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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung richtet sich auf ein Generator-Antriebssystem zum Antrieb
des Generators einer Brennkraftmaschine sowie ggf. weiterer Nebenaggregate
jener Brennkraftmaschine. Weiterhin richtet sich die Erfindung auch
auf ein Verfahren zur Abstimmung des Betriebs des Generators einer
Brennkraftmaschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Generator-Antriebssysteme
der vorgenannten Art umfassen typischerweise einen Zugmitteltrieb.
Als Zugmittel werden mittlerweile überwiegend Flach- bzw. Vielkeilrippenriemen
beispielsweise sog. Poly-V-Riemen verwendet. Diese Riemen werden über Spannrollenanordnungen
vorgespannt. Insbesondere beim Starten einer Brennkraftmaschine
können
während
der ersten Kurbelwellendrehungen innerhalb des Zugmitteltriebs Belastungen
auftreten die weit über
den im übrigen
Regelbetrieb auftretenden Belastungen liegen. Insbesondere bei Fahrzeugen
die mit automatischen Motorstart- und Motorabschalteinrich tungen
ausgestattet sind wirken sich die Motorstartvorgänge deutlich auf die Lebensdauer
der Komponenten des Zugmitteltriebs und der angetriebenen Aggregate
aus.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche
es möglich
wird die innerhalb eines für
den Antrieb eines Generators vorgesehenen Antriebssystems („FEAD”) auftretenden
Belastungen, insbesondere im Rahmen von Motorstartvorgängen zu
verringern.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die
vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Generator-Antriebssystem für den Generator
einer Brennkraftmaschine, mit einem Zugmitteltrieb der ein Zugmittel
umfasst das über eine
Generator-Laufscheibe geführt
ist die dem Antrieb des Generators dient, wobei sich dieses Antriebssystem
dadurch auszeichnet, dass der Generator derart ausgebildet und elektrisch
beschaltet ist, dass der Generator temporär als Motor betreibbar ist, und
dass der Generator mit der Generator-Riemenscheibe oder die Kurbelwellenriemenscheibe
der Brennkraftmaschine über
eine Freilaufkupplung gekoppelt ist die es gestattet, dass der Generator
im Rahmen seines Betriebs als Motor die Generator-Laufscheibe oder
unter Berücksichtigung
eines Übersetzungsverhältnisses
die Kurbelwelle überholt.
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Dadurch
wird es auf vorteilhafte Weise möglich,
den Generator bei ausgewählten
Betriebszuständen,
insbesondere während
einer Motorstartphase, sowie in Phasen mit hohem Winkelgeschwindigkeitsanstieg
der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, den Leistungsfluss über den
Zugmitteltrieb sowie die durch die Eigenträgheit des Generators bislang bedingte
Zugmitteltriebbelastung zu reduzieren.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Freilauf als Klemmkörperfreilauf ausgeführt. Dieser
Freilauf erlaubt ohne weitere äußere Einflussnahme
einen Überholbetrieb
des temporär
als Motor betriebenen Generators. Weiterhin ist es auch möglich, den
Freilauf als Klemmfederfreilauf, oder ggf. auch als aktiv schaltbaren
Freilauf auszuführen.
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Die
Umschaltung des Generators in einen Schubbetriebsmodus erfolgt erfindungsgemäß in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des entsprechenden
Kraftfahrzeuges. Insbesondere erfolgt die Umschaltung des Generators
in einen Motorbetriebsmodus im Rahmen einer Motorstartphase, so
dass der Motoranlasser die rotatorisch gelagerten und trägheitsbehafteten
Komponenten des Generators nicht beschleunigen muss.
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Auf
Grundlage des erfindungsgemäßen Konzeptes
wird auf vorteilhafte Weise eine deutliche Reduzierung des effektiven
Gesamt-Motor Massenträgheitsmoments
bei Motorstartphasen erreicht. Zudem kann durch dieses Konzept auch
in anderweitigen Betriebsphasen, insbesondere in Phasen ausgeprägter Drehzahlerhöhungen eine
deutliche Reduzierung der wirksamen FEAD-Trägheiten erreicht werden. Soweit
die Brennkraftmaschine Drehzahlen im Bereich von Resonanzfrequenzen
des Zugmitteltriebs erreicht kann auch in diesen Bereichen durch temporären Schubbetrieb
die in dem Zugmitteltrieb auftretende Belastung reduziert werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Konzept
wird es möglich,
die im Zugmitteltrieb eingestellte Riemenvorspannung zu verringern
und hierdurch die Belastungen der Komponenten im Zugmitteltrieb
zu reduzieren. Hierdurch werden auch mit kostengünstigen Bauteilen hohe Laufzeiten
zuverlässig
erreicht. Insbesondere kann auf aufwendige und teuere Bauteile (z.
B. hochbelastbare Spanner, Spezialriemen und dgl.) im FEAD verzichtet
werden.
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Der
Generator ist vorzugsweise so ausgelegt, dass dieser seine Läuferstruktur
sowie die mit dieser umlaufenden Komponenten mit hinreichender Dynamik (vorzugsweise
zumindest geringfügig
rascher als die schnellsten Beschleunigungen des Motors unter Normalbetriebsbedingungen)
beschleunigen kann.
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Durch
eine erfindungsgemäße Steuerung oder
Regelung die vorzugsweise mit der Motorsteuerelektonik (ECU) verbunden
ist, dann kann dann folgendes erreicht werden:
- 1.
Der Generator (= E-Maschine) beschleunigt sich selbst während des
Motorstarts (dadurch kein Leistungsabgriff von der Kurbelwelle) – diese muss
dann „nur
noch die Generator Laufscheibe und anteilig den Freilauf beschleunigen”. Die Erfindung
erfasst auch Konzepte bei welchen in der Kurbelwellenriemenscheibe
ein Freilaufsystem angeordnet ist. Bei entsprechend leistungsstarker Auslegung
des Generators wird es möglich
durch diesen den gesamten Riementrieb auf Drehzahlen zu bringen
die einem Leistungsabgriff von der Kurbelwelle vorbeugen.
- 2. Bei schnellem Drehzahlwechsel auch zu hohen Drehzahlen kann
der Generator sich selbst beschleunigen so, dass die Drehzahl der
Generatorwelle in diesen kurzen Zeitbereichen immer leicht über der
Drehzahl der Generatorriemenscheibe liegt.
- 3. Bei Start-Vorgängen
beschleunigt der Generator sich selbst (Freilauf auf dem Generator)
bzw. den Riementrieb (Freilauf auf der Kurbelwelle). Beim Start
durchläuft
der Riementrieb mit Spannsystemen und ggf. vorhandenen Entkopplungselementen
Resonanzbereiche, die zu hohen Belastungsspitzen führen können. Diese
Resonanzbereiche können
durch das erfindungsgemäße Konzept
ohne Leistungsabgriff von der Kurbelwelle überfahren werden ohne dass
hierbei eine ausgeprägte
Koppelung mit dem Kurbelwellensystem vorliegt. Hierdurch wird die
Startzeit verkürzt.
Insbesondere wenn eine Start-Stoppautomatik verwendet erweist sich
das erfindungsgemäße Konzept
als besonders wertvoll.
- 4. Bei kritischen Betriebszuständen (z. B. hohe Ungleichförmigkeit
durch Motorvolllast bei extrem niedriger Drehzahl) kann die Drehzahl
des Generator aktiv zumindest geringfügig über die Laufscheibendrehzahl
angehoben werden.
- 5. Wenn ein entsprechender Freilauf auf der Kurbelwelle angeordnet
wird, wird der Generator so ausgelegt, dass dieser im Schubbetrieb
ein Antriebsdrehmoment liefert dass so hoch ist, dass damit auch
die anderen Aggregate des FEAD mitbeschleunigt werden können und
somit die auf der Kurbelwelle sitzende Laufscheibe in o. g. kritischen
Betriebszuständen
immer leicht über
der Kurbelwellendrehzahl dreht. Hierdurch wird es möglich den
FEAD deutlich gleichmäßiger zu
beschleunigen. Durch dieses Konzept werden die überlagerten Beschleunigungen – durch
die Verbrennungsvorgänge
verursacht – eleminiert
insbesondere dann, wenn die durch den Schubbetrieb des Generators
eingestellte Winkelgeschwindigkeit über den durch Ungleichförmigkeiten
erhöhten
Spitzenwinkelgeschwindigkeiten liegt. (z. B. KW-Drehzahl 1500 +/– 400 Umdrehungen
pro Minute (rpm) dann Drehzahl Riementrieb 1900 + x (ca. 2000 rpm))
- 6. Ist der kritische Betriebszustand beendet, dann kann die
Generatordrehzahl (bzw. die der E-Maschine) auf die Kurbelwellendrehzahl·Übersetzung
abgesenkt werden und der Generator wird über den Zugmitteltrieb angetrieben
und arbeitet dann wieder im Generatorbetrieb, d. h. unter Abgabe
elektrischer Leistung).
- 7. Die im Rahmen des Schub- oder Motorbetriebs des Generators
entfallenden Ladezeiten sind relativ gering. Es ist möglich, den
Einsatz des erfindungsgemäßen Konzeptes
in Abhängigkeit
vom Ladezustand eines Akkusystems abzustimmen. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene
temporäre Schubbetrieb
des Generators kann unterbunden werden, wenn der Ladezustand des
Akkusystems dies als angezeigt erscheinen lässt.
- 8. Die Freiläufe
können
als rein mechanische Bauteile ausgeführt werden die als solche den Überholbetrieb
zulassen. Diese Freiläufe
können insbesondere
als Klemmkörperfreiläufe mit
Rampen am Innenring oder am Außenring,
sowie auch als Schlingfederfreiläufe
ausgeführt
sein.
- 9. Die sowohl im Generatorbetriebsmodus, als auch im Motor-
oder Schubbetriebsmodus betreibbare E-Maschine kann gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch zum regenerativen
Bremsen als Motorbremse über den
Riementrieb verwendet werden. Diese hierbei gewonnene elektrische
Leistung kann in schnellen Energiespeichern (Batterien, Kondensatorsystemen
z. B. Gold- oder Supercaps ...) gepuffer werden. Die hierbei gewonnene
Energie kann dann für
die o. g. speziellen Betriebszustände verwendet werden.
- 10. Wird bei größeren Beschleunigungen
des Fahrzeugs gleichzeitig der Riementrieb/Generator wie oben beschreiben
entkoppelt steht mehr mechanische Leitung für den Antrieb des Fahrzeugs
zur Verfügung.
Dadurch wir eine höhere Elastizität bei der
Beschleunigung erreicht, bzw. es steht eine Reserve zur Verfügung. Gff.
können durch
den erfindungsgemäß erreichten
Spitzenleistungsgewinn entsprechende Rückdimensionierungen des Motors
realisiert werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
Prinzipskizze zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Konzeptes
in Verbindung mit einem für
den Antrieb eines Kraftwagens vorgesehenen Antriebssystem.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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In 1 ist
stark vereinfacht ein Antriebssystem für einen PkW dargestellt. Dieses
Antriebssystem umfasst eine Brennkraftmaschine 1, ein an
diese angeschlossenes Getriebe 2 für zur Bewerkstelligung des
zum Antrieb eines Kraftwagens erforderlichen Leistungsabgriffs,
sowie ein Generator-Antriebssystem (FEAD) für den Antrieb eines Generators 3 und
ggf. weiteren Nebenaggregaten (hier nicht dargestellt).
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Das
Generator-Antriebssystem umfasst einen Zugmitteltrieb mit einem
Zugmittel 5 das über eine
Generator-Laufscheibe 6 geführt ist die dem Antrieb des
Generators 3 bzw., der kinematischen Einbindung desselben
in den Zugmitteltrieb dient. Der Zugmitteltrieb umfasst weiterhin
eine Kurbelwellenlaufscheibe 7 die auf einem Endabschnitt
der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 1 sitzt.
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Das
hier gezeigte Generator-Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus,
dass der Generator 3 derart ausgebildet und elektrisch
beschaltet ist, dass der Generator 3 temporär als E-Motor
betreibbar ist, wobei der Generator 3 mit der Generator-Riemenscheibe 6 über eine
Freilaufkupplung 4 gekoppelt ist die es gestattet, dass
der Generator 3 im Rahmen des Bertriebsmodus als Motor
die Generator-Laufscheibe 6 drehzahlmäßig überholt, d. h. schneller dreht
als die Generator-Riemenscheibe 6.
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Um
diesen speziellen Betrieb des Generators 3 zu ermöglichen
ist dieser über
eine Leistungselektronik 10 an eine Energiespeichereinrichtung 11 angebunden.
Die Ansteuerung der Leistungselektronik 10 erfolgt über die
Motorsteuerung 12. Dieser Motorsteuerung 12 stehen
die steuerungsrelevanten Sensorsignale für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine
und des hiermit ausgestatteten Fahrzeuges an sich zur Verfügung. Nach
Maßgabe
vordefinierter Steuerstrategien erfolgt über die Motorsteuerung eine
Ansteuerung der Leistungselektronik 10 derart dass der
Läufer
des Generators 3 Winkelgeschwindigkeiten erreicht die über den
aktuellen Winkelgeschwindigkeiten der Genera torriemenscheibe 6 liegen.
In diesen speziellen Betriebsphasen des Generators 3 führt die
Massenträgheit
des Läufers
sowie der diesen tragenden Generatorachse zu keinem Belastungsbeitrag
im Zugmitteltrieb. Der Generator 3 ist in diesem Betriebsmodus
vom Zugmitteltrieb letztlich abgekoppelt.
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Es
ist möglich,
für den
Temporärbetrieb
des Generators 3 mit elektrisch beschleunigter Läuferwelle
einen Hilfsenergiespeicher 13 vorzusehen. Dieser Hilfsenergiespeicher 13 kann
so ausgelegt sein, dass dessen Ladung nur für wenige Generatorbeschleunigungsvorgänge ausgelegt
ist. Soweit dieser Hilfsenergiespeicher 13 einen ausreichenden
Ladezustand aufweist wird dieser vorrangig für die Bereitstellung der Beschleunigungsenergie
herangezogen. Durch ein ebenfalls über die Motorsteuerung 12 angesteuertes
Lademodul 14 kann weiterhin festgelegt werden, aus welchem
der Speichersysteme 11, 13 die temporär benötigte Energie
abgezogen werden soll. Weiterhin kann im Zusammenspiel mit dem Lademodul 14 auch
festgelegt werden wohin im Rahmen eines späteren Betriebs des Generators
als tatsächlicher
Generator die gelieferte Leistung abgegeben werden soll. Der Hilfsenergiespeicher 13 kann hierbei
so aufgebaut sein, dass dieser extrem hohe Ladeströme zulässt. Hierzu
kann der Hilfsspeicher 13 beispielsweise als Gold- oder
Supercap-Kondensatorsystem ausgebildet sein. Der Hilfsspeicher 13 eignet
sich damit in besonderem Maße
zur Aufnahme elektrischer Leistung in einem sog. regenerativen Betriebsmodus,
d. h. einem Betriebsmodus in welchem der Generator 3 Leistung
aus der über
das Getriebe 2 „geschobenen” Kurbelwelle 8 abgreift.
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Das
erfindungsgemäße System
kann als in sich abgestimmte Baugruppe vorbereitet sein das den
speziellen Generator eine eigene Regelelektronik und ggf. auch den
Hilfsenergiespeicher 13 umfasst. Die zum temporären Betrieb
des Generators 3 als selbst akzellerierendes System erforderlichen
Signale können
als einfache 1/0 Signale über
den Magnetschalter 15 des Anlassers 16 oder die
Motorelektronik 12 zur Verfügung gestellt werden. An der
Riemenscheibe 6 selbst kann ein Impulsgebersystem vorgesehen
sein durch welches unmittelbar im Bereich des Generators Drehzahlinformationen
bereitgestellt werden können durch
welche ein Überholbetrieb
des Läufers
des Generators eingeregelt werden kann.
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Es
ist möglich,
den Generator und die diesem zugeordneten elektrischen Systeme so
auszulegen, dass für
die Abwicklung eines Motorstarts der Läufer des Generators mit einer
Winkelbeschleunigung in Rotation versetzt wird die mit hinreichendem Sicherheitsabstand
einen Überholbetrieb
des Läufers
sicherstellt, ohne dass hierbei die Kurbelwellendrehzahl oder die
Drehzahl der Generatorriemenscheibe 6 besonders erfasst
werden muss, d. h. keinerlei zusätzliche
Steuerung oder Regelung notwendig ist.
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Die
vorangegangenen Ausführungen
erfolgten für
eine Ausführungsform
bei welcher der Freilauf 4 zwischen Generatorriemenscheibe 6 und
der Generatorwelle angeordnet ist. Die Erfindung umfasst jedoch
ausdrücklich
auch solche Ausführungsformen bei
welchen der Freilauf 4 zwischen Kurbelwelle 8 und
der Kurbelwellenriemenscheibe 7 angeordnet ist. Über den
speziell temporär
als Motor betreibbaren Generator 3 kann dann der gesamte
Zugmitteltrieb einschließlich
der auf der Kurbelwelle 8 sitzenden Kurbelwellenriemenscheibe
vorbeschleunigt werden. Dieses spezielle Konzept erlaubt es über den
Generator 3 kurzzeitig Hilfsaggregate wie beispielsweise
eine Lenkhilfepumpe anzutreiben so dass eine Lenkhilfefunktion auch
bei abgeschalteter Brennkraftmaschine gegeben ist. Durch den auf
der Kurbelwelle sitzenden Freilauf wird eine Mitnahme derselben
vermieden.
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Die
Leistungselektronik 10 ist vorzugsweise so gestaltet, dass
diese sowohl den Generatorbetrieb, als auch den temporären Motorbetrieb
abwickelt.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Getriebe
- 3
- Generator
- 4
- Freilauf
- 5
- Zugmittel
- 6
- Generator-Laufscheibe
- 7
- Kurbelwellenlaufscheibe
- 8
- Kurbelwelle
- 10
- Leistungselektronik
- 11
- Energiespeichereinrichtung
- 12
- Motorsteuerung
- 13
- Hilfsenergiespeicher
- 14
- Lademodul
- 15
- Magnetschalter
- 16
- Anlasser