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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antrieb der Kühlmittelpumpe
einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Planetengetriebe,
das zwischen dem Abtrieb der Kurbelwelle und dem Antrieb der Kühlmittelpumpe
angeordnet ist, wobei das Planetengetriebe mittels einer Kupplung
und einer Bremse derart betätigbar
ist, dass der Antrieb der Kühlmittelpumpe
zumindest zwischen zwei Übersetzungen
umgeschaltet sowie vollständig
abgeschaltet werden kann.
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Um
die thermische Belastung einer Brennkraftmaschine infolge der Kraftstoffverbrennung
in Grenzen zu halten, ist zwingend eine Motorkühlung notwendig. Die Auslegung
des Kühlsystems
wurde lange Zeit durch maximale thermische Belastungen, wie z.B.
Fahrten mit Höchstgeschwindigkeit
oder Bergfahrten mit hoher Anhängelast
im Sommer bestimmt. Diese kühlleistungskritischen
Fahrzustände treten
im realen Fahrbetrieb jedoch äußerst selten auf.
Zur Optimierung der Kühlsysteme
werden zunehmend kennfeldgesteuerte Temperaturregelsysteme verwendet.
Mit einem derartigen Thermomanagement können der Kraftstoffverbrauch
und die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine vermindert sowie
der Heizungskomfort im Fahrgastraum verbessert werden. Unabhängig von
der jeweils konkreten Ausgestaltung des Thermomanagements wird der
Durchsatz des Kühlmittels
durch das Kühlsystem der
Brennkraftmaschine im wesentlichen durch die Funktion der Kühlmittelpumpe
gesteuert.
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Bei
konventionellen Kühlmittelpumpen
steht deren Antrieb über
einen Riementrieb mit festem Übersetzungsverhältnis direkt
und ständig
mit dem Abtrieb der Kurbelwelle in Wirkverbindung. Folglich besteht
eine direkte Proportionalität
zwischen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und dem Volumenstrom
des Kühlmittels.
Der Durchsatz von Kühlmittel ist
also bei niedriger Kurbelwellendrehzahl niedrig und bei hoher Kurbelwellendrehzahl
hoch. Eine derartige Auslegung der Kühlmittelpumpe bewirkt jedoch
in weiten Bereichen des Drehmomentspektrums Förderstromüberschüsse, die einen unnötigen Leistungsaufwand
darstellen. Weiterhin ist es mit dieser starren Kopplung zwischen
Kurbelwelle und Kühlmittelpumpe
nicht möglich,
den Kühlmittelstrom in
Abhängigkeit
vom Lastzustand der Brennkraftmaschine, der Temperatur des Kühlmittels
und weiteren Parametern zu ändern.
Ein effektives Thermomanagement kann somit nicht realisiert werden.
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DE 28 01 812 A1 beschreibt
eine Antriebsvorrichtung für
Nebenaggregate von Brennkraftmaschinen, wobei zwischen dem Abtrieb
der Kurbelwelle und dem Antrieb der Nebenaggregate ein zusätzliches
Planetengetriebe angeordnet ist. Dem Sonnenrad sind eine Kupplungsscheibe
und eine Bremse zugeordnet. Das Hohlrad treibt einen Satz von Riemenscheiben
an, von denen über
nachgeordnete Riemen die jeweiligen Nebenaggregate angetrieben werden. Sofern
das Sonnenrad frei ist, werden alle Nebenaggregate mit niedriger
Drehzahl angetrieben. Ist das Sonnenrad hingegen fest, erhöht sich
die Abtriebsdrehzahl des Hohlrades, das folglich alle Nebenaggregate
mit einer gemeinsamen höheren
Drehzahl antreibt. Die dem Sonnenrad zugeordnete Bremse und Kupplungsscheibe
werden in Abhängigkeit
verschiedener Parameter betätigt,
z.B. abhängig
von der Kühlmitteltemperatur.
Demzufolge wird es möglich,
die Antriebsdrehzahl der Nebenaggregate parameterabhängig zwischen
einer niedrigen und einer höheren
Drehzahl umzuschalten. Nachteilig ist allerdings, dass sämtliche
Nebenaggregate gleichartig geschaltet werden. Eine unterschiedliche
Anpassung der Drehzahl an die spezifischen Betriebsbedingungen der
jeweils konkreten Nebenaggregate ist nicht möglich. Ferner besteht keine
Möglichkeit
zur vollständigen
Abschaltung eines einzelnen Nebenaggregates. Dies ergibt zumindest
für die
Kühlmittelpumpe Nachteile,
weil die Kühlung
der Brennkraftmaschine erst dann einsetzen sollte, wenn sie tatsächlich notwendig
ist und nicht bereits während
der Warmlaufphase nach einem Kaltstart. Bei noch kalter Brennkraftmaschine
ist an sich kein oder ein lediglich geringer Kühlmittelumlauf notwendig.
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In
DE 42 00 918 C1 wird
eine Vorrichtung beschrieben, bei der zwischen dem Abtrieb der Kurbelwelle
und dem Antrieb der Nebenaggregate ebenfalls ein Planetengetriebe
angeordnet ist. Allerdings steht dieses Planetengetriebe mit lediglich
zwei Nebenaggregaten in Wirkverbindung. Der Abtrieb der Kurbelwelle
ist mit dem Planetenträger
verbunden. Mit dem Hohlrad wird über
einen ersten Riementrieb der Generator angetrieben. Mit dem Sonnenrad
wird über einen
weiteren Riementrieb die Kühlmittelpumpe
angetrieben. In Abhängigkeit
von verschiedenen Betriebsparametern wird der Erregerstrom des Generators
bedarfsabhängig
geregelt. Demzufolge kann die Drehzahl der Kühlmittelpumpe vom Erregerstrom des
Generators ausgehend über
den ersten Riementrieb, das Planetengetriebe und den zweiten Riementrieb
verändert
werden. Zwischen der Riemenscheibe, die an der Kühlmittelpumpe angeordnet ist
und der Antriebswelle derselben ist eine elektromagnetische Kupplung
angeordnet. Mit dieser Kupplung kann bei einem Kaltstart die Kühlmittelpumpe
funktionslos geschaltet werden, so dass sich Vorteile bezüglich Kraftstoffverbrauch
und Schadstoffemission ergeben. Diese Vorrichtung ist grundsätzlich geeignet,
um ein wirksames Thermomanagement der Brennkraftmaschine zu realisieren.
Nachteilig ist allerdings, dass die Drehzahl der Kühlmittelpumpe nicht
direkt geregelt wird, sondern nur indirekt über die Funktionsweise des
Generators: Weiterhin erfordert die Anordnung der Kupplung an der
Kühlmittelpumpenwelle
zusätzlichen
Bauraum.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Antrieb der Kühlmittelpumpe
einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Planetengetriebes
zu schaffen, die eine schnell ansprechende Drehzahlregelung der
Kühlmittelpumpe
sowie eine kompakte Bauweise der gesamten Vorrichtung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
indem die, das Planetengetriebe bildenden Bauteile Planeten-träger, Planetenräder, Sonnenrad
und Hohlrad sowie eine Kupplung und eine Bremse in einem gemeinsamen Gehäuse baulich
integriert sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
abhängigen
Unteransprüche,
deren Merkmale und Wirkungen im Ausführungsbeispiel näher beschrieben
werden.
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Mit
der vorgeschlagenen technischen Lösung wird es möglich, die
Fördercharakteristik
der Kühlmittelpumpe
nahezu ohne Zeitverzug und mit großer Wirksamkeit den jeweils
konkreten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine anzupassen. Infolge
dieser bedarfsgerechten Anpassung der Kühlung ist der Energieaufwand
für den
Kühlmittelumlauf minimal,
so dass je nach konkreter Zielstellung eine Reduzierung von Kraftstoffverbrauch
und Schadstoffemission oder eine Erhöhung von Fahrkomfort und Bauteillebensdauer
erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise,
durch die sich der erforderliche Bauraum vermindert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Es zeigen:
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1 den grundsätzlichen
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 ein Förderstromdiagramm bei Anwendung
der Vorrichtung
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung
ist zum Antrieb der Kühlmittelpumpe
einer (nicht näher
dargestellten) Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Vorrichtung besteht
aus einem Planetengetriebe, das in an sich bekannter Weise einen
Planetenträger 8 mit mehreren
Planetenrädern 9 sowie
ein Sonnenrad 10 und ein Hohlrad 7 aufweist. Im
vorliegenden Sachverhalt ist wesentlich, dass diese Bauteile – also Planetenträger 8,
Planetenräder 9,
Sonnenrad 10 und Hohlrad 7 – in einem gemeinsamen Gehäuse 11 angeordnet
sind, in dem zusätzlich
eine Kupplung 3 und eine Bremse 4 baulich integriert
sind.
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Die
Kurbelwelle steht mit dem Planetenträger 8 in Wirkverbindung.
Diese Verbindung ist in 1 mit
dem Bezugszeichen "1" stilisiert, das
den Abtrieb der Kurbelwelle bzw. die Antriebswelle 1 der Vorrichtung
darstellt. Auf dem Planetenträger 8 sind mehrere
Planetenräder 9 drehbar
gelagert, z.B. mittels Nadelkränzen.
Die Antriebswelle 1 und das Hohlrad 7 stützen sich über Radialkugellager 2 im
Gehäuse 11 ab.
Die Planetenräder 9 stehen
sowohl mit dem inneren Sonnenrad 10 als auch mit dem äußeren Hohlrad 7 im
Eingriff. Das Pumpenlaufrad 6 sitzt auf der Welle vom Hohlrad 7.
Eine Dichtung 5 trennt das Getriebeöl vom Kühlmedium.
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Das
Sonnenrad 10 kann durch die Kupplung 3 mit dem
Planetenträger 8 verbunden
oder von diesem gelöst
werden. Weiterhin steht das Sonnenrad 10 mit der Bremse 4 in
Wirkverbindung. Sofern das Sonnenrad 10 mit der Bremse 4 stillgesetzt
wird, ergibt sich eine Übersetzung
vom Antrieb (Antriebswelle 1) zum Abtrieb (Pumpenlaufrad 6)
ins Schnelle. Ein weiterer Schaltzustand wird erreicht, sofern die Bremse 4 gelöst wird
und die Kupplung 3 das Sonnenrad 10 mit der Antriebswelle 1 bzw.
dem Planetenträger 8 verbindet.
In diesem Schaltzustand wird eine Drehzahlkopplung zwischen Antrieb
und Abtrieb erreicht. Schließlich
wird ein weiterer Schaltzustand erreicht, sofern die Kupplung 3 und
die Bremse 4 gelöst
sind. Hierbei ergibt sich eine Entkopplung von Antrieb und Abtrieb,
d.h., das Pumpenlaufrad 6 steht still, obwohl die Antriebswelle 1 weiterhin
angetrieben wird. Dies ist insbesondere während der Warmlaufphase der
Brennkraftmaschine vorteilhaft.
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Somit
wird offenkundig, dass der Antrieb der Kühlmittelpumpe sowohl zwischen
zwei Übersetzungen
umgeschaltet als auch vollständig
abgeschaltet werden kann, wobei die se Schaltzustände – wie oben erläutert – mit folgenden
Stellungen erreicht werden:
- – Bremse 4 geschlossen/Kupplung 3 offen
=> nAntrieb < nAbtrieb
- – Bremse 4 offen/Kupplung 3 geschlossen
=> nAntrieb =
nAbtrieb
- – Bremse 4 offen/Kupplung 3 offen
=> Entkopplung
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Die
Verwendung eines solchen Planetengetriebes als Schaltgetriebe mit
zwei Übersetzungsvarianten
ermöglicht
eine Veränderung
der Kennlinie der Kühlmittelpumpe.
Das Umschalten zwischen den Getriebeübersetzungen sollte aufgrund
der guten Automatisierungsmöglichkeit
mit Hilfe von elektrischen Kupplungen erfolgen. Die Schaltpunkte
können
dabei entsprechend des Kühlbedarfs
geregelt werden.
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Aus 2 ist ein Förderstromdiagramm
ersichtlich, wobei die Ordinate den Volumenstrom des von der Kühlmittelpumpe
geförderten
Kühlmittels
und die Abszisse die Drehzahl der Brennkraftmaschine darstellt.
Der ideale bzw. gewünschte
Volumenstromverlauf ist im Diagramm mit "V" bezeichnet
und als volle Linie mit markierten Messpunkten dargestellt. Die Übersetzungen
sind mit "01" und "02" bezeichnet und als
jeweils unterbrochene Linien dargestellt. Der beispielhafte Volumenstromverlauf
der Vorrichtung ist mit "S" bezeichnet und als
volle Linie dargestellt, wobei die zwei Schaltpunkte zwischen den Übersetzungen
mit "S1" und "S2" gekennzeichnet sind.
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Gemäß diesem
(beispielsweise auftretenden) Förderstromdiagramm
ist im Drehzahlbereich, in dem die Brennkraftmaschine das höchste Drehmoment
entwickelt, die Übersetzung 02 verwendet
worden, die eine Abdeckung des notwendigen Förderstromes bei hoher Last
sicherstellt. Läuft
die Brennkraftmaschine mit Drehzahlen außerhalb dieses Bereiches im
Teillastbetrieb, so kann die Übersetzung 01 verwendet
werden, die im Vergleich zur Übersetzung 02 bei
gleicher Drehzahl der Brennkraftmaschine eine geringere Pumpendrehzahl
und somit auch einen geringeren Volumenstrom erzeugt.
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Da
sich der in 2 dargestellte
Volumenstrombedarf auf die Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb
bezieht, kann die benötigte
Wärmeabfuhr
im Teillastbetrieb auch mit geringeren Förderströmen sichergestellt werden.
Im Diagramm unterschreitet der Förderstrom
bei Drehzahlen der Brennkraftmaschine oberhalb des Schaltpunktes
S2 bei Verwendung der Übersetzung 01 den
geforderten Wert. Durch eine geeignete Regelungsstrategie ist dies,
speziell im Teillastbereich zulässig
bzw. sogar erwünscht.
Weiterhin besteht die Möglichkeit,
den Förderstrom
weiter zu minimieren, indem die Kühlmittelpumpe funktionslos
geschaltet wird. Dieser Betriebszustand ist im Förderstromdiagramm mit "03" bezeichnet und als unterbrochene
Linie dargestellt. Diese Linie verläuft faktisch in Höhe NULL
direkt auf der Abszisse und ist lediglich zur besseren Sichtbarkeit
in 2 mit geringem Abstand
zu dieser dargestellt.
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Mittels
einer Kennfeldsteuerung lässt
sich das Ansprechen von Kupplung 3 und Bremse 4 und damit
der Förderstrom
an den im jeweiligen Betriebspunkt optimalen Wert anpassen. Somit
kann die Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe
deutlich reduziert werden. Ferner können durch die Begrenzung des
Kühlmittelvolumenstroms
bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine die Bauteile im Kühlsystem
mit kleineren Querschnitten ausgelegt werden. Folglich wird eine
Annäherung
an den bedarfsgerechten Kühlmittelvolumenstrom
gewährleistet,
so dass sich letztlich der Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine
verbessert.
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Radialkugellager
- 3
- Kupplung
- 4
- Bremse
- 5
- Dichtung
- 6
- Pumpenlaufrad
- 7
- Hohlrad
- 8
- Planetenträger
- 9
- Planetenräder
- 10
- Sonnenrad
- 11
- Gehäuse
- 01
- erste Übersetzung
- 02
- zweite Übersetzung
- 03
- Kühlmittelpumpe
funktionslos geschaltet
- V
- Volumenstromverlauf,
ideal
- S
- Volumenstromverlauf,
real
- S1
- erster
Schaltpunkt
- S2
- zweiter
Schaltpunkt