DE19956526C1 - Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Hubkolben-Verbrennungsmotor - Google Patents

Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Hubkolben-Verbrennungsmotor

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Abstract

Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug, der eine mit einer ersten elektrischen Maschine (14) gekoppelte Abtriebswelle (18) und einen Turbolader (30) aufweist, mit dem der Verbrennungsmotor (10) über eine Frischluftzufuhr (32) und einen Abgasauslaß (34) verbunden ist, wobei der Turbolader (30) eine mit einer zweiten elektrischen Maschine (42) gekoppelte Übertragungswelle (36) für Turbinen- und Verdichterräder (38, 40) des Turboladers (30) aufweist, die erste und die zweite elektrische Maschine (14, 42) jeweils über eine erste bzw. zweite bidirektionale Leistungselektronikschaltung (50, 52) mit einem Bordnetz (54) des Kraftfahrzeuges verbunden sind, und wobei für die jeweiligen bidirektionalen Leistungselektronikbaugruppen (50, 52) eine gemeinsame Ansteuerschaltung (60) vorhanden ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Hubkolben-Verbrennungsmotor. Dabei dient die elek­ trische Maschine wahlweise als Anlasser des Verbrennungsmo­ tors, als Ladegenerator für die Autobatterie, als aktiver Drehschwingungstilger des Verbrennungsmotors, als generatori­ sche Fahrzeugbremse oder bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor als elektrischer Antrieb. Dieses Konzept ist in unterschiedli­ cher Gewichtung einzelner Aspekte in einer Reihe von Patentan­ meldungen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit), zum Beispiel in DE 33 06 481 A1, DE 195 32 135 A1, DE 195 32 128 A1, DE 195 32 136 A1, DE 195 32 163 A1, DE 195 49 259 A1, DE 195 32 164 A1, 196 31 384 C1, erläutert.
Üblicherweise ist dabei die elektrische Maschine mit der Kur­ belwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt.
Insbesondere im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors ist dabei die als Generator betriebene elektrische Maschine in der Lage, elektrische Energie zu erzeugen, die dem Bordnetz (und dem Akkumulator) zugeführt wird.
Aus der EP 0 352 064 A1 ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor be­ kannt, der eine mit einer ersten elektrischen Maschine gekop­ pelte Abtriebswelle und einen Turbolader aufweist, mit welchem der Verbrennungsmotor über eine Frischluftzufuhr und einen Ab­ gasauslaß verbunden ist. Der Turbolader besitzt eine mit ei­ ner zweiten elektrischen Maschine gekoppelte Übertragungswelle für Turbinen- und Verdichterräder des Turboladers.
Derartige Verbrennungsmotoren sind auch aus der EP 0 709 559 A1 und der DE 195 18 317 C2 bekannt.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Ungeachtet dessen besteht die Anforderung, die Kennlinie der Ausgangsleistung des Antriebsaggregates auf hohem Niveau zu egalisieren. Eine weitere Anforderung geht dahin, den Verbren­ nungsmotor möglichst klein (hinsichtlich des Hubraumes) zu di­ mensionieren, ohne daß dabei die Leistung des Verbrennungsmo­ tors erheblich beeinträchtigt ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Zur Lösung dieses Problems lehrt die Erfindung einen Hubkol­ ben-Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, der eine mit ei­ ner ersten elektrischen Maschine gekoppelte Abtriebswelle und einen Turbolader aufweist, mit dem der Verbrennungsmotor über eine Frischluftzufuhr und einen Abgasauslaß verbunden ist, wo­ bei der Turbolader eine mit einer zweiten elektrischen Maschi­ ne gekoppelte Übertragungswelle für Turbinen- und Verdichter­ räder des Turboladers aufweist, die erste und die zweite elek­ trische Maschine jeweils über eine erste bzw. zweite bidirek­ tionale Leistungselektronikschaltung mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeuges verbunden sind, und wobei für die jeweiligen bidirektionalen Leistungselektronikbaugruppen eine gemeinsame Ansteuerschaltung vorhanden ist, wobei die Ansteuerschaltung derart ausgestaltet ist, daß die mit der Übertragungswelle des Turboladers gekoppelte, zweite elektrische Maschine bei hoher Drehzahl elektrische Leistung für eine Schwingungstilgung des Verbrennungsmotors bereitstellt.
Durch dieses, von bekannten Anordnungen konzeptionell abwei­ chende erfindungsgemäße Konzept ist es möglich, einen auftre­ tenden Bedarf oder Überschuß an elektrischer Leistung zwischen dem Turbolader und dem Verbrennungsmotor bzw. den jeweiligen elektrischen Maschinen auf einfache und effiziente Weise zu- bzw. abzuführen. Im Ergebnis führt dies zu einer bis zu 10%- igen Energieeinsparung im Betrieb des Verbrennungsmotors, oder anders ausgedrückt, der Verbrennungsmotor benötigt etwa ein Drittel weniger Hubraum für die gleiche Leistung.
Erfindungsgemäß ist die erste elektrische Maschine entweder auf der einem Schalt- oder Automatikgetriebe des Verbrennungs­ motors zugewandten Seite oder auf der dem Schalt- oder Automa­ tikgetriebe des Verbrennungsmotors abgewandten Seite mit der Abtriebswelle gekoppelt.
Vorzugsweise sind die erste und/oder die zweite elektrische Maschine Asynchronmaschinen. Es ist jedoch auch möglich, ggf. andere Maschinentypen (zum Beispiel Gleichstrommaschinen) zu verwenden. Es versteht sich, daß in diesem Fall die Leistungs­ elektronikbaugruppen sowie deren gemeinsame An­ steuerschaltung an den anderen Maschinentyp anzupassen sind.
Sofern die erste und/oder die zweite elektrische Maschine Wechselstrommaschinen sind, sieht eine erfindungsgemäße Ausgestaltung vor, daß die erste und/oder die zweite bidi­ rektionale Leistungselektronikschaltung jeweils ein Wech­ selspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer ist, der wechselspan­ nungsseitig mit der jeweiligen elektrische Maschine und gleichspannungsseitig mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Dabei ist jeder Wechselspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer durch die gemeinsame Ansteuerschaltung so ansteuerbar, daß in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder des Turboladers elektrische Leistung zwischen dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges, der ersten und der zweiten elektrischen Maschine fließt. Anstelle der Drehzahl des Verbrennungsmotors bzw des Turboladers können auch andere Größen, zum Beispiel der Leistungsbedarf des Bordnetzes, ein kurzfristig (im 100-stel bis Sekundenbereich) zu erfül­ lender Leistungsbedarf der ersten elektrischen Maschine zur Schwingungstilgung oder dergl. sein, die jeweils durch ent­ sprechende Sensoren an in dem Antriebsaggregat erfaßt und der gemeinsamen Ansteuerschaltung übermittelt werden. Diese Anforderungssignale können bei modernen Antriebsaggregaten mit sog. Motormanagement-Prozessoren auch durch diese er­ zeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steuert die gemeinsame Ansteuerschaltung die beiden Wechselspan­ nungs-Gleichspannungs-Umsetzer so an, daß bei einer niedri­ gen Drehzahl des Verbrennungsmotors die erste elektrische Maschine als Generator arbeitet und elektrische Leistung für die als Motor arbeitende zweite elektrische Maschine bereitstellt, so daß der Turbolader nicht nur abgasgetrie­ ben sondern auch motorenunterstützt Frischluft für den Ver­ brennungsmotor bereitstellt.
Weiterhin kann die gemeinsame Ansteuerschaltung die beiden Wechselspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer so ansteuern, daß bei einer hohen Drehzahl des Verbrennungsmotors die zweite elektrische Maschine als Generator arbeitet und elektrische Leistung für die als Motor arbeitende erste elektrische Ma­ schine bereitstellt, so daß der Turbolader elektrische Lei­ stung für eine Schwingungstilgung des Verbrennungsmotor be­ reitstellt.
Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und Abwandlungen werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung deutlich, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar­ gestellt sind.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
In der einzigen Figur ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei an der dem Getriebe 12 zugewandten Seite ei­ nes (lediglich schematisch veranschaulichten) Ver­ brennungsmotors 10 eine erste elektrische Maschine im Form einer Asynchronmaschine 14 vorgesehen ist. Dabei ist die Darstellung keineswegs maßstäblich. Vielmehr ist in der Regel der Verbrennungsmotor 10 erheblich voluminöser als die elektrische Maschine 14.
Die erste elektrische Maschine 14 hat einen Rotor 16, der drehfest auf einem Wellenabschnitt 18 sitzt. Der Wellenab­ schnitt 18 ist über ein nicht weiter veranschaulichtes Kop­ pelelement mit der Abtriebswelle (Kurbelwelle) 20 des Ver­ brennungsmotors 10 verbindbar.
Ein Turbolader 30 ist mit dem Verbrennungsmotor 10 über ei­ ne Frischluftzufuhr 32 und einen Abgasauslaß 34 verbunden, wobei der Turbolader 30 eine Übertragungswelle 36 aufweist, auf der die Turbinen- und Verdichterräder 38, 40 des Turbo­ laders 30 drehfest angeordnet sind. Mit der Übertragungs­ welle 36 ist außerdem eine zweite, mit der ersten elektri­ schen Maschine 14 identische elektrische Maschine 42 (über eine nicht weiter veranschaulichte Kupplung) gekoppelbar.
Die erste und die zweite elektrische Maschine 14, 42 sind jeweils über eine erste bzw. zweite bidirektionale Lei­ stungselektronikschaltung 50, 52 mit einem Bordnetz 54 des Kraftfahrzeuges verbunden. Dabei sind die beiden Leistungs­ elektronikschaltungen 50, 52 jeweils Wechselspannungs- Gleichspannungs-Umsetzer, die wechselspannungsseitig mit der jeweiligen elektrische Maschine 14, 42 und gleichspan­ nungsseitig mit dem Bordnetz 54 des Kraftfahrzeuges verbun­ den sind.
Dabei sind die beiden Wechselspannungs-Gleichspannungs- Umsetzer 50, 52 durch eine gemeinsame Ansteuerschaltung 60 über Steuerleitungen 62, 64 so ansteuerbar, daß in Abhän­ gigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 elektri­ sche Leistung zwischen dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges so­ wie der ersten und der zweiten elektrischen Maschine 14, 42 fließt.
Dazu enthält die gemeinsame Ansteuerschaltung 60 eine Pro­ zessorsteuerung, die so programmiert ist, daß die beiden Wechselspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer 50, 52 so ansteu­ ert, daß bei einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmo­ tors 10 die erste elektrische Maschine 14 als Generator ar­ beitet und elektrische Leistung für die als Motor arbeiten­ de zweite elektrische Maschine 42 bereitstellt, so daß der Turbolader 30 nicht nur abgasgetrieben sondern auch durch die zweite elektrische Maschine 42 motorenunterstützt Frischluft für den Verbrennungsmotor bereitstellt.
In gleicher Weise ist die gemeinsame Ansteuerschaltung so programmiert die beiden Wechselspannungs-Gleichspannungs- Umsetzer 50, 52 so ansteuert, daß bei einer hohen Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 die zweite elektrische Maschine 42 als Generator arbeitet und elektrische Leistung für die als Motor arbeitende erste elektrische Maschine 14 bereit­ stellt, so daß der Turbolader 30 elektrische Leistung für eine Schwingungstilgung des Verbrennungsmotor bereitstellt.

Claims (8)

1. Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahr­ zeug, der
  • - eine mit einer ersten elektrischen Maschine (14) gekoppel­ te Abtriebswelle (18) und
  • - einen Turbolader (30) aufweist, mit dem der Verbrennungs­ motor (10) über eine Frischluftzufuhr (32) und einen Abgasaus­ laß (34) verbunden ist,
  • - wobei der Turbolader (30) eine mit einer zweiten elektri­ schen Maschine (42) gekoppelte Übertragungswelle (36) für Tur­ binen- und Verdichterräder (38, 40) des Turboladers (30) auf­ weist,
  • - die erste und die zweite elektrische Maschine (14, 42) je­ weils über eine erste bzw. zweite bidirektionale Leistungs­ elektronikschaltung (50, 52) mit einem Bordnetz (54) des Kraftfahrzeuges verbunden sind, und
  • - für die jeweiligen bidirektionalen Leistungselektronikbau­ gruppen (50, 52) eine gemeinsame Ansteuerschaltung (60) vor­ handen ist, wobei die Ansteuerschaltung (60) derart ausgestal­ tet ist, daß die mit der Übertragungswelle (36) des Turbola­ ders (30) gekoppelte zweite elektrische Maschine (42) bei ho­ her Drehzahl elektrische Leistung für eine Schwingungstilgung des Verbrennungsmotors (10) bereitstellt.
2. Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei
  • - ein Sensor zur Erfassung von Schwingungen des Verbrennungs­ motors (10) vorhanden ist.
3. Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei
- die erste elektrische Maschine (14) entweder auf der einem Schalt- oder Automatikgetriebe (12) des Verbrennungsmotors (10) zugewandten Seite oder auf der dem Schalt- oder Automa­ tikgetriebe (12) des Verbrennungsmotors (10) abgewandten Seite mit der Abtriebswelle (18) gekoppelt ist.
4. Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
  • - die erste und/oder die zweite elektrische Maschine (14, 42) eine Asynchronmaschine sind/ist.
5. Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
  • - die erste und/oder die zweite bidirektionale Leistungs­ elektronikschaltung ein, Wechselspannungs-Gleichspannungs- Umsetzer (50, 52) sind/ist, die der wechselspannungsseitig mit der je­ weiligen elektrischen Maschine (14, 42) und gleichspannungs­ seitig mit dem Bordnetz (54) des Kraftfahrzeuges verbunden sind/­ ist.
6. Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, wobei
  • - jeder Wechselspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer durch die gemeinsame Ansteuerschaltung (60) so ansteuerbar ist, daß in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors (10) und/oder des Turboladers (30) elektrische Leistung zwischen dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges, der ersten und der zweiten elektrischen Maschine (14, 42) fließt.
7. Hubkolben-Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, wobei
  • - die gemeinsame Ansteuerschaltung (60) die beiden Wech­ selspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer so ansteuert, daß bei einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmotors (10) die erste elektrische Maschine (14) als Generator arbeitet und elektri­ sche Leistung für die als Motor arbeitende zweite elektrische Maschine (42) bereitstellt, so daß der Turbolader (30) nicht nur abgasgetrieben, sondern auch motorenunterstützt Frischluft für den Verbrennungsmotor bereitstellt.
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