DE19953857A1

DE19953857A1 - Betriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE19953857A1
Application number: DE19953857A
Authority: DE
Inventors: Joel Duhr; Ludger Schoester; Roland Kirpach
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2001-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung, insbesondere zum Betreiben von Fahrzeugen, mit mehreren Komponenten, die zumindest eine sowohl als Generator als auch als Elektromotor betreibbare elektrische Einheit sowie ein thermisches Aggregat zur Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie umfassen, wobei die Komponenten mechanisch miteinander koppelbar sind und die mechanischen Verbindungen jeweils durch eine Kupplungseinrichtung wahlweise herstellbar oder lösbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung, insbesondere zum Betrei ben von Fahrzeugen, mit mehreren Komponenten.

Insbesondere beim Betrieb von Fahrzeugen, aber auch beim Betreiben von anderen Anlagen oder Einrichtungen, müssen häufig zahlreiche Funktio nen erfüllt werden, die speziell dafür ausgebildete Komponenten erfordern. In vielen Fällen brauchen die Funktionen nicht gleichzeitig, sondern nur in bestimmten Situationen bereitgestellt zu werden.

Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), eine Vor richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei möglichst einfa chem Aufbau vielseitig einsetzbar ist und mit der die einzelnen Kompo nenten optimal und gezielt in einer den jeweiligen Betriebsbedingungen entsprechenden Weise eingesetzt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß die Komponenten zumindest eine sowohl als Generator als auch als Elektromotor betreibbare elektrische Einheit sowie ein thermisches Aggregat zur Umwandlung von mechani scher Energie in Wärmeenergie umfassen, wobei die Komponenten me chanisch miteinander koppelbar sind und die mechanischen Verbindun gen jeweils durch eine Kupplungseinrichtung wahlweise herstellbar oder lösbar sind.

Erfindungsgemäß können mittels der Kupplungseinrichtungen die me chanischen Verbindungen jeweils gezielt hergestellt oder gelöst werden, um jeweils eine Kraftübertragung zu ermöglichen oder zu verhindern. Hierdurch können verschiedene Konfigurationen der Betriebsvorrichtung eingestellt werden, so daß die Betriebsvorrichtung gezielt in einem für den jeweiligen Anwendungszweck optimalen Betriebsmodus betrieben werden kann. Des weiteren ist es erfindungsgemäß möglich, beliebige Energiefor men ineinander umzuwandeln, wodurch die Betriebsvorrichtung vielseitig einsetzbar ist.

So ist es beispielsweise in einem Fahrzeug möglich, bei zwischen der elektrischen Einheit und dem thermischen Aggregat hergestellter mecha nischer Verbindung die elektrische Einheit als Elektromotor zu betreiben und somit einen elektrischen Antrieb für das thermische Aggregat zu rea lisieren. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das thermi sche Aggregat als Kompressor einer Klimaanlage ausgebildet, so daß auf diese Weise die Möglichkeit geschaffen wird, die Klimaanlage eines Fahr zeugs unabhängig von dem Betriebszustand eines Fahrantriebs, bei spielsweise einer Verbrennungsmaschine, elektrisch zu betreiben.

Bevorzugt ist es, wenn die Betriebsvorrichtung zusätzlich eine Verbren nungsmaschine umfaßt, bei der es sich beispielsweise um einen Ottomo tor oder Dieselmotor handeln kann.

Dabei ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung die elektrische Ein heit zwischen der Verbrennungsmaschine und dem thermischen Aggregat angeordnet, so daß die elektrische Einheit einerseits an die Verbrennungs maschine und andererseits an das thermische Aggregat gekoppelt werden kann. Auf diese Weise wird eine besonders vielseitig einsetzbare Betriebs vorrichtung geschaffen. Beispielsweise kann bei hergestellter mechani scher Verbindung zwischen der elektrischen Einheit und der Verbren nungsmaschine die elektrische Einheit als Elektromotor betrieben und zum Anlassen der Verbrennungsmaschine eingesetzt werden, wobei hierzu die mechanische Verbindung zwischen der elektrischen Einheit und dem thermischen Aggregat zur Maximierung der Kraftübertragung von der elektrischen Einheit auf die Verbrennungsmaschine gelöst werden kann.

Bei laufender Verbrennungsmaschine kann die elektrische Einheit als durch die Verbrennungsmaschine angetriebener Generator betrieben wer den, um die Stromversorgung des Fahrzeugs zu gewährleisten und/oder die Fahrzeugbatterie aufzuladen. Wenn in diesem Betriebszustand die me chanische Verbindung zwischen der elektrischen Einheit und dem thermi schen Aggregat hergestellt ist, dann wird auf diese Weise das thermische Aggregat über die Verbrennungsmaschine angetrieben. Bezüglich des thermischen Aggregats wird hierbei folglich die elektrische Einheit ledig lich zur Kraftübertragung genutzt.

Bevorzugt ist es, wenn zwischen zwei Komponenten, bei denen es sich vorzugsweise um die elektrische Einheit und die Verbrennungsmaschine handelt, eine Getriebeeinheit angeordnet ist. Wenn die Getriebeeinheit als variables oder stufenloses Getriebe ausgebildet ist, dann kann eine un mittelbare Abhängigkeit von der Drehzahl der Verbrennungsmaschine vermieden und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteran sprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben. Die Erfin dung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Betriebsvorrichtung gemäß ei ner Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2a-2c jeweils die Betriebsvorrichtung von Fig. 1 in verschiede nen Betriebsmodi, und

Fig. 3 die Betriebsvorrichtung von Fig. 1 in Verbindung mit einer Verbrennungsmaschine.

Bei der Betriebsvorrichtung gemäß Fig. 1 handelt es sich um eine kom pakte Einheit, die in einem eine Verbrennungsmaschine aufweisenden Kraftfahrzeug verwendbar ist. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung jedoch in jeder beliebigen Umgebung eingesetzt wer den.

Auf einer gemeinsamen Achse 26 sind ein mit Anschlüssen 14a, 14b ver sehenes thermisches Aggregat 14 in Form eines Kompressors für eine Klimaanlage, eine sowohl als Elektromotor als auch als Generator betreib bare elektrische Einheit 12 sowie eine als stufenloses Getriebe ausgebil dete Getriebeeinheit 28 angeordnet.

Anstelle eines Kompressors kann als thermisches Aggregat 14 auch eine Heizeinrichtung z. B. in Form einer Wärmepumpe vorgesehen sein. Grund sätzlich kann erfindungsgemäß das thermische Aggregat 14 beliebig aus geführt sein.

Zwischen dem thermischen Aggregat 14 und der elektrischen Einheit 12 ist eine Kupplungseinrichtung 22 in Form einer Reibungskupplung vorge sehen. Eine weitere Reibungskupplung 24 ist zwischen der elektrischen Einheit 12 und der Getriebeeinheit 28 angeordnet.

Die Kupplungseinrichtungen 22, 24, mit denen zwischen den einzelnen Komponenten mechanische Energie übertragen wird, können erfindungs gemäß ebenfalls grundsätzlich in beliebiger Weise ausgebildet sein.

Die elektrische Einheit 12 ist zusammen mit einer Fördereinrichtung 32 in Form eines um die Achse 26 drehbaren Förder- oder Schaufelrades fluid dicht in einem Gehäuse 34 angeordnet. Der im Inneren einer bezüglich des Gehäuses 34 unbeweglichen Wicklung 12a befindliche drehbare Teil 12b der elektrischen Einheit 12 und die Fördereinrichtung 32 sind dreh fest auf einem gemeinsamen Wellenabschnitt 42 angebracht, dessen Längsachse mit der Achse 26 zusammenfällt. Der Wellenabschnitt 42 ist fluiddicht durch die Stirnseiten des Gehäuses 34 hindurchgeführt und trägt an seinen Enden jeweils einen Teil der jeweiligen Kupplungseinrich tung 22, 24.

Das Gehäuse 34 ist mit einem Einlaß 36 und einem Auslaß 8 versehen, über die das Gehäuse 34 in ein Kühlsystem des Fahrzeugs bzw. der zu betreibenden Anlage oder Einrichtung integrierbar ist. Im Betrieb der elektrischen Einheit 12, d. h. bei sich drehendem Wellenabschnitt 42, wird durch die Fördereinrichtung 32 das Kühlfluid, bevorzugt Wasser, umge wälzt und auf diese Weise auch die elektrische Einheit 12 gekühlt.

Über die Getriebeeinheit 28 und die Kupplungseinrichtung 22 kann me chanische Energie auf die Betriebsvorrichtung übertragen und von der Betriebsvorrichtung abgegeben werden. Hierzu ist die Getriebeeinheit 28 mit der Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs koppelbar, worauf im folgenden noch näher eingegangen wird. Grundsätzlich kann erfindungs gemäß mit der Getriebeeinheit 28 jede beliebige zur Übertragung von Be wegungsenergie geeignete Einrichtung gekoppelt werden.

In den Fig. 2a-2c sind verschiedene Betriebsmodi der erfindungsgemä ßen Betriebsvorrichtung dargestellt. Bei der folgenden Erläuterung dieser Betriebsmodi wird davon ausgegangen, daß die Betriebsvorrichtung über die Getriebeeinheit 28 mit der Verbrennungsmaschine, z. B. einen Otto motor oder Dieselmotor, des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Die Energie zufuhr und die Energieabgabe sind in den Fig. 2a-2c jeweils durch ent sprechende Pfeile angedeutet.

In dem Betriebsmodus gemäß Fig. 2a ist mittels der Kupplungseinrich tung 22 zwischen der Getriebeeinheit 28 und der elektrischen Einheit 12 eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt, während zwischen der elek trischen Einheit 12 und dem thermischen Aggregat 14 keine mechanische Verbindung besteht, d. h. die Kupplungseinrichtung 24 ausgerückt ist. In diesem Betriebsmodus wird die elektrische Einheit 12 als Elektromotor betrieben, dem elektrische Energie z. B. von der Fahrzeugbatterie zuge führt wird, um über die Kupplung 22 und die Getriebeeinheit 28 den Fahrzeugmotor anzutreiben. Dieser Modus dient zum Anlassen des Fahr zeugmotors. Durch die Kupplungseinrichtung 24 ist in diesem Modus die Verbindung zum thermischen Aggregat 14 unterbrochen, da dessen Be trieb beim Anlassen des Fahrzeugmotors nicht erforderlich ist und so die maximale Kraft zum Anlassen des Motors zur Verfügung steht.

In dem Betriebsmodus von Fig. 2b sind beide Kupplungen 22, 24 einge rückt, d. h. es besteht eine durchgehende mechanische Verbindung von der Verbrennungsmaschine über die Getriebeeinheit 28 und die elektri sche Einheit 12 zum thermischen Aggregat 14. Dieser Betriebsmodus stellt einen normalen Betriebszustand des Fahrzeugs da, in welchem von der Verbrennungsmaschine zur Verfügung gestellte mechanische Energie über die in diesem Modus als Generator betriebene elektrische Einheit 12 zur Stromversorgung des Fahrzeugs bzw. zum Aufladen der Fahrzeugbat terie in elektrische Energie und über das thermische Aggregat 14 in Wär meenergie umgewandelt wird. Somit wird in diesem Modus die chemische Energie, die in dem von der Verbrennungsmaschine verbrauchten Ktaft stoff gespeichert ist, von der Betriebsvorrichtung in elektrische und ther mische Energie umgewandelt.

In dem Betriebsmodus gemäß Fig. 2c ist die mechanische Verbindung zwischen der Getriebeeinheit 28 und der elektrischen Einheit 12 gelöst, d. h. die Kupplung 22 befindet sich in einem ausgerückten Zustand, wäh rend die elektrische Einheit 12 und das thermische Aggregat 14 durch die eingerückte Kupplung 24 kraftschlüssig miteinander gekoppelt sind. In diesem Modus kann auch bei ausgeschalteter Verbrennungsmaschine das thermische Aggregat 14 elektrisch betrieben werden, indem der in diesem Modus als Elektromotor betriebenen elektrischen Einheit 12 elektrische Energie zugeführt wird.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung ist somit, daß dem thermischen Aggregat 14 sowohl von der Verbrennungsmaschine als auch von der elektrischen Einheit 12 Energie zugeführt werden kann.

Durch die Zwangskopplung der Fördereinrichtung 32 für das Kühlfluid mit der elektrischen Einheit 12 ist deren Kühlung im Betrieb sicherge stellt.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung in unmittelbarer Nähe einer Verbrennungsmaschine 16, beispielsweise eines Ottomotors oder Dieselmotors, des Kraftfahrzeugs. Die Betriebsvorrich tung ist in diesem Ausführungsbeispiel näher an der einen Stirnseite des Motors 16 mit zu dessen Kurbelwelle 48 paralleler Achse 26 angeordnet. Es ist erfindungsgemäß alternativ auch möglich, die Betriebsvorrichtung näher an der anderen Stirnseite des Motors 16 und somit näher an einem Schwungrad 58 des Motors 16 anzuordnen.

Das Gehäuse 34, in welchem die Fördereinrichtung 32 und die elektrische Einheit 12 angeordnet sind, ist an den Kühlfluidauslaß 44 der Verbren nungsmaschine 16 angeschlossen, deren Kühlfluideinlaß 46 im Bereich der weiter von der Betriebsvorrichtung entfernten Stirnseite angeordnet ist. Alternativ ist es erfindungsgemäß auch möglich, für die Betriebsvor richtung einen separaten, von demjenigen des Motors 16 getrennten Kühlkreislauf vorzusehen, in den die Betriebsvorrichtung mit ihrem Ein laß 36 und Auslaß 38 integriert ist.

Die Getriebeeinheit 28 und die Kurbelwelle 48 des Motors 16 sind über einen Riemenantrieb miteinander verbunden, der zwei Riemenscheiben 52, 54 und einen Riemen 56 umfaßt.

Am von der Betriebsvorrichtung weiter entfernten Stirnbereich ist das Ge häuse 34 des Motors 16 teilweise weggebrochen dargestellt, so daß das am Ende der Kurbelwelle 48 angebrachte Schwungrad 58 zu erkennen ist. Die in Fig. 3 dargestellte, zusätzlich die Verbrennungsmaschine 16 umfas sende Gesamtanordnung stellt ebenfalls eine Betriebsvorrichtung im Sin ne der Erfindung dar. Mit dieser Betriebsvorrichtung kann sowohl für den Fahrantrieb des Fahrzeugs gesorgt als auch die Klimaanlage betrieben und die elektrische Stromversorgung sichergestellt werden. Des weiteren kann die Verbrennungsmaschine 16 über die elektrische Einheit 12 an gelassen sowie das thermische Aggregat 14 auch bei ausgeschaltetem Motor 16 elektrisch betrieben werden, ohne daß hierfür zusätzliche Kom ponenten erforderlich wären.

Die beschriebene erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung zeichnet sich u. a. dadurch aus, daß die einzelnen Komponenten in räumlicher Nähe zu einander angeordnet sind, wodurch eine kompakte Einheit mit einer ho hen funktionellen und energetischen Dichte geschaffen wird.

In vorteilhafter Weise ermöglicht es die Erfindung, auch bei ausgeschal tetem oder von der elektrischen Einheit 12 entkoppeltem Motor 16 das thermische Aggregat 14 zu betreiben, um z. B. das Fahrzeug vor der ei gentlichen Benutzung vorzukühlen oder vorzuheizen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch das Vorsehen eines variablen oder kontinuierlichen bzw. stufenlosen Getriebes 28 zwi schen der elektrischen Einheit 12 und der Verbrennungsmaschine 16 eine hinsichtlich der Kraftübertragung optimale Anlasserfunktion realisiert werden kann. Des weiteren wird es durch das Vorsehen eines derartigen Getriebes 28 erfindungsgemäß ermöglicht, für ein optimales Verhältnis zwischen der Drehzahl der elektrischen Einheit 12 im Generator-Modus und der Motordrehzahl zu sorgen. Hierdurch kann das Gesamtsystem in jedem Betriebszustand in einem optimalen Leistungsbereich und mit ei nem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden.

Außerdem ist es erfindungsgemäß von Vorteil, daß durch die Ausnutzung der elektrischen Einheit 12 zur mechanischen Kraftübertragung zwischen dem Motor 16 und dem thermischen Aggregat 14 über den Wellenab schnitt 42 nicht die elektrische Einheit 12 zum Antreiben des thermischen Aggregats 14 verwendet werden muß. Die bei laufendem Motor 16 als Ge nerator betriebene elektrische Einheit 12 braucht daher nicht die für den Betrieb z. B. eines Kompressors oder einer Wärmepumpe erforderliche Energie zu liefern.

Da ferner bei laufendem und mit der elektrischen Einheit 12 gekoppeltem Motor 16 zwangsläufig über die Fördereinrichtung 32 Kühlfluid durch das gemeinsame Gehäuse 34 gefördert wird, ist automatisch für eine Kühl fluidumwälzung gesorgt, d. h. es braucht durch die elektrische Einheit 12 keine zusätzliche Kühlmittelpumpe betrieben zu werden, um den Motor 16 und die elektrische Einheit 12 zu kühlen.

Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die Erfindung eine wesentliche Ge räuschreduzierung erzielt werden kann.

Durch die Erfindung können folglich mit einer kompakten und eine gerin ge Anzahl von Komponenten aufweisenden Vorrichtung zahlreiche Funk tionen erfüllt und verschiedene Energieformen in grundsätzlich beliebiger Art und Weise ineinander umgewandelt werden, um in Abhängigkeit von den jeweiligen äußeren Betriebsbedingungen bzw. Betriebszuständen der jeweils zu betreibenden Anlage bzw. Einrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, zu jedem Zeitpunkt einen insbesondere im Hinblick auf den Energieeinsatz optimalen Betriebsmodus zu realisieren.

Bezugszeichenliste

12

elektrische Einheit

12

a Wicklung

12

b drehbarer Teil

14

thermisches Aggregat

14

a Anschluß

14

b Anschluß

16

Verbrennungsmaschine

22

Kupplungseinrichtung

24

Kupplungseinrichtung

26

Achse

28

Getriebeeinheit

32

Fördereinrichtung

34

Gehäuse

36

Einlaß

38

Auslaß

42

Wellenabschnitt

44

Kühlfluidauslaß

46

Kühlfluideinlaß

48

Kurbelwelle

52

Riemenscheibe

54

Riemenscheibe

56

Riemen

58

Schwungrad

Claims

1. Betriebsvorrichtung, insbesondere zum Betreiben von Fahrzeugen, mit mehreren Komponenten (12, 14, 16), die zumindest eine sowohl als Generator als auch als Elektromotor betreibbare elektrische Einheit (12) sowie ein thermisches Aggregat (14) zur Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie umfassen, wobei die Komponenten (12, 14, 16) mechanisch miteinander koppelbar sind und die mechanischen Verbindungen jeweils durch eine Kupplungs einrichtung (22, 24) wahlweise herstellbar oder lösbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten (12, 14, 16) zusätzlich zu der elektrischen Einheit (12) und dem thermischen Aggregat (14) eine Verbren nungsmaschine (16), insbesondere einen Ottomotor oder Dieselmo tor, umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Aggregat (14) als Kompressor, insbesondere ei ner Klimaanlage, ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die elektrische Einheit (12), das thermische Aggregat (14) und die Kupplungseinrichtungen (22, 24), bevorzugt außerdem die Verbrennungsmaschine (16), in räumlicher Nähe zueinander an geordnet und zu einer kompakten Einheit zusammengefaßt sind.

5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die elektrische Einheit (12), das thermische Aggregat (14) und die Kupplungseinrichtungen (22, 24) auf einer gemeinsa men Achse (26) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einheit (12) zwischen der Verbrennungsmaschi ne (16) und dem thermischen Aggregat (14) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen zwei Komponenten, bevorzugt zwischen der elektrischen Einheit (12) und der Verbrennungsmaschine (16), eine Getriebeeinheit (28) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeeinheit (28) als variables oder stufenloses Getriebe ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeeinheit (28) als automatisches Getriebe ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, wobei zumin dest ein beweglicher Teil (32) der Kühleinrichtung, insbesondere ei ne Fördereinrichtung für ein Kühlfluid, mit einer der Komponenten, bevorzugt mit der elektrischen Einheit (12), mechanisch gekoppelt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der bewegliche Teil (32) der Kühleinrichtung und die Komponente (12) nur gemeinsam mit anderen Komponenten (14, 16) koppelbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der bewegliche Teil (32) der Kühleinrichtung und die Komponente (12) in unmittelbarer Nähe zueinander und insbeson dere auf einem gemeinsamen Wellenabschnitt (42) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fördereinrichtung (32) der Kühleinrichtung und die Kom ponente (12) in einem gemeinsamen Gehäuse (34) untergebracht sind, in dem ein Einlaß (36) und ein Auslaß (38) für zu förderndes Kühlfluid ausgebildet sind.