DE102017120754A1

DE102017120754A1 - Kompressorsystem und Verfahren zum Betreiben eines Kompressorsystems

Info

Publication number: DE102017120754A1
Application number: DE102017120754.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Auerswald; Thomas Esche
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kompressorsystem (1) zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs umfassend ein Kompressor (2) mit einer Kompressorwelle (7), eine Kupplung (3) und eine Hilfsvorrichtung (4), wobei das Kompressorsystem (1) über eine Antriebswelle (5) von dem Antriebsmotor (6) des Nutzfahrzeugs antreibbar ist und die Kompressorwelle (7) des Kompressors (2) durch die Kupplung (3) vollständig von dem Antriebsmotor (6) entkoppelbar ist.Um den Aufbau und die Funktion eines Kompressorsystems zu verbessern wird vorgeschlagen, dass die Hilfsvorrichtung (4) mit der Kompressorwelle (7) koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die Hilfsvorrichtung (4) eine E-Maschine (8) umfasst, die zumindest teileweise zum Antrieb des Kompressors (2) einsetzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kompressorsystem zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs mit einem Kompressor, einer Kupplung und einer Hilfsvorrichtung, wobei das Kompressorsystem über eine Antriebswelle des Kompressors von dem Antriebsmotor des Nutzfahrzeugs antreibbar ist und der Kompressor durch die Kupplung vollständig von dem Antriebsmotor entkoppelbar ist.
Es ist bekannt, dass wesentliche Teilsysteme eines Nutzfahrzeugs mit Druckluft betrieben werden. Dazu gehören beispielsweise eine druckluftbetriebene Betriebsbremse und eine Luftfederung. Die benötigte Druckluft wird durch eine auf die Fahrzeugkonfiguration ausgelegte Druckluftversorgungseinrichtung bereitgestellt.
Der Kompressor bzw. Luftverdichter wird mechanisch von einem Antriebsmotor des Nutzfahrzeugs angetrieben. Bekannt sind ebenfalls Kompressorsysteme die zwischen Antrieb und Kompressor eine Kupplung aufweisen. Ein solches System wird beispielsweise in der EP 2 986 850 A1 oder der EP 2 300 711 A1 vorgeschlagen.
Der Bedarf an Druckluft innerhalb des Nutzfahrzeugs, wie z.B. einem Stadtbus oder LKW, unterliegt starken Schwankungen, durch die im Normalbetrieb kein Dauerbetrieb des Kompressors erforderlich ist. Um die Kompressorlaufzeit zu optimieren, werden die Kompressorgröße und das Übersetzungsverhältnis an die Systemanforderungen angepasst, so dass die maximal erlaubte Drehzahl des Kompressors nicht überschritten wird.
Insbesondere nach einer längeren Standzeit des Fahrzeuges, ist es erforderlich das Druckluftsystem bzw. den Druckluftspeicherbehälter zu befüllen, da dieser durch Undichtigkeiten regelmäßig Druckluft verliert. Dieser Befüllvorgang findet in Stillstand des Fahrzeuges statt und dauert in der Regel lange, da die Fördermenge des Kompressors von der Drehzahl des Fahrzeuges abhängt. Im Leerlauf, bei ca. 500U/min, ist diese Fördermenge entsprechend gering und somit die Befüllzeit unerwünscht lange. Zudem ist die Umweltbelastung verhältnismäßig hoch.
Aber auch im Betrieb kommen der Kompressorgrösse und dem Übersetzungsverhältnis eine entscheidende Bedeutung zu, denn diese bestimmen unter anderem die Schalthäufigkeit der Kupplung. So ist aus der EP 2 234 855 A1 ein Kompressorsystem bekannt, bei dem zur Vermeidung von mechanischer und thermischer Überlastung des Kompressors, dieser beim Betrieb oberhalb einer maximalen Drehzahl nur noch zeitweise geschaltet wird.
Es ist festzustellen, dass es noch viel zu tun gibt, um ein Kompressorsystem für ein Fahrzeug zu verbessern und dessen Effizienz zu steigern.
Deshalb besteht ein Zweck der vorliegenden Erfindung darin, den Aufbau und die Funktion eines Kompressorsystems zu verbessern, um mindestens einige der obigen Probleme zu lösen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Kompressorsystem gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Leistungsaufnahme beim Starten eines Kompressors relativ hoch ist und während des Betriebes eine geringere Leistungsaufnahme erforderlich ist, wenn die Reibungsverluste erst einmal überwunden sind.
Erfindungsgemäß wird ein Kompressorsystem zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs beansprucht, das ein Kompressor mit einer Kompressorwelle, eine Kupplung und eine Hilfsvorrichtung umfasst, wobei das Kompressorsystem über eine Antriebswelle von dem Antriebsmotor des Nutzfahrzeugs antreibbar ist und die Kompressorwelle durch die Kupplung vollständig von dem Antriebsmotor entkoppelbar ist.
Zur Verbesserung des Kompressorsystems wird vorgeschlagen, dass die Hilfsvorrichtung mit der Kompressorwelle koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die Hilfsvorrichtung eine E-Maschine umfasst, die zumindest teilweise zum Antrieb des Kompressors einsetzbar ist.
Durch diesen Aufbau wird es möglich den Kompressor mit dem Verbrennungsmotor zu starten und dann mittels der E-Maschine weiter zu betreiben. Es kann vorgesehen sein, dass die Kupplung dabei so lange geschlossen bleibt, bis die Drehzahl der E-Maschinen die Drehzahl des Verbrennungsmotors aufweisen. Anschließend kann die Kupplung geöffnet werden und der Kompressor wird allein mittels der E-Maschine angetrieben. Die Baugröße der E-Maschine kann bei dieser Betriebsweise kleiner gewährt werden, da sie nicht das relativ hohe Drehmoment beim Start des Kompressors aufbringen muss.
Ein weiter Vorteil dieses Aufbaus ist es, dass die Drehzahl des Kompressors 2 von der Drehzahl des Antriebsmotors entkoppelt werden kann, so dass die Kompressorauslegung auf einen bestimmten Drehzahlbereich optimal ausgelegt werden kann.
Die Kompressorwelle weist vorzugsweise eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite auf, wobei an die Eingangsseite die Hilfsvorrichtung und an die Ausgangsseite der Antriebsmotor, zum Antrieb des Kompressors, koppelbar oder gekoppelt sind. Die Hilfsvorrichtung ist somit in dieser Ausführung abtriebsseitig des Kompressors angeordnet.
Bezogen auf das Gehäuse des Kompressors kann an der Eingangsseite und Ausgangsseite jeweils eine Kopplungsebene vorgesehen sein, an denen die Gehäuse von Hilfsvorrichtung, Verbrennungsmotor und/oder andere Aggregate befestigt sind.
In einer zweiten möglichen Anordnung kann die Hilfsvorrichtung zwischen Kupplung und Kompressor angeordnet sein. Bei dieser Anordnung kann an die Abtriebsseite ein weiteres Nebenaggregat gekoppelt werden.
In beiden möglichen Anordnungen kann die Hilfsvorrichtung die E-Maschine und eine Koppelvorrichtung aufweisen, die zwischen E-Maschine und Kompressor angeordnet ist.
Bei der Koppelvorrichtung kann es sich um eine weitere Kupplung oder einen Freilauf handeln, wobei je nach verwendeter Koppelvorrichtung, bei den unterschiedlichen Ausführungen unterschiedliche Betriebszustände ermöglicht werden, die nachfolgend in der Figurenbeschreibung erläutert werden.
Die E-Maschine kann ein Scheibenläufer und/oder der Kompressor ein Hubkolbenkompressor, ein Schraubenkompressor oder Scrollkompressor sein. Der Kompressor kann aber auch ein zweistufiger Hubkolbenkompressor sein, dies ist besonders vorteilhaft, da durch die Zweistufigkeit ein geringeres Drehmoment notwendig ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kompressorsystems zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs vorgeschlagen, entsprechend einer der oben beschriebenen Ausführungen. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst folgende Schritte:

- schließen der Kupplung unter Berücksichtigung vorgebbarer Bedingungen für den Start des Kompressorbetriebs
- zuschalten der E-Maschine
- öffnen der Kupplung unter Berücksichtigung vorgebbarer Bedingungen

Bei dem Verfahren wird davon ausgegangen, dass der Verbrennungsmotor des Nutzfahrzeugs läuft und der Kompressor ausgeschaltet ist. Weiterhin werden unter dem Zuschalten der E-Maschine verstanden, dass die Kupplung der Hilfsvorrichtung geschaltet und/oder die E-Maschine bestromt wird.
In der Ausführungsvariante in der die Hilfsvorrichtung eine Kupplung umfasst und zwischen der ersten Kupplung und dem Kompressor angeordnet ist, ist unter dem Verfahrensschritt „schließen der Kupplung“ zu verstehen, dass beide verbauten Kupplungen geschlossen werden.
Das Schließen der Kupplung kann unter Berücksichtigung zumindest einer der nachfolgenden Größen erfolgen:

- Motortemperatur
- Kompressortemperatur
- Antriebswellendrehzahl
- Geschwindigkeit des Fahrzeugs
- Streckenprofil oder GPS-Daten
- Druckniveau im Druckspeicher des Kompressorsystems

Weiterhin kann beim Vorhandensein einer Kupplung in der Hilfseinrichtung das Schließen dieser Kupplung unter Berücksichtigung zumindest einer der nachfolgenden Größen erfolgt:

- Differenzdrehzahl von E-Maschine zu Antriebswellendrehzahl
- Zustand der Energieversorgungseinheit für die E-Maschine
- Druck im Kompressorsystem
- nicht mitschleppen
- Batterieladung (Stromerzeugung)
- reiner Elektroantrieb
- Drehzahl V-Motor zu hoch (nur E-Antrieb mit niedriger Drehzahl)

Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weitere Vorteile der Erfindung in Bezug auf das Verfahren ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
In diesen zeigen:

1a-c Ausführungsvarianten -Hilfsvorrichung hinter Kompressor
2a-c Ausführungsvarianten -Hilfsvorrichung vor Kompressor

1 a-c zeigt drei unterschiedliche Ausführungsvarianten bei denen die Hilfsvorrichtung (4) hinter dem Kompressor (2) angeordnet ist. Wie in 1a gezeigt, besteht die Hilfsvorrichtung im einfachsten Fall aus einer an die Kompressorwelle ausgangsseitig gekoppelte E-Maschine. Wird die Kupplung 3 geschlossen, dreht sich die Kompressorwelle 7 sowie der Rotor der E-Maschine 8. Solange die E-Maschine 8 nicht eingeschaltet bzw. bestromt wird, läuft der Rotor einfach im Leerlauf mit.
Das Schalten der Kupplung 3 in die Schließstellung erfolgt erfindungsgemäß erst wenn bestimmte Bedingungen gegeben sind. Über eine nicht dargestellte Steuerung kann die Schaltung derart gesteuert werden, dass unterschiedliche Größen bzw. Messwerte berücksichtigt werden. Die Auswahl kann entsprechend den geforderten Betriebskonzepten erfolgen. So ist es für alle Ausführungsvarianten 1a-c und 2a-c sinnvoll den Motor erst auf eine bestimmte Motortemperatur zu bringen und dann die Kupplung zu schalten, um den Motor in der Warmlaufphase nicht zu überlasten bzw. um die Gesamtschadstoff-Emissionen zu reduzieren.
Weiterhin gilt für alle Varianten dass im Betrieb des Fahrzeuges die Steuerung dafür sorgt, dass immer ein definierbarer Druck im Druckbehälter des Kompressorsystems herrscht, um alle Funktionen des Fahrzeugs sicherzustellen. Das bedeutet, dass der Kompressor von dem Verbrennungsmotor und/oder der E-Maschine angetrieben wird sobald der Druck im System unter einen bestimmten Wert fällt und wieder abgeschaltet wird, wenn ein oberes Druckniveau erreicht ist.
Ob der Antrieb vom Verbrennungsmotor und/oder E-Maschine aus erfolgt, kann von vielen Parametern oder Größen abhängig gemacht werden.
Die Zuschaltung der E-Maschine 8 erfolgt in den Varianten 1a, 1c, 2a-c durch das Einschalten bzw. Bestromen der E-Maschine und in der Variante 1b durch die zusätzliche Schaltung der Kupplung 9.
Bezogen auf die Drehzahl und das Antriebsmoment durch die E-Maschine ergeben sich bei den Varianten unterschiedliche Bedingungen, für alle gleich ist aber, dass der Kompressor 2 durch Öffnen der Kupplung 3 vom Verbrennungsmotor bzw. dem Fahrzeugantriebsstrang getrennt wird, wobei dies unter Berücksichtigung verschiedener vorgebbaren Bedingungen erfolgen kann.
In den Varianten 1c und 2c ist ein Freilauf zwischen Kompressor und E-Maschine angeordnet. In 1c ist die E-Maschine dadurch so lange vom Triebstrang entkoppelt, bis die Drehzahl der E-Maschine die Drehzahl der Kompressorwelle 7 erreicht hat und die E-Maschine den Antrieb des Kompressors komplett übernimmt.
Die Varianten 2b und 2c sind insbesondere dann interessant, wenn die E-Maschine auch zur Unterstützung des Fahrzeugantriebs verwendet werden soll, da sich hier der Kompressor 2 komplett entkoppeln lässt, wobei bei der Lösung 2c die Entkopplung nur in Freilaufdrehrichtung funktioniert.
Folgend beispielhaft einige Verfahrensschritte die mit den unterschiedlichen Varianten möglich sind:

Betrifft alle Varianten:
- a)
  - - schließen der Kupplung 3 bei laufendem Verbrennungsmotor, sodass der Kompressor über den Verbrennungsmotor angetrieben wird
  - - beim Erreichen der Leerlaufdrehzahl entkoppeln vom Verbrennungsmotor
  - - antreiben des Kompressors mittels der E-Maschine, idealerweise mit der Nenndrehzahl des Kompressors
  - - wenn Druckniveau im System erreicht, abschalten/ entkoppeln der E-Maschine
- b)
  - - detektieren eines Gefällestreckenabschnitts im Streckenprofil
  - - schließen der Kupplung 3, wenn der Druck im Kompressorsystem 1 innerhalb bestimmbarer Grenzwerte liegt
  - - öffnen der Kupplung 3 wenn Druckniveau im System erreicht
nur Variante 2 b
- a)
  - - öffnen der Kupplung 9
  - - schließen Kupplung 3
  - - verwenden der E-Maschine zum Antrieb des Fahrzeuges
- b)
  - - öffnen der Kupplung 9
  - - schließen Kupplung 3
  - - verwenden der E-Maschine als Generator

Die Erfindung ist aber nicht auf die beschriebenen Verfahrensschritte begrenzt, sondern umfasst alle Kombinationen der in den Ansprüchen gelisteten Merkmale. So kann in den Varianten 2b und 2c der E-Motor auch als Anlasser genutzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kompressorsystem
2: Kompressor
3: Kupplung
4: Hilfsvorrichtung
5: Antriebswelle
6: Antriebsmotor
7: Kompressorwelle
8: E-Maschine
9: Koppelvorrichtung
10: Freilauf
11: Lenkhilfpumpe
12 a: Eingangsseite
12 b: Ausgangsseite
13: Freilauf

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

EP 2986850 A1 [0003]
EP 2300711 A1 [0003]
EP 2234855 A1 [0006]

Claims

Kompressorsystem (1) zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs umfassend ein Kompressor (2) mit einer Kompressorwelle (7), eine Kupplung (3) und eine Hilfsvorrichtung (4), wobei das Kompressorsystem (1) über eine Antriebswelle (5) von dem Antriebsmotor (6) des Nutzfahrzeugs antreibbar ist und die Kompressorwelle (7) des Kompressors (2) durch die Kupplung (3) vollständig von dem Antriebsmotor (6) entkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsvorrichtung (4) mit der Kompressorwelle (7) koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die Hilfsvorrichtung (4) eine E-Maschine (8) umfasst, die zumindest teilweise zum Antrieb des Kompressors (2) einsetzbar ist.
Kompressorsystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressorwelle (7) eine Eingangsseite (12a) und eine Ausgangsseite (12b) aufweist, wobei an die Eingangsseite (12a) die Hilfsvorrichtung (4) und an die Ausgangsseite (12b) der Antriebsmotor (6), zum Antrieb des Kompressors (2), koppelbar oder gekoppelt sind.
Kompressorsystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsvorrichtung (4) zwischen Kupplung (3) und Kompressor (2) angeordnet ist.
Kompressorsystem (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsvorrichtung (4) die E-Maschine (8) und eine Koppelvorrichtung (9, 11) aufweist, die zwischen E-Maschine (8) und Kompressor (2) angeordnet ist.
Kompressorsystem (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung eine Kupplung (9) oder ein Freilauf (11) ist.
Kompressorsystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Maschine (8) ein Scheibenläufer und/oder der Kompressor (2) ein Hubkolbenkompressor, ein Schraubenkompressor oder Scrollkompressor ist.
Kompressorsystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenkompressor ein zweistufiger Kompressor ist.
Kompressorsystem (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausgangsseite (12b) der Kompressorwelle (7) eine Lenkhilfepumpe koppelbar oder gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kompressorsystems (1) zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs mit einem Kompressor (2), nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte: - schließen der Kupplung (3) unter Berücksichtigung vorgebbarer Bedingungen für den Start des Kompressorbetriebs - zuschalten der E-Maschine (8), - öffnen der Kupplung (3) unter Berücksichtigung vorgebbarer Bedingungen.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuschaltung der E-Maschine (8) die Kupplung (9) geschaltet und/oder E-Maschine bestromt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen und Öffnen der Kupplung 3 unter Berücksichtigung zumindest einer der nachfolgenden Größen erfolgt: - Motortemperatur - Kompressortemperatur - Antriebswellendrehzahl - Drehzahl der E-Maschinen - Geschwindigkeit des Fahrzeugs - Streckenprofil oder GPS-Daten - Druckniveau im Druckspeicher des Kompressorsystems (1)
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen der Kupplung (9) der Hilfsvorrichtung (4) unter Berücksichtigung zumindest einer der nachfolgenden Größen erfolgt: - Differenzdrehzahl von E-Maschine (8) zu Antriebswellendrehzahl - Zustand der Energieversorgungseinheit für die E-Maschine (8) - Druck im Kompressorsystem (1) - Batterieladung - reiner Elektroantrieb - Drehzahl V-Motor zu hoch