt. Mit dem Ziel, den
Schmierfilm weitestgehend Aufrecht zu erhalten, wird mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren vorteilhaft in zeitlichen Abständen einerseits
nicht nur die Schmiermittelpumpe zur Bereitstellung des erforderlichen
Druckschmiermittels betrieben, andererseits gleichzeitig die Kurbelwelle
in eine Drehbewegung versetzt, da eine Drehbewegung für
den Aufbau eines Schmierfilms gleichermaßen Voraussetzung
ist.
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Im
Falle einer Lagerung der Kurbelwelle in Wälzlagern bewirkt
das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls zunächst
in zeitlichen Abständen eine Versorgung der Lager mit Druckschmiermittel
durch einen Betrieb der Schmiermittelpumpe. Gleichzeitig wird eine
Drehbewegung der Wälzkörper der Kurbelwellenwälzlager
mit der Drehung der Kurbelwelle erreicht. Durch diese Drehbewegung
sind die Kontaktflächen der Wälzkörper
mit einer Lagerschale und einem Lagerzapfen der Wälzlager
vorteilhaft nach Beendigung der Drehbewegung nicht mehr dieselben, wie
zu Beginn der Drehbewegung. Für den im Anschluss an die
Drehbewegung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
folgenden Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs mit abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine
erfolgt eine Belastung der Wälzkörper und der Lagerschalen
dann an anderen Stellen ihrer Oberflächen. Es kann somit
vorteilhaft mit der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verhindert werden, dass die Wälzkörper
oder die Lagerschalen über lange Zeit an einer Stelle ihrer
Oberfläche belastet werden und verschleißen.
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Durch
eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
entsteht zudem ein Schmiermittelnebel im Zylinderkurbelgehäuse
durch abtropfendes Schmiermittel von Schmierstellen, welche von der
Schmiermittelpumpe mit Druckschmiermittel versorgt werden. Das abtropfende
Schmiermittel wird durch die sich drehende Kurbelwelle zum Schmiermittelnebel
verwirbelt und unterstützt die Schmierung von Teilen der
Verbrennungskraftmaschine.
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Eine
Drehzahl, mit welcher die erste Elektromaschine die Kurbelwelle
und die mit dieser drehfest verbundene Schmiermittelpumpe nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren dreht, richtet sich
vorteilhaft nach einer Mindestdrehzahl, mit welcher mit der Schmiermittelpumpe
ein ausreichender Schmiermitteldruck zur Schmiermittelverteilung
aufbaubar ist und beträgt in der Größenordnung
von 500 Umdrehungen/Minute. Für den Fall, dass. die Kurbelwelle
in hydrodynamischen Gleitlagern gelagert ist, ist zudem eine Mindestdrehzahl,
welche für den Aufbau eines hydrodynamischen Drucks im
Schmierfilm der Gleitlager notwendig ist, einzuhalten. Diese beträgt
in der Größenordnung von 300 Umdrehungen/Minute.
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Die
zeitlichen Abstände, in welchen die Kurbelwelle und die
mit dieser drehfest verbundene Schmiermittelpumpe der Verbrennungskraftmaschine
während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs mit abgeschalteter
Verbrennungskraftmaschine nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren angetrieben wird, richten sich nach einer Stillstandszeit
der Verbrennungskraftmaschine und nach den während eines
Stillstandes der Verbrennungskraftmaschine wirksamen Beschleunigungskräfte
auf den Antriebsstrang. Für den Fall, dass die Kurbelwelle
in hydrodynamischen Gleitlagern gelagert ist, sind die zeitlichen Abstände,
in welchen ein Kurbelwellen- und Schmiermittelpumpenantrieb erfolgt,
vorteilhaft so zu wählen, dass der jeweilige Schmierfilm
in den Gleitlagern stets eine noch ausreichende Schmierfilmdicke aufweist,
um eine Festkörperreibung zwischen den Lagerzapfen und
den Lagerschalen zu unterbinden. Zeitliche Abstände von
in etwa einigen Minuten sind vorteilhaft.
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Ein
Zeitabschnitt, für welchen die Kurbelwelle und die mit
dieser drehfest verbundene Schmiermittelpumpe der Verbrennungskraftmaschine
während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs mit abgeschalteter
Verbrennungskraftmaschine nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren in zeitlichen Abständen angetrieben wird, ist
vorteilhaft zumindest größer, als eine Zeit, welche
zum Aufbau des Schmiermitteldrucks in den Schmiermittelversorgungsleitungen notwendig
ist und beträgt in der Größenordnung
von einigen Sekunden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird das erfindungsgemäße
Verfahren mit einem Antriebsstrang angewandt, in welchem die erste
Elektromaschine, mit welcher die Kurbelwelle und die mit dieser
drehfest verbundene Schmiermittelpumpe der Verbrennungskraftmaschine
antreibbar ist, im Wesentlichen einem Hybridantrieb aus verbrennungsmotorischen
und elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs dient.
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Der
Betriebszustand einer mittransportierten aber abgeschalteten Verbrennungskraftmaschine
in einem fahrenden Kraftfahrzeug tritt insbesondere sowohl für
einen längeren Zeitabschnitt, als auch häufiger
in Kraftfahrzeugen mit Antriebssträngen auf, welche neben
einer Verbrennungskraftmaschine weitere Antriebsquellen aufweisen.
Je länger die Zeitabschnitte des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs
mit abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine andauern und je häufiger
dieser Betriebszustand auftritt, umso stärker sind auftretende
Schädigungen der Verbrennungskraftmaschine. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann aufgrund dieses Zusammenhangs besonders vorteilhaft
in einem Plug-In-Hybrid-Kraftfahrzeug mit Reichweitenvergrößerer
eingesetzt werden, in welchem der Fahrbetrieb im Regelfall mit abgeschalteter
Verbrennungskraftmaschine rein elektrisch erfolgt und die Energie
für den elektrischen Fahrbetrieb im Wesentlichen einem
elektrischen Energiespeicher entnommen wird, welcher über
externe Energiequellen aufladbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine
dient lediglich einer Reichweitenvergrößerung
des Kraftfahrzeugs. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist besonders
kostengünstig und Bauraum sparend anwendbar, da die erste
Elektromaschine nicht eigens zur Ermöglichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens vorzusehen ist, sondern ohnehin im Antriebsstrang des
Kraftfahrzeugs vorhanden ist, um beispielsweise einen seriellen,
parallelen oder leistungsverzweigten Hybridbetrieb des Kraftfahrzeugs zu
dienen. In solchen Antriebssträngen kann die erste Elektromaschine
ohne Kupplung oder über eine Kupplung mit der Verbrennungskraftmaschine
mechanisch verbunden bzw. verbindbar sein.
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In
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Schmiermittel nur bestimmten Teilen der Verbrennungskraftmaschine
zugeführt. Vorteilhaft ist es, durch diese Weiterbildung
der Erfindung während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs mit
mittransportierter aber abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine
nur diejenigen Teile der Verbrennungskraftmaschine mit Schmiermittel
zu versorgen, welche durch eine ungünstige Kombination aus
Vibration und fehlender Schmierung gefährdet sind, Schäden
zu erleiden, also insbesondere die Kurbelwellenlager. Durch Schieberventile
und/oder andere Mittel ist beispielsweise ein reduzierter Schmiermittelkreislauf
darstellbar, wodurch vorteilhaft eine benötigte Schmiermittelpumpenleistung und
damit auch eine aufzubringende Leistung der ersten Elektromaschine
zum Antrieb der Schmiermittelpumpe reduzierbar ist.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden in der Fig. anhand von einem schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Fig.
zeigt einen Hybrid-Antriebsstrang, beispielsweise geeignet für
ein Plug-In-Hybrid-Kraftfahrzeug mit Reichweitenvergrößerer.
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Gemäß der
Fig. weist ein Antriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs eine
Verbrennungskraftmaschine 2 auf, wobei die Verbrennungskraftmaschine 2 über eine
von einer Kurbelwelle 3 der Verbrennungskraftmaschine 2 angetriebene
mit der Kurbelwelle 3 drehfest verbundene Schmiermittelpumpe 4 für
Schmiermittel 5 zur Schmierung von Teilen der Verbrennungskraftmaschine 2 verfügt.
Die Verbrennungskraftmaschine 2 ist mechanisch über
die Kurbelwelle 3 der Verbrennungskraftmaschine 2 mit
einer als Generator und als Elektromotor betreibbaren ersten Elektromaschine 6 verbunden.
Eine mechanische Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 2 und
gegebenenfalls der ersten Elektromaschine 6, für
den Fall, dass die erste Elektromaschine 6 die Verbrennungskraftmaschine 2 motorisch
unterstützt, ist von der Kurbelwelle 3 über
eine erste Kupplung 7 und ein Übersetzungsgetriebe 8 auf
ein Antriebselement 9 des Kraftfahrzeugs übertragbar. Über
eine zweite Kupplung 10 ist eine zweite als Elektromotor und
Generator betreibbare Elektromaschine 11 mechanisch mit
einem Getriebeeingang des Übersetzungsgetriebes 8 verbunden.
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Der
ersten und der zweiten Elektromaschine 6, 11 ist
jeweils eine Leistungselektronik 12, 13 und eine
Steuereinrichtung 15, 16 zugeordnet, wobei die beiden
Steuereinrichtungen 15, 16 auch zu einem Aggregat
zusammengefasst werden können. Die erste Elektromaschine 6 ist
mit der zweiten Elektromaschine 11 und beide Elektromaschinen 6, 11 sind mit
einer elektrischen Speichereinheit 14 elektrisch verbunden.
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Folgende
Antriebsvarianten sind mit dem in der Fig. dargestellten Antriebsstrang 1 möglich:
- 1. Die Kupplung 7 ist geöffnet,
die Kupplung 10 ist geschlossen und das Kraftfahrzeug wird
ausschließlich über die als Elektromotor betriebene zweite
Elektromaschine 11 mit der Energie des Energiespeichers 14 in
einem rein elektrischen Fahrbetrieb mit abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine 2 angetrieben.
Während eines Bremsvorgangs kann eine von der als Generator betriebenen
zweiten Elektromaschine 11 rekuperierte Bremsenergie von
der elektrischen Speichereinheit 14 aufgenommen werden.
- 2. Die Kupplung 7 ist geöffnet, die Kupplung 10 ist geschlossen
und das Kraftfahrzeug wird von der als Elektromotor betriebenen
zweiten Elektromaschine 11 in einem seriellen Hybridbetrieb
betrieben. Hierbei treibt die Verbrennungskraftmaschine 2 die
als Generator arbeitende erste Elektromaschine 6 an. Diese
stellt ihre erzeugte elektrische Energie zum Laden der elektrischen
Speichereinheit 14 oder direkt für den Betrieb
der zweiten Elektromaschine 11 als Antriebsleistung zur
Verfügung.
- 3. Die Kupplungen 7 und 10 sind geschlossen
und das Kraftfahrzeug wird in einem parallelen Hybridbetrieb gemeinsam
von der als Elektromotor betriebenen zweiten Elektromaschine 11 und
der Verbrennungskraftmaschine 2 angetrieben, wobei die
Verbrennungskraftmaschine 2 ihre Antriebsleistung mechanisch
auf das Kraftfahrzeug überträgt. Das Übersetzungsgetriebe 8 dient
einer Darstellung von mehreren Fahrgängen. Zusätzlich
kann die erste Elektromaschine 6 sowohl motorisch betrieben werden,
als auch generatorisch. Durch ein Zusammenwirken der Verbrennungskraftmaschine 2 mit
einer generatorisch betriebenen ersten Elektromaschine 6 kann
beispielsweise mit Lastpunktverschiebungen der Verbrennungskraftmaschine 2 eine
Optimierung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.
- 4. Die Kupplung 7 ist geschlossen, die Kupplung 10 ist
geöffnet und das Kraftfahrzeug wird von der Verbrennungskraftmaschine 2 angetrieben,
wobei die Verbrennungskraftmaschine 2 ihre Antriebsleistung
mechanisch auf das Kraftfahrzeug überträgt. Das Übersetzungsgetriebe 8 dient
einer Darstellung von mehreren Fahrgängen. Zusätzlich
kann die erste Elektromaschine 6 sowohl motorisch betrieben
werden, als auch generatorisch. Durch ein Zusammenwirken der Verbrennungskraftmaschine 2 mit
einer generatorisch betriebenen ersten Elektromaschine 6 kann
beispielsweise mit Lastpunktverschiebungen der Verbrennungskraftmaschine 2 eine
Optimierung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, während
des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs gemäß Antriebsvariante 1 mit
abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine 2 die Kurbelwelle 3 und
die mit dieser drehfest verbundene Schmiermittelpumpe 4 in bestimmten
zeitlichen Abständen, gesteuert über die Steuereinrichtung 15,
von der als Elektromotor betriebenen ersten Elektromaschine 6 anzutreiben,
um so insbesondere eine Schmierung und Drehbewegung der Kurbelwelle 3 und
der Kurbelwellenlager der Verbrennungskraftmaschine 2 zu
bewirken. In einem Plug-In-Hybrid-Kraftfahrzeug mit einer lediglich der
Reichweitenvergrößerung des Kraftfahrzeugs dienenden
Verbrennungskraftmaschine 2 wird ein Kraftfahrzeug maßgeblich
gemäß der Antriebsvariante 1 angetrieben.
Da die Kupplung 7 geöffnet ist, ist es möglich
die erste Elektromaschine 6 mit der in der elektrischen
Speichereinheit 14 gespeicherten Energie als Elektromotor
zu betreiben und so die mit der ersten Elektromaschine 6 verbundene
Kurbelwelle 3 und die mit der Kurbelwelle 3 drehfest
verbundene Schmiermittelpumpe 4 der Verbrennungskraftmaschine 2 mitzudrehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10035049
A1 [0002, 0002, 0004, 0004]
