DE102018217818B3

DE102018217818B3 - Antriebseinheit umfassend eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102018217818B3
Application number: DE102018217818.6A
Authority: DE
Inventors: Krystian Dylong; Georg Louven; Rainer Kiehn; Klaus Moritz Springer; Jan Mehring; Harald Stoffels
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: CN111071028A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (1) umfassend eine Brennkraftmaschine (2), eine Elektromaschine (3), ein Getriebe (4) und mindestens zwei Kupplungen (5, 6), bei der- zwei Kupplungen (5, 6) zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Getriebe (4) angeordnet sind, wobei eine erste Kupplung (5) brennkraftmaschinenseitig und eine zweite Kupplung (6) getriebeseitig angeordnet ist, und- ein Riementrieb (8) vorgesehen ist, der neben dem Riemen (8c) als Zugmittel ein im Antriebsstrang (7) zwischen der ersten Kupplung (5) und der zweiten Kupplung (6) angeordnetes erstes Riemenrad (8a) sowie ein zweites Riemenrad (8b), das auf einer Welle (3a) der Elektromaschine (3) angeordnet ist, umfasst, wobei der Riemen (8c) um das erste Riemenrad (8a) sowie das zweite Riemenrad (8b) geführt ist.Es soll eine Antriebseinheit (1) der vorstehenden Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Kühlung verbessert ist.Erreicht wird dies mit einer Antriebseinheit (1), bei der- zur Kühlung der Brennkraftmaschine (2) eine erste Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, die eine erste Pumpe (9a) zur Förderung von Kühlmittel umfasst, wobei die erste Pumpe (9a) via einem Riemenrad (8d) mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar ist, und- zur Kühlung des elektrischen Antriebs eine zweite Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, die eine zweite Pumpe (9b) zur Förderung von Kühlmittel umfasst, wobei die zweite Pumpe (9b) via einem Riemenrad (8d) mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit umfassend eine Brennkraftmaschine, eine zu einem elektrischen Antrieb gehörende Elektromaschine, ein Getriebe und mindestens zwei Kupplungen, bei der

- zwei Kupplungen zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe in einem Antriebsstrang angeordnet sind, wobei eine erste Kupplung brennkraftmaschinenseitig und eine zweite Kupplung getriebeseitig angeordnet ist, und
- ein Riementrieb vorgesehen ist, der neben dem Riemen als Zugmittel ein im Antriebsstrang zwischen der ersten Kupplung und der zweiten Kupplung angeordnetes erstes Riemenrad sowie ein zweites Riemenrad, das auf einer Welle der Elektromaschine angeordnet ist, umfasst, wobei der Riemen um das erste Riemenrad sowie das zweite Riemenrad geführt ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit der vorstehend genannten Art.
Eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2017 124 357 A1 . Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2005 003 881 A1 beschreibt ebenfalls einen Hybridantrieb umfassend eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine.
Eine Antriebseinheit der eingangs genannter Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen.
Eine Antriebseinheit umfassend eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine wird regelmäßig auch als Hybrid-Antrieb bezeichnet. Vorliegend kann in einem ersten Betriebsmodus ausschließlich die Elektromaschine und in einem zweiten Betriebsmodus die befeuerte Brennkraftmaschine in Kombination mit der Elektromaschine als Antriebseinheit zum Antreiben eines Fahrzeuges verwendet werden. Wird neben der Brennkraftmaschine gleichzeitig die Elektromaschine als Antrieb eingesetzt und betrieben, geben sowohl die Brennkraftmaschine als auch die Elektromaschine Leistung in den Antriebsstrang ab.
Vorliegend sind die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine parallel angeordnet, wobei die Elektromaschine unter Verwendung eines Riementriebs mit dem Antriebsstrang zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe antriebsverbunden bzw. antriebsverbindbar ist. Hierzu umfasst der Riementrieb ein im Antriebsstrang zwischen zwei Kupplungen angeordnetes erstes Riemenrad sowie ein zweites auf der Antriebswelle der Elektromaschine angeordnetes Riemenrad. Ein als Zugmittel dienender Riemen führt um das erste und zweite Riemenrad und koppelt die beiden Riemenräder kinematisch bzw. antriebsmäßig.
Bei der Entwicklung von Antriebseinheiten für Fahrzeuge ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.
Nach dem Stand der Technik kommt daher in Fahrzeugen immer häufiger ein elektrischer Antrieb zum Einsatz und dies regelmäßig in Kombination mit einer Brennkraftmaschine als Hybrid-Antrieb.
Hinsichtlich der Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Reduzierung der Schadstoffemissionen ist dies nur dann vorteilhaft, falls der elektrische Antrieb in mindestens einem Betriebsbereich bzw. Kennfeldbereich einen höheren Wirkungsgrad als die Brennkraftmaschine und damit einen Vorteil gegenüber der Brennkraftmaschine aufweist bzw. die für den elektrischen Antrieb erforderliche Antriebsenergie aus einer Energierückgewinnung an Bord des Fahrzeuges stammt oder aus regenerativen, d.h. erneuerbaren Energiequellen generiert wurde. Ungeachtet dessen hat der elektrische Antrieb als emissionsfreier Antrieb im innerstädtischen Verkehr seine Berechtigung bzw. seine Vorzüge.
Für den Einsatz elektrischer Antriebe gibt es weitere relevante Gründe, beispielsweise die Reduzierung des Antriebsgeräusches eines Fahrzeuges. Die Geräuschemissionen eines Kraftfahrzeuges, insbesondere die Antriebsgeräusche, wirken sich nicht nur auf die Lebensqualität bzw. das Wohlbefinden, sondern insbesondere auch auf die Gesundheit der dem Geräusch ausgesetzten Menschen nachteilig aus, weshalb eine Vielzahl von Vorschriften erlassen worden sind, in denen die einzuhaltenden Geräuschgrenzwerte festgelegt wurden.
Die wichtigsten Vorschriften sind dabei das Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) und die Richtlinien der Europäischen Kommission.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung einer Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Die thermische Belastung der Motoren nimmt stetig zu, weshalb Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden. Dies ist auch dadurch bedingt, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen und mit dem Ziel eines möglichst dichten Packaging immer mehr Komponenten in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock integriert werden, wodurch die thermische Belastung der Motoren, d.h. der Brennkraftmaschinen, wächst. Zunehmend häufig wird der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlung zu partizipieren und den Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind.
Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des mindestens einen Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d.h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Der mindestens eine Kühlmittelmantel wird mit Kühlmittel versorgt, das den Zylinderkopf nach durchströmt. Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
Wie der Zylinderkopf kann auch der Zylinderblock mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist aber das thermisch höher belastete Bauteil, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre bzw. Zylinderbohrungen. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
Als Kühlmittel wird in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr großer Wärmmengen eignet, was grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
Nicht immer ist es sinnvoll, der Brennkraftmaschine möglichst viel Wärme zu entziehen. Insbesondere in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart kann es zielführend sein, der Brennkraftmaschine möglichst wenig Wärme zu entziehen, um eine Aufheizung der Brennkraftmaschine zu forcieren bzw. zu unterstützen. Vorteilhaft ist dies insbesondere hinsichtlich der Reibleistung und der Schadstoffemissionen.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung und Bestandteil der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist, ist eine mittels Flüssigkeit gekühlte Brennkraftmaschine, d.h. eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine.
Auch der elektrische Antrieb, zu dem die Elektromaschine der erfindungsgemäßen Antriebseinheit gehört, ist mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, d.h. der elektrische Antrieb, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist ein flüssigkeitsgekühlter Antrieb. Insbesondere die zur Speicherung bzw. Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzten Speicher, beispielsweise Batterien, können überhitzen bzw. eine Kühlung erforderlich machen.
Bei Kraftfahrzeugen, die als Antrieb einen Elektromotor einsetzen bzw. batterieelektrischen Antrieb haben, stellt der Kaltstart bei widrigen Umgebungsbedingungen, insbesondere bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, eine technologische Herausforderung dar, da die verfügbare Batterieleistung mit fallender Temperatur rapide abnimmt. Unterhalb einer kritischen Temperaturgrenze kann das Fahrzeug in der Regel nicht mehr elektrisch betrieben werden. Dann ist es notwendig, Energie von außen zu zuführen, um die Batterie zu heizen, damit die Funktionstüchtigkeit der Batterie gewährleistet werden kann und ein Starten bzw. ein Betrieb des Elektromotors ermöglicht wird. Eine Erwärmung der Batterie kann im Einzelfall mit erwärmtem Kühlmittel der Flüssigkeitskühlung erfolgen.
Die Brennkraftmaschine und der elektrische Antrieb haben unterschiedliche Anforderungen an die zugehörige Flüssigkeitskühlung, d.h. an die Kühlmitteltemperatur und den Kühlmitteldurchsatz, weshalb die Kühlmittelkreisläufe der beiden Flüssigkeitskühlungen regelmäßig voneinander getrennt sind und betrieben werden. Beide Kühlmittelkreisläufe erfordern insbesondere unterschiedliche Pumpen. Zudem erscheint es nicht sinnvoll, die unbefeuerte Brennkraftmaschine im ersten Betriebsmodus dauerhaft, d.h. ohne Unterbrechung zu kühlen, wenn ausschließlich die Elektromaschine als Antrieb fungiert. Folglich wird angestrebt, die Flüssigkeitskühlungen bzw. die dazugehörigen Pumpen unabhängig voneinander betreiben und aktivieren bzw. deaktivieren zu können.
Nach dem Stand der Technik wird daher häufig neben der mechanisch angetriebenen Pumpe für die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine eine kleiner dimensionierte elektrisch angetriebene Pumpe für die Flüssigkeitskühlung des elektrischen Antriebs vorgesehen. Der Wirkungsgrad einer elektrisch angetriebenen Pumpe ist aber niedriger als der Wirkungsgrad einer mechanisch angetriebenen Pumpe.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Antriebseinheit aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Antriebseinheit umfassend eine Brennkraftmaschine, eine zu einem elektrischen Antrieb gehörende Elektromaschine, ein Getriebe und mindestens zwei Kupplungen, bei der

- zwei Kupplungen zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe in einem Antriebsstrang angeordnet sind, wobei eine erste Kupplung brennkraftmaschinenseitig und eine zweite Kupplung getriebeseitig angeordnet ist, und
- ein Riementrieb vorgesehen ist, der neben dem Riemen als Zugmittel ein im Antriebsstrang zwischen der ersten Kupplung und der zweiten Kupplung angeordnetes erstes Riemenrad sowie ein zweites Riemenrad, das auf einer Welle der Elektromaschine angeordnet ist, umfasst, wobei der Riemen um das erste Riemenrad sowie das zweite Riemenrad geführt ist,

- zur Kühlung der Brennkraftmaschine eine erste Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, die eine erste Pumpe zur Förderung von Kühlmittel umfasst, wobei die erste Pumpe via einem Riemenrad mit dem Riementrieb antriebsverbindbar ist, und
- zur Kühlung des elektrischen Antriebs eine zweite Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, die eine zweite Pumpe zur Förderung von Kühlmittel umfasst, wobei die zweite Pumpe via einem Riemenrad mit dem Riementrieb antriebsverbindbar ist.

Die erfindungsgemäße Antriebseinheit verfügt über zwei mechanisch angetriebene Pumpen und zwar über eine erste Pumpe zur Förderung von Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine und über eine kleiner dimensionierte zweite Pumpe zur Förderung von Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf des elektrischen Antriebs. Der Wirkungsgrad einer mechanisch angetriebenen Pumpe ist grundsätzlich höher als der Wirkungsgrad einer elektrisch angetriebenen Pumpe, da die Generierung, Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie weniger effizient ist, d.h. mit größeren Verlusten einhergeht, als ein mechanischer Antrieb der Pumpe.
Insofern ist der erfindungsgemäße Pumpenantrieb effizienter als der nach dem Stand der Technik, gemäß dem eine mechanisch angetriebene und eine elektrisch angetriebene Pumpe eingesetzt werden.
Beide Pumpen lassen sich mittels Riementriebes mechanisch antreiben, wobei jede Pumpe abgeschaltet, d.h. deaktiviert werden kann, indem die Antriebsverbindung zum Riementrieb aufgehoben wird. D.h. beide Pumpen sind via einem Riemenrad mit dem Riementrieb antriebsverbindbar.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Pumpen in einem Riementrieb hat weitere vorteilhafte Effekte. So lässt sich ein dichteres effektives Packaging der Antriebseinheit realisieren.
Insbesondere aber gestattet der erfindungsgemäße Pumpenantrieb, die erste Pumpe zur Förderung von Kühlmittel im ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn ausschließlich die Elektromaschine als Antriebseinheit zum Antreiben eines Fahrzeuges verwendet werden. Folglich lässt sich eine Nachlaufkühlung realisieren, bei der Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf der unbefeuerten Brennkraftmaschine gepumpt, d.h. gefördert wird.
Eine derartige Nachlaufkühlung erfordert beispielsweise ein zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine vorgesehener Abgasturbolader bzw. dessen flüssigkeitsgekühltes Lagergehäuse. Das heiße Abgas der aufgeladenen Brennkraftmaschine führt zu einer hohen thermischen Belastung des Lagergehäuses und folglich des Lagers der Laderwelle. Damit ist ein entsprechend hoher Wärmeeintrag in das dem Lager zwecks Schmierung zugeführte Öl verbunden. Das Lager ist aufgrund der hohen Drehzahl der Laderwelle in der Regel nicht als Wälzlager, sondern als Gleitlager ausgebildet. Infolge der Relativbewegung zwischen der Welle und dem Lagergehäuse bildet sich ein tragfähiger hydrodynamischer Schmierfilm zwischen Welle und Lagerbohrung aus.
Das Öl sollte eine maximal zulässige Temperatur nicht übersteigen, da die Viskosität mit zunehmender Temperatur abnimmt und sich das Reibverhalten bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur verschlechtert. Eine zu hohe Öltemperatur beschleunigt zudem die Alterung des Öls, wobei sich auch die Schmiereigenschaften des Öls verschlechtern. Beides verkürzt die Wartungsintervalle für den Ölwechsel und kann die Funktionstüchtigkeit des Lagers gefährden, wobei sogar eine irreversible Zerstörung des Lagers und damit des Turboladers möglich ist.
Aus den zuvor genannten Gründen wird das Lagergehäuse eines Turboladers nach dem Stand der Technik häufig mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
Mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt, die hinsichtlich der Kühlung verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Antriebseinheit gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen die erste Pumpe unter Verwendung einer Kupplung mit dem Riementrieb antriebsverbindbar ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen die zweite Pumpe unter Verwendung einer Kupplung mit dem Riementrieb antriebsverbindbar ist.
Die Verwendung einer Kupplung, beispielsweise einer elektrisch bzw. einer elektromagnetisch betätigbaren Kupplung, gestattet die Pumpen in einfacher Weise anzuschalten und abzuschalten, d.h. zu aktivieren und zu deaktivieren. Durch Schließen der Kupplung kann eine Antriebsverbindung zum Riementrieb hergestellt und durch Öffnen der Kupplung diese Antriebsverbindung wieder aufgehoben werden.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen die erste Pumpe und die zweite Pumpe unter Verwendung einer gemeinsamen Kupplung mit dem Riementrieb antriebsverbindbar sind.
Eine gemeinsame Kupplung trägt zu einem dichteren Packaging des Riementriebes und damit der gesamten Antriebseinheit bei.
Aus demselben Grund sind Ausführungsformen der Antriebseinheit vorteilhaft, bei denen die erste Pumpe und die zweite Pumpe via einem gemeinsamen Riemenrad mit dem Riementrieb antriebsverbindbar sind.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen die erste Pumpe und die zweite Pumpe eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen, die mit dem Riementrieb antriebsverbindbar ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen die erste Pumpe und die zweite Pumpe auf gegenüberliegenden Seiten des Riementriebs angeordnet sind.
Diese Anordnung der Pumpen vereinfacht bzw. ermöglicht die Verwendung einer gemeinsamen Antriebswelle, eines gemeinsamen Riemenrades bzw. einer gemeinsamen Kupplung für beide Pumpen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen mindestens ein weiteres, angetriebenes Riemenrad, das auf einer Welle eines Nebenaggregats angeordnet ist, vorgesehen ist, wobei der Riemen um das weitere angetriebene Riemenrad geführt ist.
Der Riementrieb wird vorliegend eingesetzt, um für den Betrieb der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeuges erforderliche Nebenaggregate, beispielsweise die Einspritzpumpe, die Ölpumpe, die Lichtmaschine, den Klimakompressor und/oder dergleichen oder die für die Steuerung der Ventile erforderlichen Nockenwellen eines Ventiltriebs anzutreiben.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen das mindestens eine weitere angetriebene Riemenrad das zweite Riemenrad ist.
Vorliegend teilt sich das Nebenaggregat das Riemenrad, d.h. das zweite Riemenrad mit der Elektromaschine.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen das Nebenaggregat und die Elektromaschine auf gegenüberliegenden Seiten des Riementriebs angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen die Brennkraftmaschine eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine ist.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d.h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Riementrieb soll unter möglichst geringen Energieverlusten und mit möglichst wenig Wartungsaufwand durch Nachspannen ein großes Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nebenaggregate, beispielsweise die Lichtmaschine und die Wasserpumpe, übertragen. Häufig wird dabei der Antrieb mehrerer Nebenaggregate in einem Riementrieb zusammengefasst.
Um den Riemen unter Spannung zu halten und damit einen möglichst sicheren und verschleißfreien Antrieb zu gewährleisten, wird regelmäßig eine Spanneinrichtung vorgesehen, welche den Riemen unter Spannung hält. Spanneinrichtungen machen ein Nachspannen im Rahmen von Instandhaltungsmaßnahmen, beispielsweise einer Inspektion, entbehrlich, weshalb die Wartungsintervalle vergrößert werden können.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Antriebseinheit, bei denen der Riementrieb mit einer Spanneinrichtung ausgestattet ist.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit einer vorstehenden Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die erste Kupplung und die zweite Kupplung geschlossen werden, um die Brennkraftmaschine mit dem Getriebe zu verbinden und um bei befeuerter Brennkraftmaschine Leistung in den Antriebsstrang abzugeben.
Das bereits für die erfindungsgemäße Antriebseinheit Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die hinsichtlich der Antriebseinheit gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mit dem Antriebsstrang via Riementrieb antriebsverbundene Elektromaschine verwendet wird, um bei befeuerter Brennkraftmaschine als zuschaltbarer Hilfsantrieb einen angeforderten Leistungsmehrbedarf zu befriedigen.
Ein Leistungsmehrbedarf, der angefordert wird und den die Brennkraftmaschine nicht befriedigen kann bzw. vorzugsweise nicht befriedigt, wird vorliegend von der Elektromaschine bereitgestellt, die mit dem Antriebsstrang zumindest verbindbar ist und als zuschaltbarer Hilfsantrieb fungieren kann. Dann kann die Brennkraftmaschine wirkungsgradoptimiert, d.h. in einem Kennfeldpunkt mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden, da bei unzureichender Leistungsabgabe die Elektromaschine den Bedarf deckt.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die mit dem Antriebsstrang via Riementrieb antriebsverbundene Elektromaschine verwendet wird, um bei befeuerter Brennkraftmaschine als zuschaltbarer Generator einen von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Leistungsüberschuss aufzunehmen.
Diese Verfahrensvariante gestattet es, die Brennkraftmaschine in einem Kennfeldpunkt zu betreiben, in welchem mehr Leistung als angefordert bereitgestellt wird. Vorteilhaft ist dies beispielsweise, wenn der gewählte Kennfeldpunkt sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Die überschüssige Leistung kann von der als Generator betriebenen Elektromaschine aufgenommen und genutzt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die erste Kupplung geöffnet und die zweite Kupplung geschlossen wird, um bei unbefeuerter Brennkraftmaschine unter Verwendung der Elektromaschine Leistung in den Antriebsstrang abzugeben.
Vorteilhafterweise wird die erste Kupplung im ersten Betriebsmodus geöffnet, um einen Schleppbetrieb der unbefeuerten Brennkraftmaschine zu vermeiden bzw. zu umgehen und die Reibleistung zu mindern.
Vorzugsweise wird das Kennfeld der verwendeten Elektromaschine berücksichtigt. Dadurch kann insbesondere dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Elektromaschine in unterschiedlichen Kennfeldbereichen verschiedene Wirkungsgrade aufweist, d.h. ein Betrieb in einem Kennfeldbereich vorteilhafter sein kann als in einem anderen Kennfeldbereich, insbesondere die Elektromaschine nicht in allen Kennfeldbereichen einen höheren Wirkungsgrad aufweisen muss bzw. aufweist als die Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die erste Kupplung geöffnet und die zweite Kupplung geschlossen wird, um bei unbefeuerter Brennkraftmaschine unter Verwendung der Elektromaschine als Generator Leistung im Rahmen einer Energierückgewinnung aufzunehmen.
Vorliegend wird die mit dem Antriebsstrang verbundene Elektromaschine verwendet wird, um im Schubbetrieb bei unbefeuerter Brennkraftmaschine als Generator Leistung vom Antriebsstrang aufzunehmen und auf diese Weise Energie zurück zu gewinnen. Die als Generator betriebene Elektromaschine generiert dabei ein Bremsmoment.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einer befeuerten Brennkraftmaschine und einer mittels Riementrieb angetriebenen ersten Pumpe, die erste Pumpe beim Abschalten der Brennkraftmaschine für eine vorgebbare Betriebsdauer weiter angetrieben wird, um eine Nachlaufkühlung mittels der ersten Flüssigkeitskühlung zu realisieren.
Hinsichtlich der Nachlaufkühlung wird Bezug genommen auf die bereits gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Elektromaschine als eine riementriebzugehörige Startvorrichtung zum Starten der unbefeuerten Brennkraftmaschine verwendet wird, wozu die erste Kupplung geschlossen und die zweite Kupplung geöffnet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch eine Ausführungsform der Antriebseinheit zur Durchführung des Verfahrens.

1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Antriebseinheit 1. Die Antriebseinheit 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 2, eine zu einem elektrischen Antrieb gehörende Elektromaschine 3, ein Getriebe 4 und zwei Kupplungen 5, 6.
Dargestellt ist eine sogenannte axial parallele P2-Konfiguration, bei der die Elektromaschine 3 parallel zur Brennkraftmaschine 2 in einem Riementrieb 8 angeordnet ist.
Zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Getriebe 4 sind zwei Kupplungen 5, 6 im Antriebsstrang 7 angeordnet. Die erste Kupplung 5 ist brennkraftmaschinenseitig und die zweite Kupplung 6 ist getriebeseitig angeordnet.
Der Riementrieb 8 umfasst mehrere Riemenräder 8a, 8b, 8d, 8d', 8e und einen Riemen 8c, der um die Riemenräder 8a, 8b, 8d, 8e geführt ist.
Ein erstes Riemenrad 8a ist im Antriebsstrang 7 zwischen den Kupplungen 5, 6 angeordnet. Ein zweites Riemenrad 8b sitzt auf der Antriebswelle 3a der Elektromaschine 3.
Sowohl die Brennkraftmaschine 2 als auch der elektrische Antrieb ist mit einer Kühlung bzw. Flüssigkeitskühlung ausgestattet. Zur Förderung von Kühlmittel sind zwei Pumpen 9a, 9b vorgesehen, wobei eine erste Pumpe 9a der Förderung von Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 2 dient und eine zweite Pumpe 9b zur Förderung von Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf des elektrischen Antriebs.
Die erste Pumpe 9a und die zweite Pumpe 9b sind auf gegenüberliegenden Seiten des Riementriebs 8 angeordnet und via einem Riemenrad 8d, vorliegend einem gemeinsamen Riemenrad 8d', mit dem Riementrieb 8 unter Verwendung einer Kupplung (nicht dargestellt) antriebsverbindbar.
Auf der der Elektromaschine 3 gegenüberliegenden Seite des Riementriebs 8 ist ein Nebenaggregat 10, nämlich ein Klimakompressor 10', angeordnet, wobei zum Antrieb des Klimakompressors 10' ein weiteres angetriebenes Riemenrad 8e des Riementriebs 8 auf der Antriebswelle 10a des Klimakompressors 10' angeordnet ist. Vorliegend handelt es sich bei dem weiteren Riemenrad 8e um das zweite Riemenrad 8b. D.h. das zweite der Elektromaschine zugeordnete Riemenrad 8b dient gleichzeitig als Riemenrad 8e zum Antrieb des Klimakompressors 10'.
Die Elektromaschine 3 kann als Generator Leistung aufnehmen oder Leistung in den Antriebsstrang 7 einspeisen. Das Getriebe 4 umfasst mehrere Gänge, mit denen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisiert werden können.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
2: Brennkraftmaschine
3: Elektromaschine
3a: Antriebswelle der Elektromaschine
4: Getriebe
5: erste Kupplung
6: zweite Kupplung
7: Antriebsstrang
8: Riementrieb
8a: erstes Riemenrad
8b: zweites Riemenrad
8c: Riemen
8d: Riemenrad
8d': gemeinsames Riemenrad
8e: weiteres, angetriebenes Riemenrad
9a: erste Pumpe
9b: zweite Pumpe
10: Nebenaggregat
10': Klimakompressor
10a: Antriebswelle des Nebenaggregats

Claims

Antriebseinheit (1) umfassend eine Brennkraftmaschine (2), eine zu einem elektrischen Antrieb gehörende Elektromaschine (3), ein Getriebe (4) und mindestens zwei Kupplungen (5, 6), bei der - zwei Kupplungen (5, 6) zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Getriebe (4) in einem Antriebsstrang (7) angeordnet sind, wobei eine erste Kupplung (5) brennkraftmaschinenseitig und eine zweite Kupplung (6) getriebeseitig angeordnet ist, und - ein Riementrieb (8) vorgesehen ist, der neben dem Riemen (8c) als Zugmittel ein im Antriebsstrang (7) zwischen der ersten Kupplung (5) und der zweiten Kupplung (6) angeordnetes erstes Riemenrad (8a) sowie ein zweites Riemenrad (8b), das auf einer Welle (3a) der Elektromaschine (3) angeordnet ist, umfasst, wobei der Riemen (8c) um das erste Riemenrad (8a) sowie das zweite Riemenrad (8b) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass - zur Kühlung der Brennkraftmaschine (2) eine erste Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, die eine erste Pumpe (9a) zur Förderung von Kühlmittel umfasst, wobei die erste Pumpe (9a) via einem Riemenrad (8d) mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar ist, und - zur Kühlung des elektrischen Antriebs eine zweite Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, die eine zweite Pumpe (9b) zur Förderung von Kühlmittel umfasst, wobei die zweite Pumpe (9b) via einem Riemenrad (8d) mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (9a) unter Verwendung einer Kupplung mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Pumpe (9b) unter Verwendung einer Kupplung mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar ist.
Antriebseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (9a) und die zweite Pumpe (9b) unter Verwendung einer gemeinsamen Kupplung mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar sind.
Antriebseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (9a) und die zweite Pumpe (9b) via einem gemeinsamen Riemenrad (8d') mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar sind.
Antriebseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (9a) und die zweite Pumpe (9b) eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen, die mit dem Riementrieb (8) antriebsverbindbar ist.
Antriebseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (9a) und die zweite Pumpe (9b) auf gegenüberliegenden Seiten des Riementriebs (8) angeordnet sind.
Antriebseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres, angetriebenes Riemenrad (8e), das auf einer Welle (10a) eines Nebenaggregats (10) angeordnet ist, vorgesehen ist, wobei der Riemen (8c) um das weitere angetriebene Riemenrad (8e) geführt ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere angetriebene Riemenrad (8e) das zweite Riemenrad (8b) ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenaggregat (10) und die Elektromaschine (3) auf gegenüberliegenden Seiten des Riementriebs (8) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (5) und die zweite Kupplung (6) geschlossen werden, um die Brennkraftmaschine (2) mit dem Getriebe (4) zu verbinden und um bei befeuerter Brennkraftmaschine (2) Leistung in den Antriebsstrang (7) abzugeben.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Antriebsstrang (7) via Riementrieb (8) antriebsverbundene Elektromaschine (3) verwendet wird, um bei befeuerter Brennkraftmaschine (2) als zuschaltbarer Hilfsantrieb einen angeforderten Leistungsmehrbedarf zu befriedigen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Antriebsstrang (7) via Riementrieb (8) antriebsverbundene Elektromaschine (3) verwendet wird, um bei befeuerter Brennkraftmaschine (2) als zuschaltbarer Generator einen von der Brennkraftmaschine (2) bereitgestellten Leistungsüberschuss aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (5) geöffnet und die zweite Kupplung (6) geschlossen wird, um bei unbefeuerter Brennkraftmaschine (2) unter Verwendung der Elektromaschine (3) Leistung in den Antriebsstrang (7) abzugeben.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (5) geöffnet und die zweite Kupplung (6) geschlossen wird, um bei unbefeuerter Brennkraftmaschine (2) unter Verwendung der Elektromaschine (3) als Generator Leistung im Rahmen einer Energierückgewinnung aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer befeuerten Brennkraftmaschine (2) und einer mittels Riementrieb (8) angetriebenen ersten Pumpe (9a), die erste Pumpe (9a) beim Abschalten der Brennkraftmaschine (2) für eine vorgebbare Betriebsdauer weiter angetrieben wird, um eine Nachlaufkühlung mittels der ersten Flüssigkeitskühlung zu realisieren.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (3) als eine riementriebzugehörige Startvorrichtung zum Starten der unbefeuerten Brennkraftmaschine (2) verwendet wird, wozu die erste Kupplung (5) geschlossen und die zweite Kupplung (6) geöffnet wird.