DE102016219642A1

DE102016219642A1 - Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug und Verfahren

Info

Publication number: DE102016219642A1
Application number: DE102016219642.1A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Uhlenbrock; Frank Brenner; Stefan Wanner; Stefan Coelsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Handtmann Systemtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Handtmann Systemtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit einer dem Verbrennungsmotor (2) zugeordneten Verdichtereinrichtung (6), wobei die Verdichtereinrichtung (6) zumindest einen Verdichter (7) und eine Elektromaschine (10) aufweist, und mit einem elektrischen Speicher (12), der mit der Elektromaschine (10) verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass die Elektromaschine (10) einerseits durch eine erste Kopplungseinrichtung (11) mit dem Verdichter (7) und andererseits durch eine zweite Kopplungseinrichtung (13) mit einer Riemenscheibe (14) eines Riementriebs (15) des Verbrennungsmotors (2) koppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und mit einer dem Verbrennungsmotor zugeordneten Verdichtereinrichtung, wobei die Verdichtereinrichtung zumindest einen Verdichter und eine zumindest dem Verdichter zugeordnete Elektromaschine aufweist, und mit einem elektrischen Speicher, der mit der Elektromaschine verbunden ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der oben genannten Antriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Antriebsvorrichtung beziehungsweise eines derartigen Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
Antriebsvorrichtungen, Kraftfahrzeuge und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um die Luftfüllung im Brennraum von Verbrennungsmotoren zu erhöhen, ist es bekannt, zusätzliche Aufladesysteme beziehungsweise Verdichtereinrichtungen vorzusehen, die einen Ladeluftdruck erhöhen. Durch die erhöhte Luftfüllung kann mehr Kraftstoff eingespritzt und damit die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
Bekannt ist es dabei, dem Verbrennungsmotor als Verdichtereinrichtung einen Abgasturbolader zuzuordnen, welcher vom Abgas des Verbrennungsmotors selbst angetrieben wird. Dazu weist der Abgasturbolader eine Turbine sowie einen Abgasturboladerverdichter auf, der mit der Turbine gekoppelt ist und im Frischlufttrakt des Verbrennungsmotors liegt.
Auch sind Turbolader bekannt, die vom Verbrennungsmotor mechanisch mittels eines Riementriebs angetrieben werden. Diese verbrauchen zusätzlichen Kraftstoff, der die Antriebsenergie vom Verbrennungsmotor selbst erzeugt wird.
Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen ist es außerdem bekannt, Verdichtereinrichtungen vorzusehen, die einen elektromotorisch antreibbaren Verdichter aufweisen. Eine derartige Verdichtereinrichtung hat den Vorteil, dass der Verdichter unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors antreibbar ist und dadurch beispielsweise das sogenannte Turboloch vollkommen überwunden werden kann. Die Ansprechzeit eines elektromotorischen Verdichters ist deutlich schneller als die eines vom Abgas oder Verbrennungsmotor angetriebenen Verdichters.
Aus der Offenlegungsschrift DE 11 2008 001 218 T5 ist beispielsweise eine Antriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt. Dabei ist zwischen der Elektromaschine und dem Verdichter ein Planetenradgetriebe geschaltet, welches die Drehzahl der Elektromaschine auf die benötigten hohen Drehzahlen des Verdichters übersetzt. Das Planetenradgetriebe ist jedoch konstruktiv aufwendig und daher auch kostenintensiv.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine vorteilhafte Einbindung des elektromotorisch betriebenen Verdichters zur Verfügung gestellt wird, welche auf ein kompliziertes Planetenradgetriebe verzichtet. Auch ist nur eine einzige Elektromaschine zum Antreiben des Verdichters notwendig. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Elektromaschine einerseits durch eine erste Kopplungseinrichtung mit dem Verdichter und andererseits durch eine zweite Kopplungseinrichtung mit einer einem Riementrieb des Verbrennungsmotors zugeordneten Riemenscheibe jeweils koppelbar ist.
Die Elektromaschine ist somit beispielsweise durch die jeweilige Kopplungseinrichtung mit dem Verdichter oder mit dem Verbrennungsmotor durch den Riementrieb koppelbar. Auch kann die Elektromaschine sowohl mit dem Verdichter als auch mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt werden. Damit kann der Verdichter, wenn ein verhältnismäßig niedriges Drehzahlniveau gefordert ist, durch den Verbrennungsmotor selbst mittels des Riemenantriebs angetrieben werden, indem beispielsweise beide Kopplungseinrichtungen geschlossen beziehungsweise aktiviert werden, sodass das Antriebsdrehmoment, das durch den Riementrieb auf die Riemenscheibe wirkt, die Elektromaschine und den Verdichter antreibt, sofern die Elektromaschine im Kraftfluss zwischen der Riemenscheibe und dem Verdichter liegt. Für ein höheres Drehzahlniveau wird der Verdichter durch Betätigen der ersten Kopplungseinrichtung nur mit der Elektromaschine gekoppelt beziehungsweise verbunden, die dann frei von der Drehzahl des Verbrennungsmotors den Verdichter auf hohe Drehzahlen bringen kann. Hierdurch wird deutlich, dass auf die Notwendigkeit eines Planetenradgetriebes verzichtet werden kann, und dass unterschiedliche Drehzahlniveaus des Vedichters dennoch vorteilhaft gewährleistet werden können, sodass eine Anpassung an die jeweilige Betriebssituation möglich ist. Als Elektromaschine kann eine Permanent-Elektro-Synchronmaschine, eine geschaltete Reluktanzmaschine oder auch eine Asynchronmaschine oder Klauenpolmaschine eingesetzt werden. Dadurch, dass die Elektromaschine durch die zweite Kopplungseinrichtung mit dem Riementrieb koppelbar ist, ist außerdem auch ein vorteilhafter Rekuperationsbetrieb möglich, bei welchem die Elektromaschine generatorisch betrieben und durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird. Bevorzugt ist der Verdichter ein nach dem Verdrängerprinzip arbeitender Verdichter, insbesondere ein Scroll-Verdichter oder Roots-Gebläse. Alternativ wäre die Ausbildung als Radialverdichter, der nach dem Strömungsprinzip arbeitet, jedoch auch denkbar, wobei dann bevorzugt ein Übersetzungsgetriebe zwischengeschaltet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine zwischen der Riemenscheibe und dem Verdichter angeordnet ist. Hierunter ist zu verstehen, dass die Elektromaschine im Kraftfluss zwischen der Riemenscheibe und dem Verdichter liegt, wenn die beiden Kopplungseinrichtungen die Wirkverbindung zur Kopplung jeweils herstellen. Damit ist, wie zuvor beschrieben, der Verdichter durch den Riementrieb beziehungsweise den Verbrennungsmotor unter Mitschleppen der Elektromaschine antreibbar und es werden die zuvor genannten Vorteile erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Kopplungseinrichtung und/oder die zweite Kopplungseinrichtung als betätigbare Magnetkupplungen ausgebildet sind. Dadurch sind die Kopplungseinrichtungen platzsparend und in der Antriebsvorrichtung einsetzbar. Durch die Ausbildung als Magnetkupplungen weisen diese eine schnelle Reaktionszeit auf und können daher die gewünschten Betriebszustände der Antriebsvorrichtungen insbesondere der Verdichtereinrichtung im laufenden Betrieb schnell und effizient verändern beziehungsweise anpassen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die zweite Kopplungseinrichtung als eine insbesondere drehrichtungsabhängige Freilaufeinrichtung ausgebildet ist. Dadurch kann auf die im Verhältnis zur Freilaufeinrichtung etwas kostenintensivere Magnetkupplung verzichtet werden. Besonders bevorzugt ist die erste Kopplungseinrichtung als Magnetkupplung und die zweite Kopplungseinrichtung als Freilaufeinrichtung ausgebildet. Die Freilaufeinrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass der Verbrennungsmotor durch die Elektromaschine überholt werden kann, die von der Elektromaschine erzeugte Drehzahl also höher sein kann als die des Verbrennungsmotors. Die Elektromaschine kann dann jedoch nicht langsamer drehen als der Verbrennungsmotor und wird dadurch von dem Verbrennungsmotor mitgeschleppt, sobald die Drehzahl der Elektromaschine entsprechend weit fällt. Unter der Drehrichtungsabhängigkeit der Freilaufeinrichtung ist somit die Relativdrehung zwischen Elektromaschine und Verbrennungsmotor beziehungsweise Riemenscheibe zu verstehen. Die Freilaufeinrichtung lässt eine Relativbewegung der beiden nur in eine Drehrichtung zu, in welcher die Elektromaschine schneller als der Verbrennungsmotor läuft. Bei einer entgegengesetzten relativen Drehbewegung wird die Bewegung durch die Freilaufeinrichtung blockiert und dadurch die Elektromaschine vom Verbrennungsmotor mitgeschleppt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Riemenscheibe zwischen der Elektromaschine und dem Verdichter angeordnet ist. Diese Ausführungsform, bei welcher die Riemenscheibe im Kraftfluss zwischen Elektromaschine und Verdichtet liegt, ergibt sich der Vorteil, dass beispielsweise im Rekuperationsbetrieb die Elektromaschine durch den Verbrennungsmotor angetrieben werden kann, ohne dass zusätzlich der Verdichter angetrieben werden muss, wodurch die Effizienz des Rekuperationsbetriebs erhöht wird. In diesem Fall wird dann lediglich die Kopplungseinrichtung zwischen Verdichter und Elektromaschine geöffnet. Die Kopplungseinrichtung, die dann zwischen dem Verdichter und der Riemenscheibe liegt, und durch welche die Elektromaschine dann indirekt mit dem Verdichter verbindbar ist, bleibt für den Rekuperationsbetrieb bevorzugt geöffnet.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass dem Verdichter wenigstens ein schaltbarer Bypass-Kanal zugeordnet ist, der ein verlustfreies Arbeiten der Antriebsvorrichtung, insbesondere des Luftsystems bei Nicht-Verwendung des Verdichters erlaubt. Wird der Bypass-Kanal geöffnet, wird der Luftmassenstrom an dem Verdichter vorbei in dem Verbrennungsmotor zugeführt. Ein dem Bypass-Kanal zugeordnetes Bypass-Ventil ist insbesondere geschlossen, wenn der Verdichter in Betrieb ist, um den Luftmassenstrom dem Verdichter zuzuführen. Ist der Verdichter jedoch nicht in Betrieb, wird der Bypass-Kanal bevorzugt vollständig geöffnet, sodass der Luftmassenstrom an dem Verdichter vorbeiströmen kann. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Verdichter, wie bevorzugt vorgesehen, nach dem Verdrängerprinzip arbeitet. Hierdurch wird die Effizienz der Antriebsvorrichtung insgesamt gesteigert.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass dem Verbrennungsmotor ein Abgasturbolader zugeordnet ist, der eine Turbine und einen von der Turbine antreibbaren Abgasturboladerverdichter aufweist. Damit ist die Verdichtereinrichtung als elektromotorischer Zusatzverdichter in das System der Antriebsvorrichtung integriert, die den Abgasturbolader, der vorzugsweise ein betätigbares Waste-Gate-Ventil aufweist, bei Bedarf unterstützt. Bevorzugt weist die Antriebsvorrichtung ein Steuergerät auf, welches die Kopplungseinrichtungen und die Elektromaschine ansteuert, insbesondere gemäß dem im Folgenden beschriebenen Verfahren. Der Verdichter kann dabei stromaufwärts des Abgasturboladerverdichters oder stromabwärts des Abgasturboladerverdichters strömungstechnisch angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung aus. Es ergeben sich hierbei die bereits genannten Vorteile.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass die Kopplungseinrichtungen und die Elektromaschine in Abhängigkeit von einem Ladezustand des elektrischen Speichers und eines angeforderten Antriebsdrehmoments angesteuert werden. So ist insbesondere vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung zwischen Elektromaschine und Riemenscheibe geschlossen, die Kopplungseinrichtung zwischen Verdichter und Elektromaschine oder Riemenscheibe geöffnet und die Elektromaschine generatorisch betrieben wird, um einen Rekuperationsbetrieb zur Erzeugung elektrischer Energie einzustellen, wenn der Ladezustand des elektrischen Speichers einen vorgebbaren kritischen Wert unterschreitet. Der Rekuperationsbetrieb kann dabei beispielsweise einen reinen Generatorbetrieb der Antriebsvorrichtung, in welchem der Verbrennungsmotor nur dazu angetrieben wird, elektrische Energie zu erzeugen, einen Schubbetrieb, bei welchem der Verbrennungsmotor mitgeschleppt wird, oder in einem Teillastbetrieb durchgeführt werden. Weiterhin wird bevorzugt die Kopplungseinrichtung zwischen Elektromaschine und Riemenscheibe geschlossen, sodass die Verdichtereinrichtung als Starter für den Verbrennungsmotor verwendet wird. Um die Luftfüllung des Verbrennungsmotor zu erhöhen, wird zweckmäßigerweise die Kopplungseinrichtung zwischen Verdichter und Elektromaschine geschlossen und bevorzugt die Kopplungseinrichtung zwischen Riemenscheibe und Elektromotor oder Verdichter geöffnet, sodass die Drehzahl des Verdichters unabhängig vom Verbrennungsmotor erhöht wird. Zur Durchführung eines mechanischen Turboladerbetriebs wird die Kopplunsgeinrichtung zwischen der Riemenscheibe und dem Verdichter und gegebenenfalls der Elektromaschine geschlossen, sodass der Verdichter durch den Verbrennungsmotor mechanisch angetrieben wird. Für eine Drehmomentunterstützung wird bevorzugt die Kopplungseinrichtung zwischen Elektromaschine und Riemenscheibe geschlossen und insbesondere zum Verdichter geöffnet, sodass durch die Elektromaschine ein unterstützendes Antriebsdrehmoment in den Riementrieb eingeleitet werden kann, welches dem Verbrennungsmotor unterstützt. Hierdurch ist insbesondere auch ein rein elektrischer Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs möglich, bei welchem beispielsweise der Verbrennungsmotor durch die elektrische Maschine mitgeschleppt wird. Sind beide Kopplungseinrichtungen geschlossen, wird durch die Verdichtereinrichtung sowohl der Ladedruck erhöht und die elektrische Maschine wird entweder durch den Verbrennungsmotor angetrieben oder stellt ein unterstützendes Drehmoment bereit.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 die Antriebsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 die Antriebsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
4 die Antriebsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
5 ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 das vorteilhafte Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
7 da Verfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Antriebsvorrichtung 1 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Die Antriebsvorrichtung 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 auf, welchem ein Abgasturbolader 3 zugeordnet ist. Der Abgasturbolader weist eine Turbine 4 auf, die mit einem Verdichter 5 mechanisch gekoppelt ist, wobei die Turbine 4 im Abgastrakt des Verbrennungsmotors 2 und der Verdichter 5 im Frischlufttrakt des Verbrennungsmotors 2, wie durch Pfeile gezeigt, angeordnet ist. Optional vorhandene Kühler, insbesondere Vorkühler und/oder Ladeluftkühler, sind in 1 nicht gezeigt.
Dem Verbrennungsmotor 2 ist weiterhin eine zusätzliche Verdichtereinrichtung 6 zugeordnet, die einen Verdichter 7 aufweist. Der Verdichter 7 liegt stromabwärts des Abgasturboladerverdichters 5 im Frischluftpfad des Verbrennungsmotors 2, wobei der Verdichter 7 durch einen Bypass-Pfad 8 mittels eines schaltbaren Bypass-Ventils 9 umgehbar ist.
Die Verdichtereinrichtung 6 weist weiterhin eine Elektromaschine 10 auf, die durch eine Kopplungseinrichtung 11 mit dem Verdichter 7 mechanisch koppelbar beziehungsweise wirkverbindbar ist. Vorliegend ist die Kopplungseinrichtung 11 als Magnetkupplung ausgebildet. Die Elektromaschine 10 ist mit einem elektrischen Speicher 12 verbunden, welcher die elektrische Maschine 10 in einem motorischen Betrieb mit elektrischen Energie versorgt, und in einem generatorischen Betrieb der Elektromaschine 10 von dieser erzeugt die elektrische Energie zur Speicherung aufnimmt.
Die Elektromaschine 10 ist weiterhin durch eine Kopplungseinrichtung 13 mit einer Riemenscheibe 14 verbindbar, die in einem Riementrieb 15 des Verbrennungsmotors 2 eingebunden ist. Der Riementrieb 15 ist hierbei durch eine gestrichelte Linie angezeigt. Die Kopplungseinrichtung 13 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls als betätigbare Magnetkupplung ausgebildet.
Die Elektromaschine 10 sowie die Kopplungseinrichtungen 11, 13 werden durch ein Steuergerät 16 betrieben, welches beispielsweise das Steuergerät der Antriebsvorrichtung 1 beziehungsweise ein Motorsteuergerät des Kraftfahrzeugs ist.
Wird die Kopplungseinrichtung 13 betätigt, sodass die Wirkverbindung zwischen Riemenscheibe 14 und Elektromaschine 10 hergestellt ist, treibt der Verbrennungsmotor 2 die Elektromaschine 10 mit an, sodass diese in einem generatorischen Betrieb elektrische Energie erzeugt. Wird hingegen die Elektromaschine 10 in diesem Zustand motorisch angetrieben, so wird der Verbrennungsmotor 2 durch die Elektromaschine 10 angetrieben, sodass die Elektromaschine 10 in diesem Fall auch als Starter-Motor für den Verbrennungsmotor 2 dienen beziehungsweise genutzt werden kann.
Wird die Elektromaschine 10 nicht oder generatorisch betrieben, und ist die Kopplungseinrichtung 11 außerdem geschlossen, so wird zusätzlich der Verdichter 7 angetrieben, welcher die von dem Abgasturbolader 5 kommende Ladeluft weiter verdichtet und dem Verbrennungsmotor 2 zuführt, sofern das Bypass-Ventil 9 den von dem Abgasturbolader-Verdichter 5 kommenden Luftstrom dem Verdichter 7 zuführt. Wird die Kopplungseinrichtung 13 nun geöffnet beziehungsweise deaktiviert, so ist die Wirkverbindung zwischen Riemenscheibe 14 und Elektromaschine 10 aufgehoben ist und die Elektromaschine 10 unabhängig vom Verbrennungsmotor 2 betreibbar, wodurch insbesondere hohe Drehzahlen des Verdichters 7 mittels der Elektromaschine 10 eingestellt werden können, die oberhalb der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 liegen. In diesem Fall arbeitet die Verdichtereinrichtung 1 als elektromotorischer Zusatzverdichter, welcher die Ladeluftfüllung des Elektromotors 2 erhöht, um beispielsweise eine besonders hohe Leistung vom Verbrennungsmotor 2 anzufordern.
Der Verdichter 7 ist vorliegend als Zusatzverdichter mit Verdrängerprinzip, also insbesondere als Spiralverdichter, Roots-Gebläse oder dergleichen, ausgebildet, der nicht nur verdichtend arbeiten kann, sondern auch in einem Expansionsbetrieb laufen kann. Für den Expansionsbetrieb wird das Bypass-Ventil geschlossen oder weitestgehend geschlossen und eine Drosselklappe 18 des Verbrennungsmotors 2 geöffnet oder weitestgehend geöffnet, sodass Drosselverluste bei geschlossener Kopplungseinrichtung 11 in elektrische Energie gewandelt werden.
2 zeigt die Verdichtereinrichtung 6 in einer vereinfachten Darstellung. Dabei entspricht in diesem Ausführungsbeispiel die Verdichtereinrichtung 6 der in 1 gezeigten Ausführungsform. Hierbei ist zu erkennen, dass die Elektromaschine 10 im Kraftfluss zwischen dem Verdichter 7 und der Riemenscheibe 14 liegt. Ein Antreiben des Verdichters 7 durch den Verbrennungsmotor 2 ist daher mechanisch nur dann möglich, wenn beide Kopplungseinrichtungen 11, 13 geschlossen beziehungsweise aktiviert sind und die Elektromaschine 10 in einen Leerlaufbetrieb geschaltet wird.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verdichtereinrichtung 6, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die Kopplungseinrichtung 13 nicht als Magnetkupplung oder Reibkupplung ausgebildet ist, sondern als Freilaufeinrichtung 17, welche eine Drehzahldifferenz zwischen der Riemenscheibe 14 und der Elektromaschine 10 in nur eine Richtung/Drehrichtung erlaubt. Die Freilaufeinrichtung 17 ist dabei vorliegend derart ausgebildet, dass der Verbrennungsmotor durch die Elektromaschine 10 überholt werden kann, die Elektromaschine 10 also eine höhere Drehzahl aufweist als der Verbrennungsmotor 2. Damit ist ein Antreiben des Verdichters 7 unabhängig vom Verbrennungsmotor 2 über dessen Drehzahl hinaus auf einfache Art und Weise gewährleistet.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verdichtereinrichtung 6, das sich von dem Ausführungsbeispiel von 2 dadurch unterscheidet, dass nunmehr die Riemenscheibe 14 in Kraftfluss zwischen dem Verdichter 7 und der Elektromaschine 10 liegt, also zwischen diesen beiden angeordnet ist. Mit anderen Worten sind Elektromaschine 10 und Riemenscheibe 3 vertauscht angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Verdichter 7 durch den Verbrennungsmotor 2 auch unabhängig von der Elektromaschine 10 antreibbar ist. Ebenso ist die Elektromaschine 10 unabhängig von dem Verdichter 7 durch den Verbrennungsmotor 2 antreibbar, was sich beispielsweise in einem Rekuperationsbetrieb als vorteilhaft erweist, weil dadurch von dem Verdichter 7 erzeugten Verluste umgangen werden.
Das Steuergerät 16 steuert die Verdichtereinrichtung 6 insbesondere in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Speichers 12 und eines von der Antriebsvorrichtung 1 geforderten Antriebdrehmoments an. Dabei sind insbesondere die folgenden Vorgehensweisen vorgesehen:
Bei einem niedrigen Ladezustand, insbesondere unterhalb eines kritischen Werts, wird die Elektromaschine 10 bevorzugt generatorisch betrieben, um elektrische Energie für den Speicher 12 zu erzeugen. Je nach Ausgestaltung der Verdichtereinrichtung 6 werden dazu die Kopplungseinrichtungen 11, 13 wie zuvor beschrieben geschlossen oder geöffnet, um eine möglichst hohe Energieausbeute zu erreichen. In dieser Situation wird nur ein kurzer motorischer Betrieb der Elektromaschine 10 beim Erhöhen der Leerluftfüllung erlaubt.
Bei einem niedrigen Ladezustand und einer mittleren Drehmomentanforderung, werden die Kopplungseinrichtungen 11, 13 derart geschlossen, dass die Elektromaschine 10 generatorisch durch den Verbrennungsmotor 2 und der Verdichter 7 angetrieben werden, um die Leerluftfüllung und damit die Leistung des Verbrennungsmotors 2 zu erhöhen und gleichzeitig Strom zu erzeugen.
Bei einem Mindest- beziehungsweise minimalen Ladezustand, wird die Verdichtereinrichtung 6 dazu angesteuert, Energie zu erzeugen, die Elektromaschine 10 also generatorisch betrieben, wobei bevorzugt der Verdichter 7 durch Öffnen einer der Kopplungseinrichtungen 11, 13 aus der Wirkkette gelöst wird, um die vorhandene mechanische Energie maximal durch die Elektromaschine 10 generatorisch ausnutzen zu können. Die kann sowohl bei Teillast als auch bei hoher Last genutzt werden.
Bei Volllast wird bevorzugt die Elektromaschine 10 durch Öffnen der jeweiligen Kopplungseinrichtungen 11, 13 mechanisch entkoppelt, sodass die von dem Verbrennungsmotor 2 zur Verfügung gestellte Leistung maximal für den Antrieb genutzt werden kann. Bei minimalem Ladezustand und gleichzeitig maximaler Drehmomentanforderung wird die Elektromaschine 10 vorzugsweise aus der Verdichtereinrichtung 6 mechanisch entkoppelt und der Verdichter 7 mit dem Verbrennungsmotor 2 gekoppelt, um die maximal mögliche Leistung des Verbrennungsmotors 2 zu erreichen. Dies ist insbesondere bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in 4 gezeigt ist, einfach möglich.
Weist der Speicher 12 einen hohen Ladezustand auf, ist eine vorteilhafte Lastpunktverschiebung der Antriebsvorrichtung 1 möglich, indem durch das Schließen beispielsweise der Kopplungsvorrichtung 13 die Elektromaschine 10 mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden ist und den Verbrennungsmotor 2 durch ein positives Drehmoment unterstützt oder durch ein negatives Drehmoment unter Stromerzeugung bremst. Bei einer niedrigen Teillast wird die mechanische Kopplung bevorzugt gelöst und ein rein elektrischer Verdichterbetrieb der Verdichtereinrichtung 1 eingestellt, sodass die Verdichtereinrichtung 1 als elektrischer Zusatzverdichter arbeitet. Bei einem maximal möglichen Ladezustand des Speichers 12 wird die Verdichtereinrichtung 1 so oft und lange wie möglich als elektrischer Zusatzverdichter eingesetzt, und keine oder nur kurzzeitige Rekuperationsvorgänge durchgeführt.
Bei längerer vorhandener Teillast, beispielsweise mit Geschwindigkeiten von circa 40 bis 120 km/h, sollte vorwiegend ein pneumatischer Rekuperationsbetrieb (Expansionsbetrieb) genutzt werden, der zuvor bereits erläutert wurde. Bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten, insbesondere von weniger als 60 km/h ist die Stromerzeugung durch Lastpunktverschiebung sehr effizient. Bei wechselnden Geschwindigkeiten (transienten Betrieb) bieten sich Bremsrekuperation und Schubrekuperation an. Der rekuperierte Strom sollte je nach Lastanforderung vom Fahrer in Abhängigkeit des Ladezustands des Speichers 12 sinnvoll eingesetzt werden, sodass möglichst wenig Kraftstoff verbraucht wird.
Wenn für Zwischenspurts kurzeitig höhere Antriebsdrehmomente erforderlich sind, wird bevorzugt der gespeicherte Strom durch Nutzung der Elektromaschine als Antriebsmaschine in verschiedenen Betriebsmodi, wie beispielsweise als elektrischer Zusatzverdichter, als den Verbrennungsmotor 2 unterstützende Antriebsmotor mit oder ohne Kompressorbetrieb genutzt werden. Bei sehr niedrigen Lasten beziehungsweise geforderten Antriebsdrehmomenten kann der Verbrennungsmotor 2 auch abgeschaltet und die im Speicher gespeicherte Energie für einen rein elektrischen Fahrbetrieb mittels der Elektromaschine 10 durch Aktivieren beziehungsweise Schließen, insbesondere der Kopplungseinrichtung 13, eingesetzt werden.
5 zeigt in einem Diagramm ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der Antriebsvorrichtung 1, bei welchem in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC) und einem angeforderten Antriebsdrehmoment M_d die Verdichtereinrichtung angesteuert wird. Dabei ist in dem Diagramm der Ladezustand von 0 bis maximal und das Antriebsdrehmoment von 0 bis maximal beziehungsweise von Teillast bis Volllast (TL, VL) aufgetragen.
Befindet sich der aktuelle Betriebspunkt, der sich aus dem Ladezustand und dem angeforderten Antriebsdrehmoment ergibt, in dem Feld F1, so wird die Verdichtereinrichtung 1 rein elektrisch als elektrischer Zusatzverdichter angesteuert, indem insbesondere die Kopplungsvorrichtung 11 geschlossen und die Kopplungseinrichtung 13 geöffnet wird.
Liegt der Betriebspunkt im Feld F2, wird die Kopplungseinrichtungen 11 und 13 derart betätigt, dass der Verbrennungsmotor 2 den Verdichter 7 mechanisch antreibt, sodass der Verdichter 7 auf herkömmliche beziehungsweise konventionelle Art und Weise angetrieben wird.
Liegt der Betriebspunkt im Feld F3, ergibt sich ein Mischbetrieb aus mechanischem Antrieb des Verdichters 7 durch den Verbrennungsmotor und unterstützendem elektrischen Betrieb durch die Elektromaschine 10.
Liegt der Betriebspunkt im Feld F4, so wird die Verdichtereinrichtung 6 als elektrische Zusatzverdichter angesteuert, sodass die Elektromaschine 10 den Verdichter 7 antreibt, und zusätzlich den Verbrennungsmotor 2 unterstützt.
Liegt der Betriebspunkt im Feld F6, also bei hohen Lasten und hohem Ladezustand, so wird die Verdichtereinrichtung 6 derart angesteuert, dass die Elektromaschine 10 motorisch den Verdichter 7 antreibt und zusätzlich der Abgasturbolader hinzugeschaltet wird. Durch ein nicht dargestelltes Waste-Gate-Ventil kann der Abgasturbolader 3 aktiviert und deaktiviert werden, indem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 2 der Turbine 4 zugeführt oder an dieser vorbeigeführt wird, je nach Betätigung des Waste-Gate-Ventils. Dadurch ist auch die Unterstützung des Abgasturboladers 3 insbesondere durch das Steuergerät 16 beeinflussbar.
Liegt der Betriebspunkt im Feld F7, bei niedrigen Ladeständen und mittlerer bis hoher Drehmomentanforderung, wenn die Kopplungseinrichtung 11, 13 derart betätigt, dass der Verdichter mechanisch durch den Verbrennungsmotor 2 angetrieben und zusätzlich der Abgasturbolader 3 durch Betätigen eines Waste-Gate-Ventils aktiviert wird.
Wird der Ladezustand noch niedriger, so fällt der Betriebspunkt in das Feld F8, innerhalb dessen zusätzlich die elektrische Maschine 10 generatorisch betrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen.
5 zeigt dabei die Ansteuerung für den Fall, dass eine kurzzeitige Unterstützung durch die Verdichtereinrichtung 6 angefordert wird.
6 unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch, dass nunmehr eine längere Zeitdauer der Unterstützung erwartet oder angefordert wird. Dadurch verschieben sich die Felder F1 bis F8, wie in 6 gezeigt. Dabei ergibt sich ein weiteres Feld F5, in welchem die Verdichtereinrichtung 6 als elektrischer Zusatzverdichter betrieben und zusätzlich das Waste-Gate-Ventil des Abgasturboladers 3 geöffnet wird, sodass die Ladeluft des Verbrennungsmotors 2 allein durch den Verdichter 7 erhöht wird. Liegt der Betriebspunkt im Feld F2, kann zusätzlich auch durch Schließen des Waste-Gate-Ventils der Abgasturbolader 3 hinzugefügt werden.
Das in 7 gezeigte Diagramm gilt für den Fall, dass ein Rekuperationsbetrieb vorliegt, in welchem möglichst viel elektrische Energie erzeugt werden soll. Entsprechend verschieben sich dort die Felder, wie in 7 gezeigt.
Gemäß einem weiteren Anwendungsbeispiel werden bevorzugt beide Kopplungseinrichtungen 11 und 13 geschlossen und die Elektromaschine 10 motorisch betrieben, was bei einer kurzzeitigen Anwendung dem Betrieb im Feld F6 entspricht. Hierdurch wird ein besonders schneller Momentenaufbau innerhalb von bis zu 0,3 Sekunden im Verbrennungsmotor ermöglicht. Hierdurch können Turbolöcher effektiv überwunden werden.
In einem weiteren Betriebszustand beziehungsweise in einem weiteren vorteilhaften Ansteuerverfahren werden die Kopplungseinrichtungen 11 und 13 geschlossen und die Elektromaschine 10 nicht aktiviert, insbesondere bei Langzeitanwendungen im Feld F7, sodass der Abgasturbolader und der Kompressor für einen Ladedruckaufbau sorgen. Dies ist vergleichbar mit einer Register-Turbo-Aufladung für höchste Literleistungen von mehr als 150PS/Liter und hohem Downsizing-Potential.
In einer weiteren Betriebsart wird ein pneumatischer Rekuperationsbetrieb eingestellt, wozu nur die Kopplungseinrichtung zwischen Elektromotor 10 und Verdichter 7 geschlossen und die verbleibende Kopplungseinrichtung geöffnet ist. Hierdurch kann verlustfrei dauerhaft Strom erzeugt werden, was zu einer Kraftstoffeinsparung von bis zu 1% führt.
Allgemein ist vorgesehen, dass so viel Strom wie möglich durch die vier verlustfreien Betriebsmodi Schub-Rekuperation, Brems-Rekuperation, pneumatische (Expansions-Rekuperation) und Abbremsen des Laufzeugs der Verdichtereinrichtung 6 erzeugt werden. Wenn dies nicht ausreicht, wird eine verlustarme Lastpunktverschiebung in der niedrigen Teillast hinzugenommen. Erst wenn dies immer noch nicht ausreicht, wird bevorzugt mit üblichen Verlusten beziehungsweise Kraftstoffverbrauch bis hin zu hohen Lasten generatorisch Strom erzeugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112008001218 T5 [0007]

Claims

Antriebsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit einer dem Verbrennungsmotor (2) zugeordneten Verdichtereinrichtung (6), wobei die Verdichtereinrichtung (6) zumindest einen Verdichter (7) und eine Elektromaschine (10) aufweist, und mit einem elektrischen Speicher (12), der mit der Elektromaschine (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (10) einerseits durch eine erste Kopplungseinrichtung (11) mit dem Verdichter (7) und andererseits durch eine zweite Kopplungseinrichtung (13) mit einer Riemenscheibe (14) eines Riementriebs (15) des Verbrennungsmotors (2) koppelbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) zwischen der Riemenscheibe (14) und dem Verdichter (7) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungseinrichtung (11) und/oder die zweite Kopplungseinrichtung (13) jeweils als betätigbares Magnetkupplung ausgebildet sind.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kopplungseinrichtung (13) als eine insbesondere drehrichtungsabhängige Freilaufeinrichtung (17) ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenscheibe (14) zwischen der Elektromaschine (10) und dem Verdichter (7) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (7) wenigstens ein schaltbarer Bypass-Kanal zugeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbrennungsmotor (2) ein Abgasturbolader (3) zugeordnet ist, der eine Turbine (4) und einen von der Turbine (4) antreibbaren und Abgasturbolader-Verdichter (5) aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, oder einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtungen (11, 13) und die Elektromaschine (10) in Abhängigkeit von einem Ladezustand des elektrischen Speichers (12) und von einem angeforderten Antriebsdrehmoment betrieben werden.