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-VerbrennungsmotorInfo
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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
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.
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.
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.
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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ID=7930167
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DE19956526A Expired - Lifetime DE19956526C1 (de) | 1999-11-24 | 1999-11-24 | Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Hubkolben-Verbrennungsmotor |
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