DE102020204675A1

DE102020204675A1 - Pumpen-System mit Kupplungen

Info

Publication number: DE102020204675A1
Application number: DE102020204675.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Koch; Mohamed Lamzoughi; Björn Ritter
Original assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-10-14
Anticipated expiration: 2040-04-15
Also published as: US20230029138A1; DE102020204675B4; JP2023530811A; KR20220101706A; CN115038898A; WO2021209854A1

Abstract

Ein Pumpen-System für ein Kraftfahrzeug mit einer ersten Pumpe (1) und einer zweiten Pumpe (2), welche durch einen Elektromotor (E) und/oder einen Verbrennungsmotor (V) antreibbar sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Pumpe (1) und die zweite Pumpe (2) über eine Kupplung koppelbar sind.Ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpen-Systems in einem Kraftfahrzeug beinhaltet das Antreiben einer ersten (1) und einer zweiten Pumpe (2) durch einen Elektromotor (E) und/oder einen Verbrennungsmotor (V) durch Koppeln der ersten (1) und einer zweiten Pumpe (2).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Pumpen-System für ein Kraftfahrzeug mit einer ersten Pumpe und einer zweiten Pumpe, welche durch einen Elektromotor und/oder einen Verbrennungsmotor antreibbar sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpen-Systems in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor und einem Pumpen-System.
Die Reduzierung des Kraftstoff- und Energieverbrauches bei Kraftfahrzeugen ist ein zentraler Entwicklungsschwerpunkt in der Automobilindustrie. Neben der Entwicklung von neuen Technologien kommt der Optimierung von bestehenden Komponenten eine zunehmende Bedeutung zu. Hier sind nennenswerte Einsparpotenziale zu realisieren, ohne die immensen Kosten, die neue Systeme verursachen können. Das Schlagwort hierbei heißt „bedarfsorientierte Nebenaggregate“.
Die Ölpumpe ist ein Beispiel und ein wichtiger Bestandteil des Motors und des Getriebes. Die Ölpumpe hat drei Aufgaben zu bewältigen: Schmierung, Kühlung, Steuerung verschiedener hydraulischer Stellelemente. Diese Stellelemente werden von der Motorsteuerung aus betätigt. Der hierfür notwendige Druck ist von der Ölpumpe bereitzustellen.
Bei modernen Antriebskonzepten ist zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen oft eine Schaltung vorgesehen, die bei Vorliegen bestimmter Bedingungen automatisch den Fahrzeugantriebsmotor abschaltet. Dies kann beispielsweise beim sogenannten Segelbetrieb während des Ausrollens des Fahrzeugs sowie bei Stillstand des Fahrzeugs der Fall sein und ist unter dem Begriff Start-Stop-Funktionalität bekannt. Wenn ermittelt wird, dass der Fahrer die Fahrt fortsetzen will bzw. dass er mittels einer Fahrpedalbetätigung wieder ein Antriebsmoment vom Fahrzeugantriebsmotor abfordert, dann wird der Fahrzeugantriebsmotor ohne weitere Bedienschritte des Fahrers erneut gestartet, im Automatikgetriebe ein entsprechender Fahrgang eingelegt oder beibehalten und eine Fahrkupplung geschlossen.
Da eine vom Fahrzeugantriebsmotor mechanisch angetriebene Ölpumpe bei Stillstand des Motors ebenfalls keine Leistung bereitstellt, ist es bekannt, eine elektrisch angetriebene Zusatzölpumpe vorzusehen, welche bei Stillstand des Fahrzeugantriebsmotors entweder die Hydraulikversorgung durchgehend aufrecht erhält, oder zumindest im Bedarfsfall einen entsprechenden Ölstrom bei benötigtem Druck zur Verfügung stellt, um ein hydraulisches Schalten des Automatikgetriebes und gegebenenfalls die Versorgung weiterer Aggregate oder Komponenten zu ermöglichen.
Stand der Technik
Aus der DE 102005013137A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Ölversorgung für ein Automatikgetriebe und ein Anfahrelement in einem Fahrzeug, bei der wenigstens zwei Ölpumpen zur Versorgung von zumindest einer hydraulischen Steuereinrichtung des Automatikgetriebes und/oder des Anfahrelementes in einem Hochdruckzweig bzw. in einem Niederdruckzweig vorgesehen sind, bekannt.
Aus der DE 10162973A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung des Antriebs einer Ölversorgung bekannt, welche neben einer mechanischen Ölpumpe eine elektrische Ölpumpe aufweist. Beide Ölpumpen dienen der Versorgung einer hydraulischen Steuereinheit zur Ansteuerung eines Automatikgetriebes und einer zwischen Antriebsmotor und Getriebe befindlichen Kupplung. Um auch bei einer Abschaltung des Antriebsmotors einen ausreichenden Hydraulikdruck und entsprechenden Ölmassenstrom zum Schalten des Automatikgetriebes und der Kupplung zur Verfügung zu haben, wird bei Unterschreitung eines Drehzahlgrenzwertes des Antriebsmotors bzw. des damit zusammenhängenden hydraulischen Druckes der mechanischen Ölpumpe aufgrund bestimmter Kriterien die elektrische Ölpumpe aktiviert. Nachdem der Antriebsmotor erneut in Betrieb genommen wurde und seine Drehzahl oberhalb einer zweiten Drehzahlschwelle liegt, wird die elektrische Ölpumpe wieder abgeschaltet.
Aus der US 2012/0269653A1 ist ein Fluid-Pumpen-System für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bekannt, wobei ein Planeten-Getriebe mit einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einer Pumpe gekoppelt wird. Durch Zusammenwirken des Elektromotors und des Verbrennungsmotor über ein gemeinsames Getriebe wird die Pumpe effizient im vorliegendem Leistungsbereich betrieben.
Im Stand der Technik sind Pumpen aus Kostengründen häufig Konstant-Pumpen, d.h. das Fördervolumen ist nicht verstellbar. Um eine bedarfsgerechte Versorgung durch eine Pumpe zu ermöglichen, kann diese als Verstell-Pumpe oder Schalt-Pumpe eingerichtet sein. Diese sind jedoch aufwändiger gestaltet, verursachen höhere Kosten und weißen häufig einen geringeren Wirkungsgrad auf.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpen-System für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpen-Systems in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches die Anforderungen an einen benötigten Volumenstrom und Druck energetisch günstig und mit geringem apparativen Aufwand erfüllt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 10 gelöst. In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung. Darüber hinaus wird in Patentanspruch 12 ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor und einem Pumpen-System gemäß Anspruch 1 beansprucht.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass ein benötigter Volumenstrom und Druck variabel und situativ regelbar sein müssen, um den Energieverbrauch der Pumpen und damit den Kraftstoffverbrauch bzw. der Gesamtenergieverbrauch eines Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Gleichzeitig wurde erkannt, dass es sinnvoll ist, die bereits bekannten Aggregate eines Pumpen-Systems aus dem Stand der Technik in eine neues optimiertes Pumpen-Systems zu integrieren, um den konstruktiven Aufwand gering zu halten. Um diese beiden Grundgedanken aufzugreifen, müssen sich die vorhandenen Pumpen, die sich häufig in ihrer Leistung unterscheiden, sowohl variabel durch die jeweiligen Antriebsaggregate als auch unabhängig voneinander antreiben lassen. Dies wird ermöglicht, indem die einzelnen Komponenten des Pumpensystems, insbesondere die Pumpen und die Antriebsaggregate, durch Kupplungen miteinander verbunden werden, welche im jeweiligen Bedarfsfall gekoppelt und entkoppelt werden.
Unter Nutzung dieser Erkenntnisse stellt die Erfindung ein Pumpen-System für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei das Pumpen-System aufweist: eine erste Pumpe und eine zweite Pumpe, welche durch einen Elektromotor und/oder einen Verbrennungsmotor antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe und die zweite Pumpe über eine Kupplung koppelbar sind.
Die Erfindung sorgt somit dafür, dass eine erste und eine zweite Pumpe sowohl entkoppelt, folglich unabhängig voneinander, als auch gekoppelt durch einen Verbrennungsmotor und/oder einen Elektromotor angetrieben werden können. Dadurch werden der benötigte Volumenstrom und Druck variabel, individuell und situativ auf den im Kraftfahrzeug vorliegenden Bedarf durch Zuschalten und Abschalten der beiden Pumpen angepasst. Dies hat den Vorteil, dass nur der Volumenstrom und Druck zur Verfügung gestellt wird, welcher auch benötigt wird. Folglich wird eine Pumpe nur dann angetrieben, wenn ein Bedarf an einem Volumenstrom und Druck besteht und der Energieverbrauch gegenüber einer permanent angetriebenen Pumpe wird verringert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Pumpe in einem Leistungsbereich betrieben werden kann, der hinsichtlich ihres Energieverbrauchs optimal ist. Mit anderen Worten kann eine Pumpe dann zugeschaltet werden, wenn der benötigte Volumenstrom und Druck dem Volumenstrom und Druck entsprechen, bei welchen die Pumpe im Hinblick auf ihren Energieverbrauch effizient arbeitet. Gleichzeitig ist es möglich eine Pumpe abzuschalten, wenn der Betrieb in einen Leistungsbereich fällt, der durch eine andere Pumpe effizienter abgedeckt werden kann. Auf diese Weise wird letztendlich der Energie- Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs gesenkt.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass im vorliegenden Pumpen-System Pumpen eingesetzt werden, welche bereits standardmäßig in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden. Dies ermöglicht es, den konstruktiven Aufwand und folglich die Kosten für die Herstellung des Pumpen-Systems gering zu halten.
Bevorzugt ist das Pumpen-System derart eingerichtet, dass der Verbrennungsmotor und die erste Pumpe über eine erste Kupplung koppelbar sind, und die erste Pumpe und eine zweite Pumpe über eine zweite Kupplung koppelbar sind, und der Elektromotor und die zweite Pumpe über eine dritte Kupplung koppelbar sind. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die erste Pumpe auch unabhängig vom Verbrennungsmotor durch Kupplung an die zweite Pumpe, welche an den Elektromotor gekoppelt ist, angetrieben werden kann. Umgekehrt kann auch die zweite Pumpe unabhängig vom Elektromotor durch Kupplung an die erste Pumpe, welche an den Verbrennungsmotor gekoppelt ist, angetrieben werden. Außerdem können die erste Pumpe, Verbrennungsmotor, und die zweite Pumpe, gekoppelt an den Elektromotor, unabhängig voneinander angetrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass bei Abschaltung des Verbrennungsmotors im Kraftfahrzeug auf die Pump-Leistung beider Pumpen zurückgegriffen werden kann. Steht hingegen nicht genug elektrische Energie im Kraftfahrzeug zur Verfügung, kann der Verbrennungsmotor den Antrieb beider Pumpen übernehmen. Das Pumpensystem bzw. beide Pumpen sind folglich unabhängig vom Energie-Versorgungszustand des Kraftfahrzeugs zu betreiben.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei hohem Bedarf an Volumenstrom und Druck, nur auf die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors zum Antrieb beider Pumpen zurückgegriffen werden kann, da der Betrieb im oberen Leistungsbereich der Pumpen effizienter durch den Verbrennungsmotor ausgeführt werden kann.
Gleichzeitig ist es vorteilhaft bei geringem Bedarf an Volumenstrom und Druck nur die zweite Pumpe durch Entkoppeln der ersten Pumpe vom Verbrennungsmotor und von der ersten Pumpe durch den Elektromotor anzutreiben, da im unteren Leistungsbereich der Pumpen der Antrieb mit dem Elektromotor effizienter ist.
In einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Pumpen-System derart gestaltet, dass eine Druckleitung der ersten Pumpe und eine Druckleitung der zweiten Pumpe über eine Verbindungsleitung verbunden sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Druckleitungen der ersten und der zweiten Pumpe in Kommunikation stehen und die Volumenströme wechselseitig umgeleitet werden können. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Volumenstrom und Druck in einer Druckleitung durch Zuführung des Volumenstroms der anderen Leitung erhöht oder eine Zieleinheit von beiden Pumpen mit einem Volumenstrom und Druck versorgt werden kann.
In einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Pumpen-System derart eingerichtet, dass in den Druckleitungen und/oder Verbindungsleitungen mindestens ein regelbares und/oder nicht-regelbares Ventil verbaut ist, insbesondere ein Stromventil, Rückschlagventile, Druckventil, oder Wegeventil. Dies ermöglicht es, den Volumenstrom und Druck zu regeln. Hierbei ist es beispielsweise vorteilhaft, dass Schwankungen im Volumenstrom und Druck abgefedert werden können.
Weiterhin können die Volumenströme und Drücke in den Druckleitungen nach der ersten und der zweiten Pumpe regelbar in Kommunikation stehen bzw. ein Volumenstrom in der Druckleitung der ersten Pumpe in die Druckleitung der zweiten Pumpe definiert umgeleitet werden oder umgekehrt. Dies hat den Vorteil, dass ein Volumenstrom bedarfsgerecht umgeleitet und geregelt werden kann.
Bevorzugt wird weiterhin für das Pumpensystem, dass die Druckleitung der ersten Pumpe und die Druckleitung der zweiten Pumpe mit mindestens einer Zieleinheit, insbesondere mit zwei sich unterscheidenden Zieleinheiten, verbunden sind. Hierdurch wird erreicht, dass mehrere Ziele gleichzeitig mit einem jeweiligen Volumenstrom und Druck versorgt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Pumpensystem eine Vielzahl von Verbrauchern versorgt.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Pumpensystem derart ausgeführt, dass eine erste Zieleinheit eine hydraulische Steuerungs-Einheit und eine zweite Zieleinheit eine Einheit für ein zu kühlendes und zu schmierendes Getriebe ist, insbesondere ein Automatikgetriebe. Auf diese Weise ist es möglich, dass gleichzeitig ein Getriebe geschmiert und gekühlt werden kann, während in einer hydraulische Steuerungseinheit durch das gepumpte eine Hydraulik betätigt wird. Der Vorteil liegt darin, dass dasselbe Fluid, insbesondere ein ölbasierendes Fluid, verwendet werden kann, welches über beide Pumpen gepumpt werden kann.
Bevorzugt wird weiterhin, dass im Pumpen-System die erste und die zweite Kupplung Schaltkupplungen sind, und die dritte Kupplung eine Einweg-Kupplung ist, wobei die Schaltkupplungen insbesondere mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden. Dies ermöglicht es, dass die erste Pumpe vom Verbrennungsmotor und der zweiten Pumpe variabel und vollständig entkoppelt werden können, wobei der Kopplungsvorgang mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch ausführbar ist. Es ist dabei vorteilhaft, dass das Koppeln mittels der Schaltkupplungen gesteuert und geregelt werden kann.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass die einzelnen Aggregate unabhängig voneinander mit einer bestimmten Drehzahl betrieben werden können.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weißt das Pumpen-System eine Einweg-Kupplung auf, die entgegen der Rotationsrichtung einer Welle des Verbrennungsmotors einen Freilauf aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei geschlossenen Schaltkupplungen kein Drehmoment des Verbrennungsmotors auf den Elektromotor übertragen wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Elektromotor nicht überdreht wird, wenn die maximale Drehzahl des Verbrennungsmotors höher als die des Elektromotors ist, was ansonsten den Energieverbrauch erhöhen würde.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass der Einsatz einer Einweg-Kupplung einen geringeren konstruktiven Aufwand darstellt, was wiederrum die Herstellungskosten des Pumpen-Systems senkt.
Bevorzugt wird weiterhin, dass die Pumpen des Pumpensystems Konstant-Pumpen und/oder Verstell-Pumpen und/oder Schalt-Pumpen sind, insbesondere Strömungspumpen oder Verdrängungspumpen. Bei Konstant-Pumpen ist das Fördervolumen nicht verstellbar und ihr Betrieb bzw. ihre Leistung sind direkt vom Betrieb bzw. der Leistung des Verbrennungsmotors oder des Elektromotors abhängig. Der Betrieb der Konstant-Pumpen im vorliegenden Pumpen-System ist durch die lösbare Kopplung über Kupplungen an den Verbrennungsmotor oder den Elektromotor jedoch variabel. Es ergibt sich dadurch der Vorteil, dass sich durch die Verwendung von Konstant-Pumpen der konstruktive Aufwand und die Kosten gegenüber der Verwendung von Verstell- oder Schalt-Pumpen reduzieren und der Gesamt-Wirkungsgrad erhöhen lässt.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpen-Systems in einem Kraftfahrzeug bereit, umfassend ein Antreiben einer ersten und einer zweiten Pumpe durch einen Elektromotor und/oder einen Verbrennungsmotor durch Koppeln der ersten und einer zweiten Pumpe.
Das Verfahren sorgt somit dafür, dass eine erste und eine zweite Pumpe sowohl entkoppelt, folglich unabhängig voneinander, als auch gekoppelt durch einen Verbrennungsmotor und/oder einen Elektromotor angetrieben werden können. Dadurch werden der benötigte Volumenstrom und Druck variabel, individuell und situativ auf den im Kraftfahrzeug vorliegenden Bedarf durch Zuschalten und Abschalten der beiden Pumpen angepasst. Dies hat den Vorteil, dass nur der Volumenstrom und Druck zur Verfügung gestellt wird, welcher auch benötigt wird. Folglich wird eine Pumpe nur dann angetrieben, wenn ein Bedarf an einem Volumenstrom und Druck besteht und der Energieverbrauch gegenüber einer permanent angetriebenen Pumpe wird verringert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Pumpe in einem Leistungsbereich betrieben werden kann, der hinsichtlich ihres Energieverbrauchs optimal ist. Mit anderen Worten kann eine Pumpe dann zugeschaltet werden, wenn der benötigte Volumenstrom und Druck dem Volumenstrom und Druck entsprechen, bei welchen die Pumpe im Hinblick auf ihren Energieverbrauchs effizient arbeitet. Gleichzeitig ist es möglich eine Pumpe abzuschalten, wenn der Betrieb in einen Leistungsbereich fällt, der durch eine andere Pumpe effizienter abgedeckt werden kann. Auf diese Weise wird letztendlich der Energie- Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs gesenkt.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass im vorliegenden Pumpen-System Pumpen eingesetzt werden, welche bereits standardmäßig in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden. Dies ermöglicht es, den konstruktiven Aufwand und folglich die Kosten für die Herstellung des Pumpen-Systems gering zu halten.
Ein bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor die erste Pumpe durch Koppeln einer ersten Kupplung antreibt, und der Elektromotor die zweite Pumpe durch Koppeln einer dritten Kupplung antreibt, oder der Verbrennungsmotor die erste Pumpe und die zweite Pumpe durch Koppeln einer ersten und der dritten Kupplung antreibt, oder der Elektromotor die erste Pumpe und die zweite Pumpe durch Koppeln der zweiten und der dritten Kupplung antreibt. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die erste Pumpe auch unabhängig vom Verbrennungsmotor durch Kupplung an die zweite Pumpe, welche an den Elektromotor gekoppelt ist, angetrieben werden kann. Umgekehrt kann auch die zweite Pumpe unabhängig vom Elektromotor durch Kupplung an die erste Pumpe, welche an den Verbrennungsmotor gekoppelt ist, angetrieben werden. Außerdem können die erste Pumpe, Verbrennungsmotor, und die zweite Pumpe, gekoppelt an den Elektromotor, unabhängig voneinander angetrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass bei Abschaltung des Verbrennungsmotors im Kraftfahrzeug auf die Pump-Leistung beider Pumpen zurückgegriffen werden kann. Steht hingegen nicht genug elektrische Energie im Kraftfahrzeug zur Verfügung, kann der Verbrennungsmotor den Antrieb beider Pumpen übernehmen. Das Pumpensystem bzw. beide Pumpen sind folglich unabhängig vom Energie-Versorgungszustand des Kraftfahrzeugs zu betreiben.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei hohem Bedarf an Volumenstrom und Druck, nur auf die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors zum Antrieb beider Pumpen zurückgegriffen werden kann, da der Betrieb im oberen Leistungsbereich der Pumpen effizienter durch den Verbrennungsmotor ausgeführt werden kann.
Gleichzeitig ist es vorteilhaft bei geringem Bedarf an Volumenstrom und Druck nur die zweite Pumpe durch Entkoppeln der ersten Pumpe vom Verbrennungsmotor und von der zweiten Pumpe durch den Elektromotor anzutreiben, da im unteren Leistungsbereich der Pumpen der Antrieb mit dem Elektromotor effizienter ist.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtungen und des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Von diesen Zeichnungen zeigt:

1 einen schematischen Schaltplan des Pumpen-Systems;
2 ein Druck-Volumenstrom-Diagramm der einzelnen Betriebszustände des Pumpen-Systems;
3 eine Tabelle der verschiedenen Kopplungsmöglichkeiten der Kupplungen entsprechend der Betriebszustände des Pumpen-Systems;
4a einen schematischen Schaltplan des Pumpen-Systems während des Schaltungsvorgangs des Kraftfahrzeugs;
4b einen schematischen Schaltplan des Pumpen-Systems während des Kupplung-Halten-Vorgangs des Kraftfahrzeugs.
4c einen schematischen Schaltplan des Pumpen-Systems während der Kühlung und Schmierung des Getriebes des Kraftfahrzeugs;
4d einen schematischen Schaltplan des Pumpen-Systems während des Start-Stop-Vorgangs des Kraftfahrzeugs;
4e einen schematischen Schaltplan des Pumpen-Systems während der Kühlung und Schmierung des Getriebes des Kraftfahrzeugs im Hybrid-Modus;
5a ein Fließschema für die Betätigung der Kupplungen gemäß den Betriebszuständen;
5b ein Fließschema für die Betätigung der Kupplungen gemäß den Betriebszuständen;
5c ein Fließschema für die Betätigung der Kupplungen gemäß den Betriebszuständen;

Beschreibung von Ausführungsformen
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass einzelne, jeweils in verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale auch in einer einzigen Ausführungsform umgesetzt werden können, sofern sie nicht strukturell inkompatibel sind. Gleichermaßen können verschiedene Merkmale, die im Rahmen einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in mehreren Ausführungsformen einzeln oder in jeder geeigneten Unterkombination vorgesehen sein. Ferner sind sämtliche Merkmale, die vorangehend oder nach-folgend mit Bezug auf das Verfahren erwähnt werden, auf das System anwendbar und umgekehrt.
1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform des beanspruchten Pumpen-Systems 100. Das Pumpen-System 100 weißt dabei einen Verbrennungsmotor V auf, der insbesondere als Hauptaggregat zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist, und auch als Brennkraftmaschine bekannt ist. Der Verbrennungsmotor V kann beispielsweise ein Reihenmotor, V-Motor, VR-Motor, H-Motor, W-Motor, Boxermotor, Sternmotor, oder dergleichen sein.
Weiterhin ist gemäß dieser Ausführungsform ein Elektromotor E für das Pumpen-System 100 vorgesehen, dessen Leistung vorzugsweise geringer als die des Verbrennungsmotor V ist. Der Elektromotor E kann jedoch auch derart eingerichtet sein, sodass dieser auch als Hauptaggregat zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Elektromotor E als Drehstrom-, Linear-, Wechselstrom-, Gleichstrom, Universal-, Repulsions-Motor, oder dergleichen ausgeführt sein.
Das Pumpen-System 100 beinhaltet entsprechend der Ausführungsform eine erste Pumpe 1, auch als Haupt-Pumpe bezeichnet, und eine zweite Pumpe 2, auch als Neben-Pumpe bezeichnet. Die erste Pumpe 1 ist vorzugsweise größer dimensioniert als die zweite Pumpe 2. Unter größer dimensioniert versteht man ein größeres Fördervolumen infolge eines größeren Hubvolumens. Gemäß der Ausführungsform sind die Pumpen 1, 2 vorzugsweise als Konstant-Pumpen vorgesehen, können jedoch bei Bedarf auch als Verstell- und/oder Schalt-Pumpen eingerichtet sein. Die Pumpen 1,2 sind beispielsweise Axial-, Diagonal, Radial-, Drehkolben-, Kreiselkolben-, Impeller-Pumpen oder dergleichen. Die Förderleistung der Konstant-Pumpen ist insbesondere direkt abhängig von der übertragenen Leistung der Antriebsaggregate. Anders ausgedrückt, der geförderte Volumenstrom und der dabei anliegende Druck wird durch das übertragene Drehmoment des Verbrennungsmotors V oder des Elektromotors E bestimmt.
Im Pumpen-System 100 dieser Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor V und die erste Pumpe 1 über eine erste Kupplung c1 gekoppelt. Auf diese Weise ist es möglich, ein vom Verbrennungsmotor V erzeugtes Drehmoment auf die Pumpe 1 zu übertragen. Insbesondere koppelt die Kupplung c1 eine Welle, die durch den Verbrennungsmotor V angetrieben wird, mit einer weiteren Welle, welche die erste Pumpe 1 antreibt. Die Kupplung c1 ist insbesondere als Schalt-Kupplung ausgelegt, sodass die Welle der ersten Pumpe 1 und die Welle des Verbrennungsmotors V wahlweise getrennt bzw. verbunden werden können. Zusätzlich wird bevorzugt, dass die Kupplungen beispielsweise mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden können, sodass diese über eine Steuereinheit steuerbar sind.
Eine zweite Kupplung c2 koppelt die erste 1 und die zweite Pumpe 2. Diese Kupplung ist ebenfalls vorzugsweise als Schalt-Kupplung vorgesehen, und kann entsprechend wie oben beschrieben betätigt werden, folglich wahlweise getrennt bzw. verbunden werden. Auf diese Weise kann ein Drehmoment, welches an der ersten Pumpe 1 anliegt auf die zweite Pumpe 2 übertragen werden. Die Kupplung c2 koppelt dabei insbesondere die Welle der ersten Pumpe und eine Welle der zweiten Pumpe 2.
Der Elektromotor E ist in der vorliegenden Ausführungsform des Pumpen-Systems mit der zweiten Pumpe 2 über die Kupplung c3 gekoppelt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass diese Kupplung eine Einweg-Kupplung ist, sodass diese besonders bevorzugt entgegen der Laufrichtung des Elektromotors E einen Freilauf hat. Der Elektromotor kann dadurch nicht von der zweiten Pumpe entkoppelt werden. Auf diese Weise ist es möglich ein vom Elektromotor E erzeugtes Drehmoment auf die Pumpe 2 zu übertragen. Insbesondere koppelt die Kupplung c3 eine Welle, die durch den Elektromotor E angetrieben wird, mit einer weiteren Welle, welche die zweite Pumpe 2 antreibt.
Im Pumpen-System 100 der vorliegenden Ausführungsform ist weiterhin ein Tank T vorgesehen, welcher als Speicher-Behältnis des zu pumpenden Fluids, insbesondere eines ölbasierendes Fluids, dient. Der Tank T ist entsprechend des schematischen Schaltplans über eine Verbindungsleitung mit der Saugseite der Pumpen 1,2 verbunden.
Weiterhin ist das Pumpen-System 100 so ausgeführt, dass in der Druckleitung 5, 6 der Pumpen 1,2, welche entsprechend an der Druckseite der Pumpen 1,2 vorgesehen ist, ein Rückschlagventil 3,4 verbaut ist, sodass ein Rückfluss des Fluids in Richtung der Pumpen verhindert wird.
Laut dem Schaltplan ist das Pumpen-System 100 so eingerichtet, dass nach den Rückschlagventilen 3,4 die Druckleitungen 5,6 der ersten 1 und der zweiten Pumpe 2 über eine Verbindungsleitung 7 verbunden sind, wobei insbesondere an der Verbindungsstelle zwischen der Druckleitung der zweiten Pumpe 2 und der der Verbindungsleitung 7 eine hydraulisches Ventil 8 verbaut ist, welches den Fluidstrom durch die Verbindungsleitung 7 regelt.
Das Pumpen-System 100 ist in der beschriebenen Ausführungsform dafür vorgesehen, eine erste 10 und eine zweite Zieleinheit 9 mit einem bestimmten Volumenstrom des Fluids und einem bestimmten Druck zu versorgen. Die erste Zieleinheit 10 ist insbesondere eine hydraulische Steuerungseinheit eines Getriebes, in welcher zum Stellen verschiedene hydraulischer Stellelemente ein bestimmter Druck benötigt wird. Die hydraulischen Stellelemente sind beispielsweise Teil eines Getriebes, insbesondere eines Automatikgetriebes, eines Kraftfahrzeugs. In einer zweiten Zieleinheit 9 ist beispielweise ein Getriebe, insbesondere ein Automatikgetriebe, eines Kraftfahrzeugs mit dem gepumpten Fluid zu schmieren und zu kühlen.
Anhand der 2, 3 und 4a-e wird nachfolgend beispielhaft ein Verfahren zum Antreiben eines Pumpen-Systems 100 in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Dazu werden unterschiedliche Operationsmodi des Verfahrens erläutert, die ausgewählten Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs entsprechen.
2 ist ein Druck-Volumenstrom-Diagramm, welches den Bedarf an einem Fluid-Volumenstrom in Zusammenhang mit einem notwendigen Druck des Fluids hinsichtlich unterschiedlicher Betriebszustände des Kraftfahrzeugs wiederspiegelt. Die Betriebszustände beziehen sich unter anderem auf ein Getriebe, insbesondere ein Automatikgetriebe, und den Antriebsmodus eines Kraftfahrzeugs. Hier wird insbesondere unterschieden zwischen die Betriebszuständen „Schalten“, „Kupplung halten“, „Schmieren und Kühlen“. Darüber hinaus gibt es die Betriebszustände „Start-Stop“ und „Hybrid“. Diese Betriebszustände können auch als zeitliche Phasen oder Vorgänge während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs verstanden werden.
Der Betriebszustand „Schalten“ beinhaltet insbesondere das Wechseln eines Gangs, oder anderes ausgedrückt die Änderung der Drehzahlübersetzung im Getriebe. Während dieses Vorgangs wird der Druck p1 und der Volumenstrom V1 benötigt.
Der Betriebszustand „Kupplung halten“ beschreibt insbesondere den Zustand, in welchem die Schaltkupplung für die Getriebegangwahl aktiv betätigt werden muss. Während dieses Vorgangs wird der Druck p2 und der Volumenstrom V2 benötigt.
Der Betriebszustand „Schmieren und Kühlen“ liegt vorzugsweise während der Übertragung von Drehmoment durch das Getriebe über den Antriebsstrang an die Räder des Kraftfahrzeugs vor, oder anders ausgedrückt während Kraft über das Getriebe übertragen wird. Während dieses Vorgangs wird der Druck p3 und der Volumenstrom V3 benötigt.
Der Betriebszustand „Start-Stop“ liegt vorzugsweise vor, wenn das Kraftfahrzeug nicht in Bewegung ist. Während dieses Betriebszustand ist insbesondere der Verbrennungsmotor V nicht in Betrieb. Während dieses Vorgangs wird der Druck p4 und der Volumenstrom V4 benötigt.
Der Betriebszustand „Hybrid“ liegt vor, wenn im Kraftfahrzeug vorzugsweise der Verbrennungsmotor V und der Elektromotor E betrieben wird. Während dieses Vorgangs wird der Druck p5 und der Volumenstrom V5 benötigt.
Für den benötigten Volumenstrom der hier beschriebenen Ausführungsform gilt insbesondere: V1 < V4 < V2 < V5 < V3
Für den benötigten Druck des Fluids in der hier beschriebenen Ausführungsform gilt insbesondere: p1 > p2 > p3 = p4 = p5
3 und 4a-e veranschaulichen entsprechend der oben beschriebenen Betriebszustände des Kraftfahrzeugs den Betrieb der ersten 1 und der zweiten Pumpe 2, welche durch Koppeln der Kupplungen c1, c2, c3 von den Antriebsaggregaten V und E angetrieben werden.
Während des Betriebszustands „Schalten“ (4a) im Kraftfahrzeug wird der Volumenstrom V1 und der Druck p1 benötigt. Dieser Volumenstrom und Druck wird hinsichtlich der dazu aufzuwendenden Antriebsenergie besonders effizient durch den Betrieb von nur der ersten Pumpe 1 mit Hilfe des Verbrennungsmotors V geliefert. Mit anderen Worten, der Energieverbrauch zur Bereitstellung des benötigten Volumenstroms und Drucks ist durch den Betrieb der ersten Pumpe 1 durch Koppelung an den Verbrennungsmotor V geringer als durch alle anderen Konfigurationen. Anders ausgedrückt, im geforderten Leistungsbereich ist die aufzuwendende Energie zum Betrieb der Pumpe 1 durch Kopplung an den Verbrennungsmotor V am geringsten. Dazu wird die Kupplung c1 gekoppelt. Die Kupplung c2 hingegen bleibt offen und der Elektromotor E ist außer Betrieb. Während des Schaltvorgangs wird mit Hilfe der ersten Pumpe 1 das ölbasierende Fluid aus dem Tank 1 zur hydraulischen Steuerungseinheit 10 gefördert, wodurch ein Stellen der Stellglieder im Getriebe und damit ein „Schalten“ ermöglicht wird.
Während des Betriebszustand „Kupplung halten“ (4b) im Getriebe wird der Volumenstrom V2 und der Druck p2 benötigt. Dieser Volumenstrom und Druck wird hinsichtlich der dazu aufzuwendenden Antriebsenergie besonders effizient durch den Betrieb von der ersten 1 und der zweiten Pumpe 2 mit Hilfe des Verbrennungsmotors V geliefert. Dazu werden die Kupplungen c1 und c2 gekoppelt und der Elektromotor E ist außer Betrieb. Durch den entgegen der Rotationsrichtung des Verbrennungsmotor V vorhandenen Leerlauf der Einwegkupplung c3 liegt am Elektromotor E kein Drehmoment an. Während die Kupplung des Getriebeganges gehalten wird, wird mit Hilfe der ersten 1 und der zweiten Pumpe 2 das ölbasierende Fluid aus dem Tank 1 zur hydraulischen Steuerungseinheit 10 und in das Getriebe 9 gefördert. Im Getriebe des Kraftfahrzeugs wird die Kupplung gehalten, wobei jenes gleichzeitig geschmiert und gekühlt wird.
Während des Betriebszustands „Schmieren und Kühlen“ (4c) im Kraftfahrzeug wird der Volumenstrom V3 und der Druck p3 benötigt. Dieser Volumenstrom und Druck wird hinsichtlich der dazu aufzuwendenden Antriebsenergie ebenfalls besonders effizient durch den Betrieb von der ersten 1 und der zweiten Pumpe 2 mit Hilfe des Verbrennungsmotors V geliefert. Anders ausgedrückt, im geforderten Leistungsbereich ist die aufzuwendende Energie zum Betrieb der Pumpen 1 und 2 durch Kopplung an den Verbrennungsmotor V am geringsten. Dazu werden die Kupplungen c1 und c2 gekoppelt und der Elektromotor E ist außer Betrieb. Durch den entgegen der Rotationsrichtung des Verbrennungsmotor V vorhandenen Leerlauf der Einwegkupplung c3 liegt am Elektromotor E kein Drehmoment an. Während dieses Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, wird mit Hilfe der ersten 1 und der zweiten Pumpe 2 das ölbasierende Fluid aus dem Tank T zur hydraulischen Steuerungseinheit 10 und in das Getriebe 9 gefördert. Das Getriebe wird geschmiert und gekühlt.
Während des Betriebszustand „Start-Stop“ (4d) im Kraftfahrzeug wird der Volumenstrom V4 und der Druck p4 benötigt. Dieser Volumenstrom und Druck wird hinsichtlich der dazu aufzuwendenden Antriebsenergie besonders effizient durch den Betrieb der zweiten Pumpe 2 mit Hilfe des Elektromotors E geliefert, da in diesem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs auf den Betrieb des Verbrennungsmotors verzichtet werden kann. Während des Start-Stop-Vorgangs des Kraftfahrzeugs ist die Kupplungen c3 gekoppelt und die zweite Pumpe 2 pumpt das ölbasierende Fluid aus dem Tank 1 in das Getriebe 9, wodurch jenes gekühlt wird. Weiterhin ist es möglich, durch Betätigung der Kupplung c2 (nicht gezeigt in 4d) die erste Pumpe 1 zusätzlich zuzuschalten, um das zu fördernde Volumen weiter zu erhöhen.
Während des Betriebszustands „Hybrid“ (4e) im Kraftfahrzeug wird der Volumenstrom V5 und der Druck p5 benötigt. Dieser Volumenstrom und Druck wird hinsichtlich der dazu aufzuwendenden Antriebsenergie ebenfalls besonders effizient durch den Betrieb von der ersten 1 mit Hilfe des Verbrennungsmotors V und der zweiten Pumpe 2 mit Hilfe des Elektromotors E geliefert. Dazu wird die Kupplung c1 gekoppelt. Während dieses Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, wird mit Hilfe der ersten 1 und der zweiten Pumpe 2 das ölbasierende Fluid aus dem Tank 1 zur hydraulischen Steuerungseinheit 10 und in das Getriebe 9 zum Kühlen und Schmieren gefördert.
In einer nicht in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist das Pumpen-System derart ausgestaltet, dass nur ein Antriebsaggregat vorhanden ist, welches entweder ein Verbrennungsmotor V oder ein Elektromotor E ist. Das Antriebsaggregat ist hierbei entweder mit der Schaltkupplung c1 oder der Einwegkupplung c3 an die erste 1 bzw. zweite Pumpe 2 gekoppelt. Die Pumpen 1,2 werden auch in dieser Ausführungsform ebenfalls nach dem oben beschrieben Prinzip mit Kupplung c2 geschaltet, dass die Pumpen in dem Leistungsbereich betrieben werden, welcher besonders effizient hinsichtlich der aufzuwendenden Energie ist.
5a, 5b und 5c zeigt ein zusammenhängendes Fließschema, welches die Betätigung der Kupplungen gemäß den oben beschriebenen Betriebszuständen im Zusammenhang mit entsprechenden Verfahrensparametern verdeutlicht. Der benötigte Volumenstrom (Q_req) in den einzelnen Betriebszuständen wird hierbei geschätzt, da in dieser Ausführungsform das Pumpen-System keine entsprechenden Sensoren aufweist, um Qreq zu bestimmen. Die in den 5a, 5b und 5c beschriebenen Parameter sind wie folgt abgekürzt:

Q_req: benötigter Volumenstrom für einen Betriebszustand n_ICE: Drehzahl Verbrennungsmotor
M(n)_E-Mot: Elektromotor-Drehmoment im Verhältnis zu Drehzahl des Elektromotors
n_N: nominale Drehzahl des Elektro-Motors
n_E: aktuelle Drehzahl des Elektro-Motors
Pmax: maximale verfügbare Leistung des Elektro-Motors
V_P1/P2: Hubraum-Volumen der Pumpen P1 und P2
Q2E: Volumenstrom von P2 Elektromotor-angetrieben: Q2(n_E)
Q12E: Volumenstrom von P1 + P2 Elektromotor-angetrieben: Q1(n_E) + Q2(n_E)
Q1ICE: Volumenstrom von P1 Verbrennungsmotor-angetrieben: Q1 (n_ICE)
Q12ICE: Volumenstrom von P1 + P2 Verbrennungsmotor-angetrieben: Q1 (n_ICE) + Q2 (n_ICE)
η: allgemeine Effizienz-Faktoren

Bezugszeichenliste

1: erste Pumpe
2: zweite Pumpe
3: Rückschlagventil
4: Rückschlagventil
5: Druckleitung
6: Druckleitung
7: Verbindungsleitung
8: hydraulisches Ventil
9: Getriebe des Kraftfahrzeugs
10: hydraulische Steuerungseinheit
100: Pumpen-System
c1: Schaltkupplung
c2: Schaltkupplung
c3: Einweg-Kupplung
E: Elektromotor
T: Tank
V: Verbrennungsmotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005013137 A1 [0006]
DE 10162973 A1 [0007]
US 2012/0269653 A1 [0008]

Claims

Pumpen-System für ein Kraftfahrzeug, wobei das Pumpen-System aufweist: eine erste Pumpe (1) und eine zweite Pumpe (2), welche durch einen Elektromotor (E) und/oder einen Verbrennungsmotor (V) antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (1) und die zweite Pumpe (2) über eine Kupplung koppelbar sind.
Pumpen-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (V) und die erste Pumpe (1) über eine erste Kupplung (c1) koppelbar sind, und die erste Pumpe (1) und eine zweite Pumpe (2) über eine zweite Kupplung (c2) koppelbar sind, und der Elektromotor (E) und die zweite Pumpe (2) über eine dritte Kupplung (c3) koppelbar sind.
Pumpen-System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckleitung der ersten Pumpe (1) und eine Druckleitung der zweiten Pumpe (2) über eine Verbindungsleitung verbunden sind.
Pumpen-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Druckleitungen und/oder Verbindungsleitungen mindestens ein regelbares und/oder nicht-regelbares Ventil verbaut ist, insbesondere ein Stromventil, Rückschlagventile, Druckventil, oder Wegeventil.
Pumpen-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung der ersten Pumpe (1) und die Druckleitung der zweiten Pumpe (2) mit mindestens einer Zieleinheit, insbesondere mit zwei sich unterscheidenden Zieleinheiten, verbunden sind
Pumpen-System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Zieleinheit eine hydraulische Steuerungs-Einheit und eine zweite Zieleinheit eine Einheit für ein zu kühlendes und zu schmierendes Getriebe ist, insbesondere ein Automatikgetriebe.
Pumpen-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (c1) und die zweite (c2) Kupplung Schaltkupplungen sind, und die dritte Kupplung (c3) eine Einweg-Kupplung ist, wobei die Schaltkupplungen insbesondere mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden.
Pumpen-System gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einweg-Kupplung (c3) entgegen der Rotationsrichtung einer Welle des Verbrennungsmotors einen Freilauf aufweist.
Pumpen-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen Konstant-Pumpen und/oder Verstell-Pumpen und/oder Schalt-Pumpen sind, insbesondere Strömungspumpen oder Verdrängungspumpen.
Verfahren zum Betrieb eines Pumpen-Systems in einem Kraftfahrzeug: Antreiben einer ersten (1) und einer zweiten Pumpe (2) durch einen Elektromotor (E) und/oder einen Verbrennungsmotor (V) durch Koppeln der ersten (1) und einer zweiten Pumpe (2).
Verfahren zum Antreiben eines Pumpen-Systems in einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass (1) der Verbrennungsmotor (V) die erste Pumpe (1) durch Koppeln einer ersten Kupplung (c1) antreibt, und der Elektromotor (E) die zweite Pumpe (2) durch Koppeln einer dritten Kupplung (c3) antreibt, oder (2) der Verbrennungsmotor (V) die erste Pumpe (1) und die zweite Pumpe (2) durch Koppeln einer ersten (c1) und der dritten Kupplung (c3) antreibt, oder (3) der Elektromotor (E) die erste Pumpe (1) und die zweite Pumpe (2) durch Koppeln der zweiten (c2) und der dritten Kupplung (c3) antreibt. 12. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor und einem Pumpen-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9.