DE102010054629A1

DE102010054629A1 - Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102010054629A1
Application number: DE201010054629
Authority: DE
Inventors: Bernd Hartmann; Hermann Stief
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-06-21
Also published as: CN103261627A; US20130274043A1; US9033834B2; WO2012079796A1; CN103261627B

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Nebenaggregatetrieb umfasst:–ein mit einer Kurbelwelle (CR) der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad (1),–eine wahlweise als Generator (AL) oder als Motor (M) betreibbare Elektromaschine und ein mit der Elektromaschine (AL, M) drehverbindbares zweites Antriebsrad (2),–einen Klimakompressor (NC) und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad (3),–ein endlos umlaufendes Zugmittel (4), das die Antriebsräder umschlingt,–und eine ansteuerbare Kupplung (7) zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektromaschine und des Klimakompressors von der Kurbelwelle.Dabei soll der Klimakompressor für einen Betrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet und eine Drehrichtungsumkehr zwischen dem Generatorbetrieb und dem Motorbetrieb der Elektromaschine vorgesehen sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Nebenaggregatetrieb umfasst:

– ein mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad,
– eine wahlweise als Generator oder als Motor betreibbare Elektromaschine und ein mit der Elektromaschine drehverbindbares zweites Antriebsrad,
– einen Klimakompressor und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad,
– ein endlos umlaufendes Zugmittel, das die Antriebsräder umschlingt,
– und eine ansteuerbare Kupplung zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektromaschine und des Klimakompressors von der Kurbelwelle.

Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßer Riementrieb für Nebenaggregate von Brennkraftmaschinen geht aus der DE 10 2008 023 834 A1 hervor. Dort sind sowohl zwischen der Kurbelwelle und der zugehörigen Kurbelwellenriemenscheibe als auch zwischen jedem der Nebenaggregate und der jeweils zugehörigen Antriebsscheibe schaltbare Kupplungen vorgesehen. Diese bilden die Grundlage für eine Reihe von Zusatzfunktionalitäten des Nebenaggregatetriebs, indem die Nebenaggregate je nach Stellung der Kupplungen jeweils wahlweise von der Kurbelwelle oder von der als Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine oder auch gar nicht angetrieben werden. So ermöglicht der Startergenerator als Zusatzfunktionalitäten nicht nur einen Riemenstart der Brennkraftmaschine sondern auch eine Fahrzeugklimatisierung im Stillstand der Brennkraftmaschine. Bei einer solchen Standklimatisierung ist die (stehende) Kurbelwelle aus dem Antrieb des Riementriebs getrennt, und der Klimakompressor wird elektromotorisch angetrieben. Eine hierzu analoge Betriebsweise gilt für die Kühlmittelpumpe.
Bei laufender Brennkraftmaschine führt ein Öffnen der kurbelwellenseitigen Kupplung dazu, dass der gesamte Nebenaggregatetrieb vom Antrieb der Kurbelwelle getrennt und entsprechend stillgelegt wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zusatzfunktionalitäten aufweisenden Nebenaggregatetrieb der eingangs genannten Art in konstruktiv möglichst einfacher Ausgestaltung und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Nebenaggregatetriebs anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich vorrichtungsseitig aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und verfahrensseitig aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 5. Demnach soll einerseits der Klimakompressor für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet und andererseits eine Drehrichtungsumkehr zwischen dem Generatorbetrieb und dem Motorbetrieb der Elektromaschine vorgesehen sein. Der erfindungsgemäße Nebenaggregatetrieb ist in mindestens drei Zuständen betreibbar, wozu prinzipiell lediglich eine ansteuerbare Kupplung zwischen dem kurbelwellenseitigen ersten Antriebsrad und der Kurbelwelle erforderlich ist. Weitere Kupplungen seitens der Elektromaschine und des Klimakompressors sind optional.
Die drei Betriebszustände sind:

a) (konventioneller) Antrieb des Nebenaggregatetriebs durch die Kurbelwelle
b) Abschalten des Nebenaggregatetriebs
c) Standklimatisierung

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der Elektromaschine und dem zweiten Antriebsrad eine Freilaufkupplung angeordnet sein, die in der Drehrichtung des Generatorbetriebs ein Überholen der Elektromaschine gegenüber dem zweiten Antriebsrad zulässt. Eine derartige Freilaufkupplung – in konventionellen Nebenaggregatetrieben häufig auch als Lichtmaschinen- oder Generatorfreilauf bezeichnet – ist bekanntermaßen ein effizientes Mittel, um die vergleichsweise große rotative Generatormasse von den Drehschwingungen der Kurbelwelle dynamisch zu entkoppeln und den Trieb zu beruhigen. Auch im erfindungsgemäßen Zusammenhang ist die Freilaufkupplung ohne weiteres zur Entkopplung der Elektromaschine einsetzbar, da diese bei Standklimatisierung den Nebenaggregatetrieb in umgekehrter Drehrichtung mittels der dabei sperrenden Freilaufkupplung antreibt. Als alternative Entkopplung ist auch eine mit Endanschlägen behaftete, rotative Anfederung des zweiten Antriebsrads auf der Elektromaschine denkbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung soll im Bereich des Leertrums, das zwischen dem ersten Antriebsrad (seitens der Kurbelwelle) und dem zweiten Antriebsrad (seitens der Elektromaschine) verläuft, eine Spannvorrichtung zur Vorspannung des Zugmittels angeordnet sein. Aufgrund der Drehrichtungsumkehr des bei Standklimatisierung von der Elektromaschine angetriebenen Nebenaggregatetriebs befindet sich die Spannvorrichtung stets, d. h. in allen drei Betriebszuständen im Leertrum, so dass die Vorspannung des Zugmittels auch im erfindungsgemäßen Zusammenhang ohne weiteres mittels einer konventionellen Spannvorrichtung einstellbar ist.
Als Zugmittel ist vorzugsweise ein Riemen vorgesehen. Ein erfindungsgemäßer Nebenaggregatetrieb kann dennoch auch ein Kettentrieb sein.
Der Nebenaggregatetrieb ist mit den genannten Zusatzfunktionalitäten in einer einzigen Zugmittelebene angeordnet. Weitere Nebenaggregate und/oder Zusatzfunktionalitäten können gegebenenfalls in derselben Zugmittelebene oder in einer weiteren Zugmittelebene vorgesehen sein. Dies betrifft insbesondere eine Kühlmittelpumpe zur Kühlung der Brennkraftmaschine, die ebenfalls für einen Förderbetrieb in beide betriebliche Drehrichtungen ausgebildet ist. Je nach Bauart der Kühlmittelpumpe führt deren Drehrichtungsumkehr zwar nicht zu einem Wechsel von Saug- und Druckseite, kann jedoch mit unterschiedlich hohen Förderraten einhergehen. Analog zur Standklimatisierung oder Fahrzeuginnenraumkühlung kann betrieblich erhitztes Kühlmittel, das bei Stillstand der Brennkraftmaschine umgewälzt wird, zum Heizen des Fahrzeuginnenraums dienen (Standheizung).
Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auch der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, in der ein erfindungsgemäßer Nebenaggregatetrieb einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine schematisch dargestellt ist.
Es handelt sich um einen Riementrieb mit einem Poly-V-Riemen 4 als endlos umlaufendes Zugmittel, einem auf der mit CR bezeichneten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordneten ersten Antriebsrad 1, einer mit AL bzw. M bezeichneten Elektromaschine und einem auf deren Generatorwelle 5 angeordneten zweiten Antriebsrad 2, einem mit NC bezeichneten Klimakompressor und einem auf der Kompressorwelle 6 angeordneten dritten Antriebsrad 3 sowie einer mit BT bezeichneten Spannvorrichtung zum Vorspannen des Riemens 4.
Die betriebliche Drehrichtung der Kurbelwelle CR entspricht der mit positivem Vorzeichen eingezeichneten Drehrichtung. Das erste Antriebsrad 1 ist über eine symbolhaft dargestellte, elektrisch ansteuerbare Magnetkupplung 7 (diese kann entweder stromlos geöffnet oder stromlos geschlossen sein) mit der Kurbelwelle CR drehverbindbar. Im geöffneten Zustand dient die Magnetkupplung 7 der bedarfsweisen Antriebstrennung der Kurbelwelle CR von der Elektromaschine AL, M und des Klimakompressors NC.
Die Elektromaschine ist zum einen als Generator AL in der mit positivem Vorzeichen eingezeichneten Drehrichtung und zum anderen als Motor M in der mit negativ eingezeichnetem Vorzeichen entsprechend umgekehrten Drehrichtung betreibbar. Das zweite Antriebsrad 2 ist über eine symbolhaft dargestellte Freilaufkupplung 8 in Form eines konventionellen Generatorfreilaufs mit der Generatorwelle 5 der Elektromaschine AL, M drehverbindbar. Die Freilaufkupplung 8 ist so konfiguriert, dass diese ein Überholen der Generatorwelle 5 in der eingezeichneten positiven Generatordrehrichtung zulässt und in der dazu umgekehrten, negativ eingezeichneten Motordrehrichtung sperrt.
Bei dem Klimakompressor NC handelt es sich um einen Taumelscheibenkompressor, der gemäß der eingezeichneten Drehrichtungen drehrichtungsungebunden in den Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage eingesetzt ist. Mit anderen Worten bewirkt der Klimakompressor ohne Änderung der Saug- und Druckseite eine Kompression des Kältemittels in beiden betrieblichen Drehrichtungen. Das dritte Antriebsrad 3 ist entweder permanent mit der Kompressorwelle 6 drehverbunden oder in einer optionalen, nicht dargestellten Variante mittels einer ansteuerbaren Magnetkupplung mit der Kompressorwelle 6 drehverbindbar.
Bei der Spannvorrichtung BT handelt es sich um einen konventionellen federbelasteten Riemenspanner, der den Riemen 4 im Leertrum 9 zwischen dem ersten Antriebsrad 1 und dem zweiten Antriebsrad 2 vorspannt. Erfindungsgemäß findet ein für den Betrieb des Riemenspanners BT nachteiliger Wechsel zwischen Leertrum 9 und Zugtrum 10 nicht statt, da zum einen die als Generator AL betriebene Elektromaschine von der Kurbelwelle CR in positiver Drehrichtung angetrieben wird und zum anderen die als Motor M betriebene Elektromaschine den Klimakompressor A/C mit umgekehrter negativer Drehrichtung antreibt und folglich die Positionen des Zugtrums 10 und des Leertrums unverändert bleiben.
Die bereits eingangs erwähnten drei Betriebszustände des Nebenaggregatetriebs sind wie folgt.

a) (konventioneller) Antrieb des Nebenaggregatetriebs durch die Kurbelwelle CR: – die Brennkraftmaschine ist in Betrieb, – die Magnetkupplung 7 ist geschlossen, – die Elektromaschine ist im Generatorbetrieb AL, – der Antrieb des Generators AL und des Klimakompressors A/C erfolgt durch die Kurbelwelle CR in deren (positiver) Drehrichtung über das zweite Antriebsrad 2 bei sperrender Freilaufkupplung 8 bzw. über das dritte Antriebsrad 3, – die Freilaufkupplung 8 lässt ein Überholen der Generatorwelle 5 gegenüber dem zweiten Antriebsrad 2 / der Kurbelwelle CR zu.
b) Abschalten des Nebenaggregatetriebs: – die Brennkraftmaschine ist in Betrieb, – die Magnetkupplung 7 an der drehenden Kurbelwelle CR ist geöffnet, – die Elektromaschine AL, M und der Klimakompressor A/C stehen still.
c) Standklimatisierung: – die Brennkraftmaschine ist außer Betrieb, – die Magnetkupplung 7 an der still stehenden Kurbelwelle CR ist geöffnet, – die Elektromaschine ist im Motorbetrieb M und dreht mit umgekehrter Drehrichtung (gegenüber dem Generatorbetrieb AL), – der Antrieb des Klimakompressors A/C erfolgt durch die Elektromaschine in umgekehrter Drehrichtung bei sperrender Freilaufkupplung 8 über das dritte Antriebsrad 3.

Der nicht dargestellte Betriebszustand der eingangs erwähnten Standheizung, bei dem im Nebenaggregatetrieb auch eine drehrichtungsungebundene Kühlmittelpumpe eingebunden ist, entspricht antriebstechnisch dem Zustand c) Standklimatisierung.
Bezugszeichenliste

1: erstes Antriebsrad
2: zweites Antriebsrad
3: drittes Antriebsrad
4: Riemen/Zugmittel
5: Generatorwelle
6: Kompressorwelle
7: Magnetkupplung
8: Freilaufkupplung
9: Leertrum
10: Zugtrum
CR: Kurbelwelle
NC: Klimakompressor
AL: Generator
M: Motor
BT: Riemenspanner/Spannvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008023834 A1 [0002]

Claims

Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend: – ein mit einer Kurbelwelle (CR) der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad (1), – eine wahlweise als Generator (AL) oder als Motor (M) betreibbare Elektromaschine und ein mit der Elektromaschine (AL, M) drehverbindbares zweites Antriebsrad (2), – einen Klimakompressor (NC) und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad (3), – ein endlos umlaufendes Zugmittel (4), das die Antriebsräder (1, 2, 3) umschlingt, – und eine ansteuerbare Kupplung (7) zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektromaschine (AL, M) und des Klimakompressors (NC) von der Kurbelwelle (CR), dadurch gekennzeichnet, dass der Klimakompressor (NC) für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist und dass eine Drehrichtungsumkehr zwischen dem Generatorbetrieb und dem Motorbetrieb der Elektromaschine (AL, M) vorgesehen ist.
Nebenaggregatetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektromaschine (AL, M) und dem zweiten Antriebsrad (2) eine Freilaufkupplung (8) angeordnet ist, die in der Drehrichtung des Generatorbetriebs ein Überholen der Elektromaschine gegenüber dem zweiten Antriebsrad (2) zulässt.
Nebenaggregatetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zwischen dem ersten Antriebsrad (1) und dem zweiten Antriebsrad (2) verlaufenden Leertrums (9) eine Spannvorrichtung (BT) zur Vorspannung des Zugmittels (4) angeordnet ist.
Nebenaggregatetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenaggregatetrieb weiterhin eine Kühlmittelpumpe umfasst, die für einen Förderbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist
Verfahren zum Betrieb eines Nebenaggregatetriebs einer Brennkraftmaschine, umfassend: – ein mit einer Kurbelwelle (CR) der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad (1), – eine wahlweise als Generator (AL) oder als Motor (M) betreibbare Elektromaschine und ein mit der Elektromaschine (AL, M) drehverbindbares zweites Antriebsrad (2), – einen drehrichtungsungebunden betreibbaren Klimakompressor (NC) und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad (3), – ein endlos umlaufendes Zugmittel (4), das die Antriebsräder (1, 2, 3) umschlingt, – und eine ansteuerbare Kupplung (7) zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektromaschine (AL, M) und des Klimakompressors (NC) von der Kurbelwelle (CR), wobei während des Generatorbetriebs die Kupplung (7) geschlossen ist und die Kurbelwelle (CR) die Elektromaschine (AL) und das dritte Antriebsrad (3) in einer Drehrichtung antreibt, und wobei während des Motorbetriebs die Kupplung (7) geöffnet ist und die Elektromaschine (M) das dritte Antriebsrad (3) in umgekehrter Drehrichtung antreibt.