DE10203259A1 - Antrieb für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Antrieb für ein Kraftfahrzeug

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DE10203259A1
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Abstract

Es wird ein Antrieb für ein Kraftfahrzeug beschrieben, das einen Verbrennungsmotor und einen integrierten Startergenerator aufweist, der auch zum Antrieb mit verwendet wird. Es ist ein nockenwellenloser Ventilantrieb vorgesehen. DOLLAR A Der Startergenerator ist auf der Vorderseite des Motors angeordnet und dessen Rotor wird zweitweise vorzugsweise direkt mit der Kurbelwelle verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Mit der Einführung eines integrierten Startergenerators (ISG) steht für das 42 V- Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ein starker Generator zur Verfügung, der auch als starker Elektromotor betrieben werden kann. Ein solcher Startergenerator kann auch durch Riemenantrieb angetrieben sein. Integriert bedeutet, ausgerüstet zur Verwendung als Generator und als Motor.
  • Verschiedene Untersuchungen aus letzer Zeit zeigen bei heute üblichen Fahrzyklen eine Verbrauchsersparnis durch Rückgewinnung der Bremsenergie, der sogenannten Rekuperation von 5-10%.
  • Aus dem Buch "The New Automotive 42 V-Power Net" von Alfons Graf, erschienen im Expert Verlag, Seiten 59ff ist ein Antrieb bekannt, bei dem dem integrierten Startergenerator als Energiespeicher ein Ultra Cap zugeordnet ist. Startergenerator und Ultra Cap sind mit einem Hochspannungsbordnetz (30 bis 48 V) verbunden.
  • Bei einem derartigen Antrieb kommen einer als Powermanagement bezeichneten Steuerung, insbesondere folgende Aufgaben zu:
    • - Steuerung des Bremsmanagements in der Weise, dass der Fahrerwunsch zur Abbremsung umgesetzt wird und zwar teilweise durch die mechanische Reibkraftbremse und teilweise durch die elektrische Bremse mittels des Startergenerators, wobei der elektrische Energiespeicher vom Generator aufgeladen wird.
    • - Steuerung des Motormanagements während der Entladung des Speichers in den elektrischen Antrieb dergestalt, dass der Fahrerwunsch in elektrischen Antrieb und Antrieb über den Verbrennungsmotor aufgeteilt wird. Es ist auch bekannt, den Startergenerator zum Motorstart zu nutzen.
  • Es ist aus dem Buch "Integrierter Startergenerator (ISG)" Seite 10, 31 und 36 von Dr. Ing. Heinz Schäfer bekannt, den Aufbau des Antriebs wie in Fig. 1a gezeigt vorzunehmen. Dort ist mit a der Antriebsmotor, mit b der integrierte Startergenerator, mit c die Kupplung und mit d das Getriebe bezeichnet. Bei dieser Anordnung ist die Motoreinbaulänge um 40 bis 60 mm gegenüber heute vergrößert.
  • Bei der ebenfalls bekannten Lösung der Fig. 1b sind eine Kupplung c1 vor dem Startergenerator b und eine Kupplung c2 hinter dem Startergenerator angeordnet. Hier kann der Startergenerator b vom Motor a und Getriebe c getrennt werden und als Motor betrieben einen Klimakompressor e antreiben. Auch diese Lösung bringt eine große Motorbaulänge und ist aufwändig.
  • Die Fig. 1c zeigt eine Lösung, bei der der integrierte Startergenerator b am Motor a vorn angeordnet ist, wobei zum Schwungradstarten eine Kupplung c3 zwischengeschaltet ist. Mit f ist eine Elektronik bezeichnet.
  • Auch diese Lösung ist nur schwer realisierbar, weil auf dieser Motorseite viele Nebenantriebe realisiert werden müssen, wie dies Fig. 2 zeigt, die den heute üblichen Stand der Technik wiedergibt.
  • Dort ist mit 1 die Kurbelwelle bezeichnet, die über einen Antrieb 2 mit der Nockenwelle 3 verbunden ist, die die Ventile antreibt. Ein weiterer Antrieb 4 treibt eine Ölpumpe 5 an. Die Kurbelwelle 1 treibt aber auch einen Antrieb 6 an, durch den die Wasserpumpe 7 und ein Generator 8 angetrieben werden. Außerdem wird von diesem Antrieb 6 ein Motorlüfter 9 angetrieben, in den meist eine temperaturabhängige Viscokupplung integriert ist. Anstelle des riemengetriebenen Motorlüfters ist auch ein elektromotorischer Antrieb im Einsatz, welcher aber aufwändiger ist und einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad hat, also auch indirekt mehr Kraftstoffverbrauch mit sich bringt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Aufbau des Antriebs für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, der mit einer relativ kurzen Aufbaulänge auskommt und der einen realisierbaren Antrieb der Nebenaggregate ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorzugsweise ist der Rotor des integrierten Startergenerators (ISG) mit der Kurbelwelle über eine schaltbare elektrische Kupplung verbunden.
  • Der Einsatz der elektromagnetischen Ventilsteuerung schafft die Möglichkeit des einfachen Anbaus des integrierten Startergenerators auf der Vorderseite des Motors, weil der Nockenwellenantrieb mit der Breite b2 wegfällt (sh. Fig. 2). Dadurch können auch die oben genannten Nebenaggregate und deren Antriebe untergebracht werden. Zugleich kann auch der Motorlüfter bei Motorstillstand weiter angetrieben werden, was zusätzliche Motorkühlung, Kraftstoffersparnis, Gewicht- und Kostenreduzierung ermöglicht.
  • Die Abtrennung des ISG, insbesondere von der Kurbelwelle gemäß der Erfindung hat den großen Vorteil, dass bei Motorstillstand der Klimakompressor, aber auch die Öl- und Wasserpumpen weiter betrieben werden können, was beim Ampelstopp und beim Stillsetzen des Motors große Vorteile hat, weil die Klimaanlage funktionsfähig bleibt.
  • Bei heißem Motor hat der Weiterbetrieb von Öl- und Wasserpumpe über den ISG den großen Vorteil, dass der Motor beim Stillsetzen weiter gekühlt wird und die hohen Übertemperaturen im Motor- und Motorraum erheblich reduziert werden, was Kosten spart.
  • Während die Fig. 1a) bis 1c) und Fig. 2 den Stand der Technik wiedergeben, ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das das erfindungsgemäße Konzept aufweist.
  • Der integrierte Startergenerator mit dem Rotor 21 und Stator 22 ist hier auf der Vorderseite des Motors (Kurbelwelle 25) angebracht. Der Rotor 21 trägt punktiert die üblichen Permanentmagnete. Die Bauform und der Aufbau des integrierten Startergenerators als Asynchron- oder Synchronmaschine sind nicht von Bedeutung. Die Breite des ISG's ist hier mit bISG gekennzeichnet und ist nur geringfügig größer als die Breite b2 des Nockenwellenantriebes der Fig. 2. Anstelle der Nockenwelle ist in Fig. 3 der Motor mit einer elektromagnetischen Ventilsteuerung 23 ausgestattet. Dies ist durch einen Ankerhebel 23' und zwei Magneten 23" angedeutet. Eine Kupplungsscheibe 24 ist kraft- oder formschlüssig mit der Kurbelwelle 25 verbunden. Über die Kupplung 26 wird der Rotor 21 und das als Nabe ausgebildete Antriebsrad 27a der Nebenaggregate mit angetrieben. Die Kupplungsbetätigung kann z. B. hydraulisch oder elektromagnetisch erfolgen. Auch ist eine fliehkraftbetätigte Kupplung denkbar.
  • Von dem Antriebsrad 27a wird mittels des Rads 27b die Ölpumpe 28 angetrieben, deren Ausgang die Wasserpumpe 29 und den Klimakompressor 30 antreibt. Die Rohranschlüsse dieser Aggregate sind nur symbolisch dargestellt. Vorzugsweise sind die Wasserpumpe 29 und der Klimakompressor 30 außerhalb der Ölwanne 42 angeordnet. Dementsprechend ist die zentrale Welle 32 mit einer Dichtung 31 versehen. Vorzugsweise sind die Aggregate unterhalb der Ölwanne 42 angeordnet; sie können jedoch auch seitlich versetzt angeordnet sein. Auch kann der Antrieb zusätzlich für einen mechanischen Schwingungsausgleich durch Ausgleichswellen verwendet werden.
  • Man kann den Ausgang der Ölpumpe mit einem elektrisch steuerbaren Bypassventil 28a, insbesondere einem Magnetventil versehen, mit dem der Ölstrom über eine Leitung 28b zum Motor abgesperrt werden kann und dafür der Ölstrom praktisch drucklos über eine Leitung 28c, dem Ölreservoir zugeleitet wird. Dies hat den Vorteil, dass bei Motorstillstand nach einer vorherigen Fahrt der Ölkreislauf zum Motor nicht über die gesamte Zeitspanne, in der der Wasserkreislauf zur Motorkühlung im Sommer, bzw. zur Wärmeübertragung im Winter noch weiter betrieben wird, aufrecht erhalten bleiben und somit die Ölpumpe 28 unter Druck weiterarbeiten muss. Vielmehr verbraucht die Ölpumpe nach dem Umschalten des Bypassventils nahezu keine Energie.
  • Das Bypassventil kann aber auch zeitweise betaktet betrieben werden, um einen unnötigen Überdruck im Kreislauf z. B. bei tiefen Temperaturen zu vermeiden.
  • Als Antriebselemente 27a, 27b und 35 sind vorzugsweise Ketten- oder Zahnräder vorgesehen.
  • Es ist weiterhin möglich diesen kupplungsbetätigbaren elektrischen Antrieb 21, 22 weiter auszubauen, auch zum Antrieb des Motorlüfters 33. Dies geschieht über eine Zwischenwelle 34, die auf der einen Seite mit dem Antriebsrad 27b der zentralen Welle 32 und auf der anderen Seite, z. B. mittels eines Riementriebs 36, mit dem Lüfter 33 verbunden ist. Vorteile dieses Antriebs wurden bereits genannt.
  • Das Antriebsrad 37 des Motorlüfters 33 ist in einem Gehäuse 38 gelagert, welches den Stator 22 des ISG aufnimmt. Vorzugsweise ist dieses Gehäuse mit von Kühlwasser durchflossenen Ausnehmungen 39 zur Kühlung des Stators durchströmt. Diese Gehäuse trägt auch eine Dichtung zur Abdichtung der Welle des Antriebsrades 27a. Auf dem Kurbelwellenzapfen muss ebenfalls eine nicht gezeichnete Dichtung 42 für die Bohrung des Antriebsrades 27a eingesetzt werden.
  • Das Gehäuse 38 kann auch mehrteilig gestaltet werden.
  • Der Klimakompressor 30 kann mit einer Kupplung versehen werden, wenn kein integrierter stufenloser Antrieb verwendet wird.
  • Die gesamte Baubreite ist kleiner als die der konventionelle Bauweise der Fig. 2 und zwar durch Integration der Antriebe für die Nebenaggregate, die durch den ISG angetrieben werden.
  • Da der Motorlüfter 33 nur noch eine Leistung von maximal 1 kW erfordert im Vergleich zu 5 kW des Klimakompressors, kann die Breite des Riemenantriebes 36 < 1/2 b3 der Breite b3 in Fig. 2 ausgelegt werden. Aus Gründen der Vereinfachung ist in Fig. 2 der Antrieb des Klimakompressors und dieser selbst nicht gezeigt.
  • Durch die Verwendung von Ketten- oder Zahnradantrieben ist die Betriebssicherheit des Motors erheblich höher im Vergleich zum Riemenantrieb. Selbst bei Ausfall des Riemenantriebes 36 des Motorlüfters kann das Fahrzeug mit verminderter Leistung noch gefahren werden.
  • Der Startergenerator kann auch über Riemenantrieb mit der Kurbelwelle verbunden sein. Das Starten ist jedoch nur beim warmen Motor möglich. Zumindest bei größeren Motoren muss daher ein zusätzlicher konventioneller Starter eingesetzt werden, um bei tiefen Temperaturen zu starten.
  • Fig. 4 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der der Startergenerator 50 über einen Riementrieb 51 mit dem Motorlüfter 52 und dem Antriebsrad 53 auf der Kurbelwelle 54 verbunden ist. Dieses Antriebsrad 53 wird über die Kupplung 55 von der Kurbelwelle 54 angetrieben. Auch hier ist die Kupplungsscheibe 55 mit einer Nabe 56 verbunden, welche in das ölgeschmierte Kurbelgehäuse 57 hineinragt und die Nebenaggregate 58 antreibt.

Claims (22)

1. Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der einen nockenwellenlosen Ventilantrieb (23) aufweist, und mit einem integrierten Startergenerator (21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des integrierten Startergenerators (21, 22) auf der Vorderseite des Verbrennungsmotors angeordnet ist und dass dieser Antrieb (21) zeitweise vorzugsweise direkt mit der Kurbelwelle (25) verbunden wird.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Kurbelwelle (25) und dem Antrieb (21) durch eine schaltbare Kupplung (24, 26) herstellbar ist.
3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Antrieb (21) ein weiterer Antrieb (27a, 27b) für Nebenaggregate (28, 29, 30) verbunden ist.
4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb als Nabe (56) auf dem Kurbelwellenzapfen ausgebildet ist, und dass die Nabe (56) in das Kurbelgehäuse (57) hineinragt.
5. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser weitere Antrieb (27a, 27b) für die Nebenaggregate (28, 29, 30) mit einem weiteren Antrieb (34, 35, 36, 37) für den Motorlüfter (33) verbunden ist.
6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltanordnung vorgesehen ist, über die die Kupplung (24, 26) betätigbar ist.
7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung die Kupplung (24, 26) im Sinne einer Trennung des Rotors (21) von der Kurbelwelle (25) bei Motorstillstand wenigstens zeitweise betätigt.
8. Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung den Startergenerator (21, 22) dann wenigstens zeitweise als Antriebsmotor zum Antrieb der Nebenaggregate (28, 29, 30) und insbesondere des Motorlüfters (33) schaltet.
9. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor des Startergenerators über einen Riementrieb (51) mit dem Antrieb (56) auf der Kurbelwelle (54) oder der Kupplung verbunden ist.
10. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung wenigstens zeitweise die Kupplung (24, 26) im Sinne einer Trennung des Rotors (21) von der Kurbelwelle (25) betätigt und den Startergenerator (21, 22) als Antriebsmotor zum Antrieb der Nebenaggregate (28, 29, 30) und insbesondere des Motorlüfters (33) bei Erreichen einer vorgegebenen Motortemperatur (z. B. bei Langsamfahrt) schaltet.
11. Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenaggregate (28, 29, 30) die Ölpumpe (28), die Wasserpumpe (29) und der Klimakompressor (30) sind, deren Antriebswellen miteinander verbunden sind oder die eine gemeinsame Antriebswelle (32) aufweisen.
12. Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserpumpe (29) und der Klimakompressor (30) außerhalb des Ölraums (42) angeordnet sind und dass die Durchführung der Antriebswelle (32) durch die Wand des Ölraums (42) eine Dichtung (31) aufweist.
13. Antrieb nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Ölpumpe (28) mit einem schaltbaren Bypassventil (28a), insbesondere einem Elektromagnetventil, versehen ist, mit dem der Ölstrom zum Motorraum zeitweise abgesperrt ist und dem Ölreservoir zugeführt wird.
14. Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Antrieb (27a, 27b) der Nebenaggregate die Ölpumpe (28) direkt angetrieben wird und dass der weiter Antrieb (34, 35, 36, 37) des Motorlüfters (33) antriebsseitig im Ölraum (42) untergebracht ist.
15. Anspruch nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Klimakompressor (30) und die Wasserpumpe (29) unterhalb des Ölraums (42) oder seitlich davon angeordnet sind.
16. Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (24, 26) eine elektromagnetische Kupplung ist.
17. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Startergenerator (21, 22) in einem wassergekühlten Gehäuse (38, 39) untergebracht ist.
18. Antrieb nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mehrteilig ausgebildet ist.
19. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Startergenerator als Schwungradstarter ausgebildet ist.
20. Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebselemente der Antriebe (27a, 27b, 35) wenigstens teilweise Ketten oder Zahnräder verwendet sind.
21. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem integrierten Startergenerator ein Energiespeicher, insbesondere ein Ultra Cap zugeordnet ist, der von dem Startergenerator im Bremsfall geladen wird und dessen Energie zumindest zeitweise zum Antreiben des als Motor wirksamen Startergenerators verwendet wird.
22. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zusätzlich als mechanischer Schwingungsausgleich (Ausgleichswellen) verwendet wird.
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