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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, eine Steuerungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Aus der
EP 1 282 772 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem als Riemenstartergenerator ausgebildeten Startergenerator bekannt, wobei einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine eine erste Riemenscheibe zugeordnet ist, wobei einer Welle des Riemenstartergenerators eine zweite Riemenscheibe zugeordnet ist, und wobei ein Riementrieb an diesen beiden Riemenscheiben angreift. Weiterhin ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, ein als Planetengetriebe ausgebildetes Getriebe im Kraftfluss zwischen der Kurbelwelle und der Riemenscheibe, die der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, vorzusehen, um so zum Starten der Brennkraftmaschine an der Kurbelwelle desselben ein hohes Drehmoment bei kleiner Drehzahl bereitzustellen. Nach der
EP 1 282 772 B1 sind dem Planetengetriebe zwei Kupplungen zugeordnet, wobei ein Sonnenrad des Planetengetriebes durch eine erste Kupplung mit einem Gehäuse verbindbar ist, und wobei ein Käfig des Planetengetriebes über eine zweite Kupplung mit einem Hohlrad bzw. Hohlradwelle des Planetengetriebes verbindbar ist. Als Kupplungen können reibschlüssige Kupplungen, formschlüssige Kupplungen, Freiläufe mit Roll- oder Klemmkörper oder auch Fliehkraftkupplungen zum Einsatz kommen.
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Aus der
EP 1 388 655 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem über einen Riementrieb angetriebenen Aggregat und einem über ein Rädergetriebe angetriebenen Nebenaggregat bekannt. Ferner ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, dass das Rädergetriebe, welches dem Antreiben des Nebenaggregats ausgehend von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine dient, eine schaltbare Kupplung umfasst, die in Abhängigkeit von Parameter der Brennkraftmaschine und/oder des Nebenaggregats geschlossen bzw. geöffnet ist.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Brennkraftmaschine, eine neuartige Steuerungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine und ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine schaffen, mit welcher bzw. mit welchem Kraftstoffeinsparpotential genutzt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einer Kurbelwelle, mehrere motorseitige Nebenaggregaten und eine Steuerungseinrichtung, wobei der Kurbelwelle eine Riemenscheibe zugeordnet ist, die über eine schaltbare Kupplung an die Kurbelwelle ankoppelbar und von derselben abkoppelbar ist, wobei jedem Nebenaggregat jeweils eine weitere Riemenscheibe zugeordnet ist, die über mindestens einen Riementrieb mit der der Kurbelwelle zugeordneten Riemenscheibe gekoppelt sind, und wobei die Steuerungseinrichtung bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug die schaltbare Kupplung zum Abkoppeln der Nebenaggregate ausschließlich dann zum Öffnen ansteuert, wenn weder definierte Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt sind noch Vetobedingungen für das Abkoppeln der Nebenaggregate vorliegen.
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Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug Nebenaggregate, die von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über einen Riementrieb angetrieben werden, zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine von der Kurbelwelle abzukoppeln und demnach still zu setzen, wobei das Abkoppeln und Stillsetzen der Nebenaggregate ausschließlich dann erfolgt, wenn einerseits keine definierte Betriebsgrenze von Betriebsparametern verletzt ist und andererseits keine Vetobedingungen für das Abkoppeln der Nebenaggregate von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorliegen. Hierdurch kann unter Gewährleistung der Betriebssicherheit und Funktionssicherheit der Brennkraftmaschine bzw. eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs auf einfache Art und Weise Kraftstoffeinsparpotential genutzt werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung steuert die Steuerungseinrichtung bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug die schaltbare Kupplung zum Abkoppeln eines Startergenerators und der Nebenaggregate ausschließlich dann zum Öffnen derselben an, wenn kumulativ keine der definierten Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt ist und keine der Vetobedingungen für das Abkoppeln des Startergenerators und der Nebenaggregate vorliegt, wohingegen dann, wenn ausschließlich eine einzige der definierten Betriebsgrenzen verletzt ist oder eine der Vetobedingungen vorliegt, die Steuerungseinrichtung die schaltbare Kupplung zum Schließen derselben ansteuert.
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Hierüber kann sicher gestellt werden, dass beim Abkoppeln des Startergenerators und der Nebenaggregate von der Kurbelwelle bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug die Betriebssicherheit und Funktionssicherheit der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
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Vorzugsweise reduziert die Steuerungseinrichtung dann, wenn weder definierte Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt sind noch Vetobedingungen für das Abkoppeln des Startergenerators und der Nebenaggregate vorliegen, vor dem Ansteuern der Kupplung zum Öffnen derselben eine Last des Startergenerators auf Null. Dann, wenn mindestens eine definierte Betriebsgrenze für Betriebsparameter verletzt ist und/oder mindestens eine Vetobedingung vorliegt, synchronisiert die Steuerungseinrichtung über den Startergenerator vor dem Ansteuern der Kupplung zum Schließen derselben die Drehzahl der der Kurbelwelle zugeordneten Riemenscheibe mit der Drehzahl der Kurbelwelle. Die obige Vorgehensweise zum Öffnen und Schließen der schaltbaren Kupplung erlaubt ein besonders bevorzugtes Abkoppeln bzw. Ankoppeln des Startergenerators und der Nebenaggregate an die bzw. von der Kurbelwelle.
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Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine ist in Anspruch 10 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ist in Anspruch 11 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1: einen schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
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2 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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1 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer Brennkraftmaschine, wobei 1 eine Kurbelwelle 10 zeigt, an welcher über eine Kupplung 11 eine Riemenscheibe 12 angreift.
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Die Brennkraftmaschine verfügt über einen Startergenerator 13, der als Riemenstartergenerator ausgeführt ist, wobei dem Startergenerator 13 eine Riemenscheibe 14 zugeordnet ist, die über einen Riementrieb 15 mit der Riemenscheibe 12, die der Kurbelwelle 10 zugeordnet ist, gekoppelt ist.
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Weiterhin zeigt 1 mehrere Nebenaggregate 16 und 16’, denen jeweils eine weitere Riemenscheibe 17 und 17’ zugeordnet ist, wobei die den Nebenaggregaten 16, 16’ zugeordneten Riemenscheiben 17, 17’ über einen weiteren Riementrieb 18 ebenfalls mit der der Kurbelwelle 10 zugeordneten Riemenscheibe 12 gekoppelt sind.
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Der Startergenerator 13 und die Nebenaggregate 16, 16’ können auch über einen gemeinsamen Riementrieb an die der Kurbelwelle 10 zugeordnete Riemenscheibe 12 gekoppelt sein.
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Die der Kurbelwelle 10 zugeordnete Riemenscheibe 12, die bei geschlossener Kupplung 11 an die Kurbelwelle angekoppelt und bei geöffneter Kupplung 11 von der Kurbelwelle abgekoppelt ist, stellt zusammen mit dem Riementrieb 18 und den den Nebenaggregaten 16, 16’ zugeordneten Riemenscheiben 17, 17’ einen schaltbaren, motorseitigen Nebenabtrieb zum Antreiben der Nebenaggregate 16, 16’ bereit. Dieser motorseitige Nebenabtrieb ist über die Kupplung 11 an die Kurbelwelle 10 angekoppelt bzw. abgekoppelt, nämlich bei geschlossener Kupplung 11 an die Kurbelwelle 10 angekoppelt und bei geöffneter Kupplung 11 von der Kurbelwelle 10 abgekoppelt.
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Die Brennkraftmaschine umfasst eine Steuerungseinrichtung 19, mithilfe derer unter anderem das Öffnen und Schließen der Kupplung 11 zum Abkoppeln und Ankoppeln der Nebenaggregate 16, 16' und vorzugsweise des Startergenerators 13 von der Kurbelwelle 10 gesteuert bzw. geregelt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung 19 bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug die schaltbare Kupplung 11 ausschließlich dann zum Öffnen derselben ansteuert, wenn weder definierte Betriebsgrenzen für Betriebsparameter insbesondere der Brennkraftmaschine und/oder sonstiger Aggregate des Kraftfahrzeugs verletzt sind noch Vetobedingungen für das Abkoppeln zumindest der Nebenaggregate 16, 16' von der Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine vorliegen. Diesbezügliche Details werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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Die Steuerungseinrichtung 19 überprüft gemäß dem Blockschaltbild der 2 fortlaufend automatisch definierte Betriebsgrenzen für definierte Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bzw. sonstiger Aggregate des Kraftfahrzeugs. So wird zum Beispiel im Block 21 als definierte Betriebsgrenze für Betriebsparameter ein Ladezustand einer Kraftfahrzeugbatterie überprüft. In einem Block 22 wird als definierte Betriebsgrenze für Betriebsparameter eine Bordnetzlast eines Kraftfahrzeugbordnetzes überprüft. Im Block 23 wird als definierte Betriebsgrenze für Betriebsparameter eine Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine überprüft. In einem Block 24 wird als definierte Betriebsgrenze für Betriebsparameter eine von der Brennkraftmaschine abgegebene Motorleistung überprüft. In einem Block 25 wird überprüft, ob Vetobedingungen für das Abkoppeln der Nebenaggregate 16, 16' und vorzugweise des Startergenerators 13 von der Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine vorliegen, wobei es sich bei diesen Vetobedingungen insbesondere um sicherheitsrelevante Vetobedingungen zur Aufrechterhaltung der Funktionssicherheit des Kraftfahrzeugs und um sicherheitsrelevante zum Bauteilschutz handelt. Als sicherheitsrelevante Vetobedingung zur Aufrechterhaltung der Funktionssicherheit des Kraftfahrzeugs kann zum Beispiel ein Unterdruck für den Bremskraftverstärker des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Als weitere Vetobedingung kann zum Beispiel eine Kühlanforderung einer Klimaanlage berücksichtigt werden. Bei den sicherheitsrelevanten Vetobedingungen zum Bauteilschutz kann es sich um Vetobedingungen zum Schutz einer Leistungselektronik, eines Spannungswandlers oder auch einer Hochspannungsbatterie des Kraftfahrzeugs handeln.
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Sämtliche überwachten Betriebsgrenzen der Blöcke 21 bzw. 24 und sämtlich überwachte Vetobedingungen des Blocks 25 werden in dem Block 26 im Sinne einer UND-Verknüpfung derart miteinander verknüpft, dass die Steuerungseinrichtung 19 bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug die ansteuerbare Kupplung 11 zum Abkoppeln des Startergenerators 13 und der Nebenaggregate 16, 16' ausschließlich dann zum Öffnen derselben ansteuert, wenn kumulativ keine der definierten Betriebsbedingungen für Betriebsparameter der Blöcke 21 bzw. 24 verletzt ist, und wenn weiterhin keine Vetobedingungen für das Abkoppeln des Startergenerators 13 und der Nebenaggregate 16, 16' im Block 25 vorliegt. Dann hingegen, wenn ausschließlich eine einzige der definierten Betriebsgrenzen verletzt ist oder wenn eine einzige Vetobedingung vorliegt, steuert die Steuerungseinrichtung 19 die schaltbare Kupplung 11 zum Schließen derselben an.
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Wie bereits erwähnt, wird in Block 21 als Betriebsparameter der Ladezustand der Kraftfahrzeugbatterie überprüft, wobei die schaltbare Kupplung 11 nur dann geöffnet werden darf, wenn der Ladezustand der Kraftfahrzeugbatterie größer als ein Grenzwert ist. Nur in diesem Fall kann, wenn zusätzlich keine weiteren Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt sind und wenn keine Vetobedingung vorliegt, die Steuerungseinrichtung 19 die Kupplung 11 bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug zum Öffnen ansteuern. Dann hingegen, wenn der Ladezustand der Kraftfahrzeugbatterie kleiner als ein Grenzwert ist, steuert die Steuerungseinrichtung die schaltbare Kupplung 11 zum Schließen derselben an.
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In Block 22 wird, wie bereits erwähnt, als definierte Betriebsgrenze für Betriebsparameter die Bordnetzlast des Kraftfahrzeugs überprüft. Nur dann, wenn die Bordnetzlast kleiner als ein Grenzwert ist, darf die schaltbare Kupplung 11 bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug geöffnet werden. Dann hingegen, wenn die Bordnetzlast größer als ein Grenzwert ist, muss die schaltbare Kupplung 11 geschlossen werden bzw. geschlossen bleiben.
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In Block 23 wird, wie bereits erwähnt, als Betriebsgrenze für Betriebsparameter die Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine überprüft. Dann, wenn die Kühlwassertemperatur kleiner als ein Grenzwert ist und wenn weiterhin keine anderen überwachten Betriebsgrenzen verletzt sind und wenn zusätzlich keine Vetobedingung vorliegt, kann die Steuerungseinrichtung 19 die Kupplung 11 bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug zum Öffnen ansteuern. Dann hingegen, wenn die Kühlwassertemperatur größer als ein Grenzwert ist, steuert die Steuerungseinrichtung 19 die Kupplung 11 zum Schließen an.
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Auf analoge Weise wertet die Steuerungseinrichtung 19 die von der Brennkraftmaschine abgegebene Motorleistung aus. Dann, wenn die abgegebene Motorleistung kleiner als ein Grenzwert ist und wenn weiterhin keine anderen überwachten Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt sind und zusätzlich keine Vetobedingung vorliegt, kann die Steuerungseinrichtung 19 die Kupplung 11 bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug zum Öffnen desselben ansteuern. Ist hingegen die von der Brennkraftmaschine abgegebene Motorleistung größer als ein Grenzwert, so steuert die Steuerungseinrichtung 19 die Kupplung 11 zum Schließen an.
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Wie bereits erwähnt, werden die Betriebsbedingungen der Blöcke 21 bis 24 und die Vetobedingungen des Blocks 25 im Block 26 über eine UND Verknüpfung verknüpft, wobei in Block 27 überprüft wird, ob die Kupplung 11 geöffnet werden darf, wobei dies nur dann der Fall ist, wenn kumulativ keine der überwachten Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt ist und wenn weiterhin keine der Vetobedingungen vorliegt.
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Wird in Block 27 festgestellt, dass die Kupplung 11 geöffnet werden darf, so wird auf Block 28 verzweigt, wobei in Block 28 zunächst die Last des Riemenstartergenerators 13 auf in etwa Null reduziert wird, um anschließend im Block 29 die Kupplung 11 durch entsprechende Ansteuerung über die Steuerungseinrichtung 19 gesteuert oder geregelt zu öffnen. Nach dem Öffnen der Kupplung 11 im Block 29 wird in Block 30 ein Steuerungsflag gesetzt, dass die Kupplung 11 geöffnet ist.
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Wird in Block 27 festgestellt, dass eine der definierten Betriebsbedingungen verletzt ist und/oder eine Vetobedingung vorliegt, dass also die Bedingung zum Öffnen der Kupplung 11 nicht erfüllt ist, so wird ausgehend von Block 27 auf Block 31 verzweigt, wobei in Block 31 überprüft wird, ob die Kupplung 11 geöffnet oder geschlossen ist. Wird in Block 31 festgestellt, dass die Kupplung 11 bereits geschlossen ist, so wird auf Block 35 verzweigt und mit der Überwachung der Betriebsbedingungen im Sinne der Blöcke 21 bis 24 sowie mit der Überwachung der Vetobedingungen in Block 25 fortgefahren.
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Wird hingegen in Block 31 festgestellt, dass die Kupplung 11 geöffnet ist und demnach geschlossen werden muss, so wird ausgehend von Block 31 auf Block 32 verzweigt, wobei in Block 32 über den Riemenstartergenerator 13 die der Kurbelwelle 10 zugeordnete Riemenscheibe 12 zunächst synchronisiert wird, nämlich auf die Drehzahl der Kurbelwelle 10. Mit Abschluss dieser Synchronisierung wird auf Block 33 verzweigt, wobei in Block 33 über die Steuerungseinrichtung 19 die Kupplung 11 geschlossen wird, nämlich geregelt oder gesteuert. Im Anschluss an Block 33 wird auf Block 34 verzweigt, wobei in Block 34 ein Steuerungsflag gesetzt wird, dass die Kupplung geschlossen ist. Alternativ kann das Steuerungsflag des Blocks 30, welches einer geöffneten Kupplung entspricht, gelöscht werden.
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Mit der hier vorliegenden Erfindung werden demnach eine Brennkraftmaschine, eine Steuerungseinrichtung 19 für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei bzw. mit welchen Nebenaggregate 16, 16', die über einen Riementrieb 18 an die Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine gekoppelt sind, ebenso wie der Riemenstartergenerator 13, der ebenfalls über einen Riementrieb 15 an die Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, nur dann bei laufender Brennkraftmaschine und fahrendem Kraftfahrzeug von der Kurbelwelle 10 abgekoppelt werden, wenn weder definierte Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt sind noch Vetobedingungen für das Abkoppeln derselben von der Brennkraftmaschine vorliegen. Hiermit können unter Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit, der Funktionssicherheit sowie unter Gewährleistung eines Bauteilschutzes für definierte Aggregate des Kraftfahrzeugs Kraftstoffeinsparpotentiale genutzt werden. Durch die Abkopplung der Nebenaggregate 16, 16' sowie des Startergenerators 13 können Verluste, die sich bei mitlaufenden und an die Kurbelwelle 10 angekoppelten Riementrieben ergeben, vermieden werden. Hierdurch kann insgesamt der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs bzw. der Brennkraftmaschine in definierten Situationen reduziert werden.
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Die Grenzwerte, bei deren Überschreiten bzw. Unterschreiten die Kupplung 11 geöffnet bzw. geschlossen und demnach der Startergenerator 13 und die Nebenaggregate 16, 16' von der Kurbelwelle 10 abgekoppelt bzw. an dieselbe angekoppelt werden, werden vorzugsweise mit Offset-Werten im Sinne einer Hysterese beaufschlagt, um ein sogenanntes Toggeln zwischen dem Öffnen der Kupplung 11 und dem Schließen derselben zu vermeiden.
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Gegebenenfalls können nach dem Öffnen der Kupplung 11 sowie nach dem Schließen derselben Timer gestartet werden, die Mindestzeiten vorgeben, die nach dem Öffnen der Kupplung 11 bzw. nach dem Schließen derselben verstreichen müssen, damit nachfolgend die Kupplung 11 in entgegen gesetzter Richtung, also nach dem Öffnen derselben zum Schließen und nach dem Schließen derselben zum Öffnen, angesteuert werden kann.
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Sämtliche Grenzwerte können in der Steuerungseinrichtung 19 als fixe Werte hinterlegt sein. Ebenfalls ist es möglich, die entsprechenden Grenzwerte dynamisch auf Grundlage von in der Steuerungseinrichtung 19 hinterlegten Kennfeldern zu ermitteln.
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Die Wahl geeigneter Kennfelder sowie geeigneter Eingangsgrößen für die Kennfelder, auf Grundlage derer die Grenzwerte dynamisch ermittelt werden, obliegt dem hier angesprochenen Fachmann. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, für ein Kennfeld, auf Grundlage dessen der Grenzwert für den Ladezustand einer Kraftfahrzeugbatterie ermittelt wird, abhängig von einer Betriebstemperatur der Kraftfahrzeugbatterie sowie der Zyklisierung von Batteriezellen der Kraftfahrzeugbatterie zu gestalten.
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Mit der Erfindung kann nicht nur ein Kraftstoffeinsparpotential genutzt werden, vielmehr kann dann, wenn eine als Nebenaggregat eine Kühlmittelpumpe zur Kühlung der Brennkraftmaschine durch Öffnen der Kupplung 11 von der Kurbelwelle 10 abgekoppelt werden kann, bei tiefen Außentemperaturen ein schnelles Erhitzen der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur gewährleistet werden, indem zum Motorwarmlauf die Kupplung 11 geöffnet wird, nämlich dann, wenn keine Betriebsgrenzen für Betriebsparameter verletzt sind und keine Vetobedingungen vorliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1282772 B1 [0002, 0002]
- EP 1388655 B1 [0003]
