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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für eine pneumatische Verdichtereinheit zur Erzeugung von Druckluft für mindestens einen pneumatischen Verbraucher eines Fahrzeugs, das mit einem Verbrennungsmotor als Fahrtantrieb ausgestattet ist, wohingegen eine Antriebswelle der pneumatischen Verdichtereinheit mit einem Elektromotor angetrieben ist. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Antriebsanordnung.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Fahrzeugtechnik, insbesondere auf die Nutzfahrzeugtechnik. Nutzfahrzeuge weisen gewöhnlich ein pneumatisches Bremssystem zur Durchführung der Fahrzeugbremsung auf. Daneben können auch andere pneumatische Verbraucher existieren, wie beispielsweise ein pneumatisches Luftfedersystem. Die zum Betrieb dieser pneumatischen Verbraucher an Bord eines Nutzfahrzeuges erforderliche Druckluft wird gewöhnlich über eine Verdichtereinheit aus der Umgebungsluft erzeugt. Gebräuchlich hierfür sind Kolben- oder Schraubenkompressoren. Bei der Anwendung der hier interessierenden Art wird der Fahrtantrieb des Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, beispielsweise einem Dieselmotor, realisiert und die Verdichtereinheit wird hiervon entkoppelt mittels eines separaten Elektromotors angetrieben, welcher seine Betriebsenergie aus dem Bordspannungsnetz bezieht.
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Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik gehen daneben auch andere Antriebslösungen hervor, bei denen die Antriebsenergie für den Verdichterantrieb aus dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs bezogen wird. Um eine vom Fahrtantrieb entkoppelte bedarfsgerechte Druckluftversorgung zu gewährleisten, ist in diesem Fall die pneumatische Verdichtereinheit über eine Kupplungseinheit mit der Kurbelwelle oder einem zwischengeschalteten Untersetzungsgetriebe verbunden. Daneben besteht gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik auch die Möglichkeit, eine pneumatische Verdichtereinheit permanent an einen Fahrtantrieb anzuschließen, wobei die bedarfsgerechte Drucklufterzeugung über einen ventilgesteuerten Leerlaufbetrieb der Verdichtereinheit realisiert wird.
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Die
DE 11 89 865 A offenbart eine Antriebsanordnung für eine Verdichtereinheit, bei welcher ein Elektromotor zum einen als Verdichterantrieb und zum anderen als Startermotor für einen Verbrennungsmotor dient.
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Aus der
DE 199 08 308 A1 geht eine gattungsgemäße Antriebsanordnung für eine pneumatische Verdichtereinheit hervor. Die Verdichtereinheit ist hier als zweizylindriger Kolbenverdichter in Boxeranordnung ausgebildet, dessen Kurbelwelle über einen Elektromotor angetrieben wird, der unterhalb der Verdichtereinheit angeordnet und mit einem Radiallüfter versehen ist. Da die pneumatische Verdichtereinheit insoweit über den separaten Elektromotor angetrieben wird, ist bei Einsatz in einem Fahrzeug der Fahrtantrieb hiervon unabhängig. Da die elektrische Energieversorgung der elektromotorisch betriebenen pneumatischen Verdichtereinheit bei Einsatz in einem Fahrzeug allerdings aus dem Bordspannungsnetz abzudecken ist, welches wiederum von einem elektrischen Generator gespeist wird, der vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, treten durch die Energieumwandlungen von mechanisch auf elektrisch zu mechanisch entsprechende Umwandlungsverluste auf. Außerdem ist zumindest ein zweiter Elektromotor an Bord des Fahrzeugs bereitzustellen, welcher als Startermotor für den Verbrennungsmotor fungiert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsanordnung für eine pneumatische Verdichtereinheit dahingehend weiter zu verbessern, dass der Elektromotor genauer auf den Verbrennungsmotor und auf den Verdichterantrieb abstimmbar ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Antriebsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst. Hinsichtlich eines bevorzugten Anwendungsfalls im Rahmen eines verbrennungsmotorbetriebenen Nutzfahrzeugs wird auf Anspruch 5 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 in Kombination mit den kennzeichnenden Merkmalen.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass im Rahmen der erfindungsgegenständlichen spezifischen Antriebsanordnung auf einem separaten Startermotor verzichtet werden kann. Denn der Elektromotor der pneumatischen Verdichtereinheit übernimmt in Funktionsintegration auch die Funktion eines Startermotors. Eine wahlweise Ankopplung des Elektromotors lässt sich in einfacher Weise über verbindende Antriebswellen in Kombination mit je zugeordneten Kupplungseinheiten realisieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird insoweit vorgeschlagen, dass eine erste Kupplungseinheit zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und dem Elektromotor vorgesehen ist, und dass eine zweite Kupplungseinheit zwischen der Antriebswelle der Verdichtereinheit und dem Elektromotor vorgesehen ist, so dass eine wahlweise Ankopplung des Elektromotors mit dem Verbrennungsmotor zu Starterzwecken oder mit der Verdichtereinheit zu Drucklufterzeugungszwecken möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die Integration von Getriebeeinheiten in zumindest eine der beiden Antriebsstränge vorgeschlagen. So ist zwischen dem Elektromotor und der Verdichtereinheit eine erste Getriebeeinheit zur Übersetzung der Motordrehzahl ins Langsame angeordnet werden. Denn gewöhnlich erzeugt der Elektromotor eine weitaus höhere Nenndrehzahl, als von der Verdichtereinheit benötigt wird. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, den Elektromotor mit einer beispielsweise umrichtergesteuerten drehzahlvariablen Ansteuerung auszurüsten. Dies setzt allerdings eine geeignete Bauform des Elektromotors voraus, der insoweit beispielsweise als Drehstrommotor auszuführen ist.
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In analoger Weise zum Verdichterantrieb ist erfindungsgemäß auch zwischen dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor eine zweite Getriebeeinheit zur Übersetzung der Motordrehzahl ins Langsame angeordnet. Denn gewöhnlich liegt die Starterdrehzahl des Verbrennungsmotors weit unter der Nenndrehzahl des Elektromotors. Stattdessen oder zusätzlich ist auch hier eine drehzahlvariable Motoransteuerung denkbar.
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Es sind dabei in Kombination mit der Motorstarterfunktion zwei Getriebeeinheiten in der gesamten Antriebsanordnung des Verdichterantriebs vorgesehen, wobei das Übersetzungsverhältnis der ersten Getriebeeinheit kleiner als das Übersetzungsverhältnis der zweiten Getriebeeinheit bemessen ist. Beide Getriebeeinheiten können beispielsweise in Form eines ein- oder mehrstufigen Stirnradgetriebes ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist es denkbar, dass die Antriebswelle des Elektromotors direkt an die Antriebswelle der Verdichtereinheit angeschlossen ist, sofern diese mit einer Leerlaufventileinrichtung ausgestattet ist. Die Leerlaufventileinrichtung substituiert in diesem Falle die verdichterseitige Kupplungseinheit.
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Ferner ist es auch denkbar, dass der Verbrennungsmotor in seinem Leistungsfluss über den Elektromotor hinweg zum Antrieb mit der Verdichtereinheit koppelbar ist. In diesem Falle kann die Drucklufterzeugung im Fahrtbetrieb des Fahrzeuges energiesparend über den Verbrennungsmotor durchgeführt werden, wobei der Elektromotor deaktiviert ist. In dieser Betriebsart sind also alle Kupplungseinheiten geschlossen. Darüber hinaus kann hierbei der Elektromotor auch als elektrischer Generator nutzbar gemacht werden, um das elektrische Bordnetz mit der Betriebsspannung zu versorgen. Insoweit übernimmt der Elektromotor die Funktion eines elektrischen Antriebs als auch die Funktion eines elektrischen Generators.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Kupplungsansteuerung über eine elektronische Steuereinheit durchgeführt wird, welche beispielsweise mittels elektromagnetischer oder elektrohydraulischer Aktuatoren eine Kupplungsbetätigung durchführt. Die Steuereinheit nimmt im Falle einer Startanforderung für den Verbrennungsmotor vorzugsweise eine Kupplung des Elektromotors mit der Kurbelwelle vorrangig vor einer Kupplung der Antriebswelle der Verdichtereinheit mit dem Elektromotor durch. Diese Steuerungsvorgabe gewährleistet, dass ein Starten des Verbrennungsmotors Priorität vor der Drucklufterzeugung erhält, so dass trotz der Doppelfunktion des Elektromotors ein zuverlässiger Fahrzeugbetrieb sichergestellt ist.
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Diese und andere Steuerungsfunktionen lassen sich vorzugsweise durch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Steuerungsverfahrens umsetzen, wobei das Computerprogrammprodukt auf der elektronischen Steuereinheit der Antriebsanordnung abläuft. Hierzu kann die elektronische Steuereinheit über einen Mikroprozessor nebst Speichermitteln verfügen. Das Computerprogrammprodukt kann daneben auch auf einem internen oder externen Datenträger abgespeichert hinterlegt werden.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine Blockschaltbilddarstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiels einer Antriebsanordnung, die zum Verständnis der Erfindung dient,
- 2 eine Blockschaltbilddarstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiels einer Antriebsanordnung, die zum Verständnis der Erfindung dient,
- 3 eine Blockschaltbilddarstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiels der Antriebsanordnung, die zum Verständnis der Erfindung dient, und
- 4 eine Blockschaltbilddarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Antriebsanordnung.
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1 zeigt ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel, welches zum Verständnis der Erfindung dient. Diese Figur zeigt eine pneumatische Verdichtereinheit 1, welche die Druckluft für einen nachfolgenden Verbraucher 2 des Fahrzeugs, hier ein Druckluftbremssystem, erzeugt. Daneben dient im Rahmen der Antriebsanordnung ein Verbrennungsmotor 3 als Fahrtantrieb.
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Eine Antriebswelle 4 der pneumatischen Verdichtereinheit 1 wird von einem Elektromotor 5 angetrieben. Weiterhin ist der Elektromotor 5 auch mit einer Kurbelwelle 6 des Verbrennungsmotors 3 koppelbar. In dieser allgemeinen Form dient der Elektromotor 5 also sowohl als Verdichterantrieb als auch als Startermotor für den Verbrennungsmotor 3. Um während des Starterbetriebs des Elektromotors 5 eine Leistungsaufnahme der Verdichtereinheit 1 zu verhindern, ist diese mit einer Leerlaufventileinrichtung 7 ausgestattet. Hierdurch wird eine permanente Entlüftung der Verdichterräume gewährleistet, so dass die Verdichtereinheit 1 bei eingeschalteter Leerlaufventileinrichtung 7 keine Druckluft von außen ansaugt und komprimiert.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kupplung des Elektromotors 5 mit der Antriebswelle 4 der Verdichtereinheit 1 über eine erste Getriebeeinheit 8. Die erste Getriebeeinheit 8 nimmt eine Übersetzung der Motordrehzahl des Elektromotors 5 ins Langsame vor, um diese in Übereinstimmung mit der Nenndrehzahl der Verdichtereinheit 1 zu bringen. Die erste Getriebeeinheit 8 ist dabei als ein mehrstufiges Stirnradgetriebe ausgebildet.
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Weiterhin ist eine Kupplungseinheit 9 zwischen dem Elektromotor 5 und der Antriebswelle 4, hier der ersten Getriebeeinheit 8 vorgeschaltet, vorgesehen und befindet sich im Leistungsfluss zwischen dem Elektromotor 5 und der Kurbelwelle 6 des Verbrennungsmotors 3. Beide Kupplungseinheiten 9 und 10 werden nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit 11 derart koordiniert elektromechanisch angesteuert, dass der Elektromotor 5 über die geschlossene zweite Kupplungseinheit 10 mit Priorität vor dem Verdichterantrieb als Startermotor fungiert. Hierbei ist die erste Kupplungseinheit 9 geöffnet. Besteht Druckluftbedarf, so sorgt die elektronische Steuereinheit 11 dafür, dass die erste Kupplungseinheit 9 geschlossen wird, so dass der Elektromotor 5 - außerhalb der Startphase für den Verbrennungsmotor 3 - den Verdichterantrieb übernimmt.
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Gemäß 3 ist im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel zwischen dem Elektromotor 5 und dem Verbrennungsmotor 3 eine Getriebeeinheit 12 angeordnet. Die Getriebeeinheit 12 dient auch hier einer Übersetzung der Motordrehzahl des Elektromotors 5 ins Langsame, um die Funktion eines Startermotors auszuführen. Die Getriebeeinheit 12 ist als Stirnradgetriebe ausgeführt.
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Abgesehen von der schematisch dargestellten Verknüpfung der vorgenannten Komponenten besitzt auch dieses Ausführungsbeispiel eine Kupplungsbeschaltung analog zu der 2, worauf im Übrigen Bezug genommen wird.
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Die 4 vereint in Zusammenfassung der beiden vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele beide Getriebeeinheiten 8 und 12, so dass hier sowohl zwischen dem Elektromotor 5 und der Verdichtereinheit 1 eine erste Getriebeeinheit 8 angeordnet ist, als auch zwischen dem Elektromotor 5 und dem Verbrennungsmotor 3 eine zweite Getriebeeinheit 12 angeordnet ist. Im Übrigen wird auf die Figurenbeschreibung der vorgenannten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, wobei auch hier eine Kupplungsbeschaltung analog zu 2 vorgesehen ist.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist beispielsweise auch möglich, dass verdichterseitig anstelle einer Trennkupplung eine Leerlaufventilanordnung dafür sorgt, dass während der Startphase des Verbrennungsmotors sowie während Zeiträumen, in denen kein Lufterzeugungsbedarf besteht, sich die Verdichtereinheit lastlos mitdreht. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Antriebskraft des Verbrennungsmotors zum Antrieb der pneumatischen Verdichtereinheit während des Fahrtbetriebes nutzbar gemacht wird. Hierfür sind beide Kupplungseinheiten zu schließen, um eine Leistungsübertragung über den Elektromotor hinweg zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichtereinheit
- 2
- Verbraucher
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Elektromotor
- 6
- Kurbelwelle
- 7
- Leerlaufventileinrichtung
- 8
- erste Getriebeeinheit
- 9
- erste Kupplungseinheit
- 10
- zweite Kupplungseinheit
- 11
- elektronische Steuereinheit
- 12
- zweite Getriebeeinheit
