DE4015701C2 - Antriebssystem für ein Fahrzeug - Google Patents

Antriebssystem für ein Fahrzeug

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Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen wird die im Arbeitszylinder bei der Verbrennung freiwerdende Energie in die kinetische Energie der Hubbewegung eines Kolbens und diese wiederum über ein Schub­ kurbelgetriebe in Rotationsenergie, die an der Abtriebsseite der Brennkraftmaschine als Produkt von Drehzahl und Nutzdrehmoment zur Verfügung steht, gewandelt. Es entstehen bei der zyklischen Arbeitsweise von Hubkolben-Brennkraftmaschinen ungleichförmige Gaskräfte, die Drehmomentenungleichförmigkeiten und damit auch Drehzahlschwankungen beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine hervorrufen. Derartige Ungleichförmigkeiten werden noch verstärkt durch die ständig wechselnde Beschleunigung und Verzögerung der oszillierenden Maschinenteile. Bei Fahrzeugen, deren Antriebsaggregat im wesentlichen durch die Hubkolben-Brennkraftmaschine und ein Zahnrad-Wechselgetriebe gebildet wird, sind derartige Drehmomenten­ ungleichförmigkeiten hauptsächlich im Bereich niedriger Drehzahlen besonders dann störend, wenn die rotierenden Massen innerhalb des Antriebsaggregates aus Gewichts- und Platzgründen bereits auf ein Minimum reduziert worden sind. Derartige Antriebsaggregate neigen beispielsweise zu verstärktem Getrieberasseln, das zu einer merklichen Erhöhung des Geräuschpegels innerhalb der Fahrgastzelle führen kann.
So ist beispielsweise aus der Zeitschrift Technische Rundschau, Nr. 46, 1983, Seite 9 ein Hybridantriebssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem die beschriebenen Drehmomentungleichförmigkeiten von einer Brennkraftmaschine direkt an das Getriebe weitergeleitet werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für gattungsgemäße Brennkraftmaschinen mit - aus den oben genannten Gründen - reduzierten Rotationsmassen die Drehmomentenungleichför­ migkeiten ohne nennenswerten konstruktiven Aufwand so zu reduzieren, daß praktisch kein Getrieberasseln mehr auftritt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Wei­ terbildungen der Erfindung.
Die Erfindung wird anhand einer Prinzipskizze und mit Hilfe von Diagrammen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1: schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Antriebssystems und
Fig. 2: den qualitativen Verlauf von Größen, die den Be­ triebszustand des erfindungsgemäßen Antriebssystems charakterisieren und übereinander gegen den Dreh­ winkel der Kurbelwelle der Hubkolben-Brennkraft­ maschine aufgetragen sind.
In Fig. 1 ist ein Antriebssystem dargestellt, bei dem eine mit einer Kurbelwelle 1.1 versehene Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 über eine erste Kupplung 2 mit einer Schwungmasse 3 verbindbar ist. Diese ist über eine zweite Kupplung 4 mit einem Zahnrad-Wechsel­ getriebe 5 verbindbar, durch das die von der Hubkolben-Brennkraftma­ schine 1 und/oder von einer elektrischen Maschine 6 erzeugte An­ triebsleistung auf hier nicht dargestellte Räder des Fahrzeugs übertragbar ist. Die elektrische Maschine 6 besteht im wesentli­ chen aus einem Läufer 7, der zweckmäßigerweise auf dem Umfang der Schwungmasse 3 angeordnet ist, und aus einem Stator 8, der an hier nicht näher bezifferten ortsfesten Gehäuseteilen des Fahr­ zeuges gehalten ist. Ein Drehzahlsensor 9 und ein Motorlastsen­ sor 10 sind mit einer Steuereinrichtung 11 verbunden, durch die der Betrieb der elektrischen Maschine 6 beeinflußbar ist. Eine mit 12 bezeichnete Fahrzeugbatterie ist mit der elektrischen Maschine 6 direkt oder gegebenenfalls über einen hier gestrichelt dargestellten Schalter 13 verbindbar, der ebenfalls durch die Steuereinrichtung 11 beeinflußbar ist.
Ein derartiges als Elektrohybridantrieb zu bezeichnendes Antriebs­ system ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 29 25 675. Für den Fahrzeugantrieb durch die Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 oder durch die elektrische Maschine 6 und die Hubkolben-Brennkraftma­ schine gemeinsam sind die Kupplungen 2 und 4 zu schließen. Bei geöffneter erster Kupplung 2 und geschlossener zweiter Kupplung 4 ist ein rein elektromotorischer Antrieb des Fahrzeugs möglich. Das Zusammenwirken der einzelnen Elemente des in Fig. 1 darge­ stellten Antriebssystems wird nach der Erläuterung der Fig. 2 näher beschrieben.
In Fig. 2 sind für die hier vierzylindrige Hubkolben-Brennkraft­ maschine 1 über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 1.1 der Drehzahl­ verlauf im oberen Diagramm und der Antriebsmomentenverlauf im mittleren Diagramm aufgetragen. Die Messung erfolgte dabei im stationären Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1, das heißt, daß die Menge und Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches sowie die Motorlast konstant geblieben sind.
Das obere Diagramm zeigt einen schwellenden Verlauf der Drehzahl zwischen einem unteren Schwellwert nmin und einem oberen Schwell­ wert nmax. Die Differenz zwischen beiden Schwellwerten ist hier mit Δn1 bezeichnet. Der gestrichelt angedeutete Drehzahlverlauf wird an anderer Stelle im Zusammenhang mit dem unteren Diagramm der Fig. 2 erläutert.
Das mittlere Diagramm der Fig. 2 zeigt mit einer durchgezogenen Linie den periodischen Verlauf des Antriebsmomentes über dem Kur­ belwinkel der Kurbelwelle 1.1. Eine strichpunktiert gezeichnete Linie kennzeichnet den Verlauf des mittleren Antriebsmomentes M.
Aus der Zusammenschau des oberen und des mittleren Diagramms wird deutlich, daß beim Anstieg des Antriebsmomentes nahezu phasengleich die Drehzahl der im Leerlauf befindlichen Brennkraftmaschine erhöht wird. Mit einem ebenfalls deutlich erkennbaren Phasenversatz fällt die Drehzahl vom oberen Schwellwert nmax auf den unteren Schwell­ wert nmin zurück. Die Differenz Δn1 kann im Bereich niedriger Drehzahlen durchaus 10-15% des Mittelwertes der Drehzahlschwan­ kungen ausmachen.
Erfinderseitig ist man nun zu der Erkenntnis gelangt, daß bei­ spielsweise im Leerlauf je nach Belastung einer von der Hubkolben- Brennkraftmaschine 1 angetriebenen elektrischen Maschine, bei­ spielsweise einer herkömmlichen Lichtmaschine, eine mehr oder weniger deutliche Drehzahlabsenkung auftritt. Wenn beispielsweise im Leerlauf die Fahrzeugbeleuchtung und die Heckscheibenbeheizung eingeschaltet werden, ohne daß eine drehzahlstabilisierende Maßnahme wirksam wird, ergibt sich daraus eine sogar akustisch wahrnehm­ bare Drehzahlabsenkung.
Erfindungsgemäß soll deshalb eine als Generator arbeitende elektri­ sche Maschine nur dann der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 Energie entnehmen können, wenn das momentane Antriebsmoment bei dem perio­ disch wechselnden Antriebsmoment größer ist als das mittlere An­ triebsmoment M. Diese Bedingung ist beispielsweise zwischen den in der Zeichnung mit α1 und α2 bezeichneten Kurbelwinkeln er­ füllt. Zwischen den Kurbelwinkeln α2 und α3 wird die Hubkolben- Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine nicht belastet. Wenn die elektrische Maschine bei erfindungsgemäßer Ansteuerung allerdings den gleichen Leistungsbedarf decken soll wie eine her­ kömmlich angesteuerte elektrische Maschine, muß die Momentanbe­ lastung der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 durch die elektrische Maschine zwischen den Kurbelwinkeln α1 und α2 größer sein als eine mittlere Dauerbelastung. Die erfindungsgemäße Ansteuerung ist somit im Vergleich zur herkömmlichen Ansteuerung elektrischer Maschinen in zweierlei Hinsicht positiv. Zum einen wird durch die nun erhöhte Belastung der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 zwischen den Kurbelwinkeln α1 und α2 die maximale Amplitude des positiven Antriebsmomentenverlaufs verringert. Andererseits wird durch die entfallende Belastung zwischen den Kurbelwinkeln α2 und α3 die Amplitude des negativen Antriebsmomentenverlaufs kleiner. Es ver­ ringert sich somit die Differenz zwischen den Extremwerten des Antriebsmomentenverlaufes. Mit einer solchen Änderung der Antriebs­ momente geht eine fortwährende Drehzahländerung einher, die qualitativ mit einer gestrichelten Linie im oberen Diagramm der Fig. 2 dargestellt ist. Es fällt auf, daß bei dem gestri­ chelt dargestellten Drehzahlverlauf der Differenzbetrag zwischen dem oberen Schwellwert und dem unteren Schwellwert - hier mit Δn2 bezeichnet - gegenüber dem Differenzbetrag Δn1 deutlich verringert ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine elektrische Maschine vor, die als Motor und Generator betreibbar ist. Die Ansteuerung einer derartigen elektrischen Maschine wird mit Hilfe des unteren Diagrammes der Fig. 2 erläutert. Wie zuvor bereits beschrieben, wird zwischen den Kurbelwinkeln α1 und α2 zunächst die Hubkolben-Brennkraftma­ schine durch die hier generatorisch betriebene elektrische Maschine mit einem Drehmoment -ME2 belastet. Beim Erreichen des Kurbelwinkels α2 wird die elektrische Maschine vom Generator­ betrieb auf Motorbetrieb umgesteuert, so daß sie die Hubkolben- Brennkraftmaschine 1 entlastet, indem sie deren Drehmoment ME1 unterstützt. Diese Art der Ansteuerung ermöglicht eine weitere Reduzierung des Differenzdrehzahlbetrages Δn2. Besonders vorteilhaft für eine solche elektrische Maschine ist eine An­ steuerung dergestalt, daß die Drehmomente der elektrischen Maschine ME1 und -ME2 unterschiedlich groß sind. Die Beträge dieser Drehmomente sind so aufeinander abzustimmen, daß beim Betrieb der elektrischen Maschine eine ausgeglichene Energie­ bilanz erreicht wird. Für diesen Fall müßten im unteren Diagramm der Fig. 2 die Flächen F1 unf F2 gleich groß sein. Im allge­ meinen ist die elektrische Maschine so anzusteuern, daß die Fläche F2 nicht größer wird als die Fläche F1, weil dann der elektrische Speicher - also die Fahrzeugbatterie 12 - bei fort­ laufender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine allmählich ge­ leert wird. Beispielsweise zur Deckung eines Spitzenbedarfs an elektrischer Energie kann die elektrische Maschine jedoch auch so gesteuert werden, daß innerhalb einer vorgebbaren Zeit­ spanne die Fläche F2 größer ist als die Fläche F1.
Die apparative Umsetzung der zuvor beschriebenen Ansteuerung der elektrischen Maschine wird mit Hilfe des in Fig. 1 skizzier­ ten Antriebssystems näher erläutert. Durch den Drehzahlsensor 9, an dessen Stelle auch ein Drehwinkelsensor verwendbar ist, wird der Drehzahlverlauf gemäß oberem Diagramm der Fig. 2 erfaßt und an die Steuereinrichtung 11 übertragen. Dort werden die Drehzahlsignale so ausgewertet und weiterverarbeitet, daß jeweils zumindest näherungsweise beim Erreichen eines Extremwer­ tes im Drehzahlverlauf die Wirkungsweise der elektrischen Ma­ schine 6 umgekehrt wird. Anhand Fig. 2 wird deutlich, daß Minima des Drehzahlverlaufes immer dann auftreten, wenn das momentane Antriebsmoment der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 mit positivem Gradienten die strichpunktierte Linie für das mittlere Antriebsmoment schneidet, und daß Maxima des Drehzahl­ verlaufes immer in einem Kurbelwinkelbereich auftreten, bei dem das momentane Antriebsmoment der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 mit negativem Gradienten die strichpunktierte Linie des mittle­ ren Antriebsmomentes schneidet. Zwischen den Kurbelwinkeln α1 und α2 wird die Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 durch die elektrische Maschine 6 belastet. Mit der Pfeilrichtung A in Fig. 1 ist angedeutet, daß zu diesem Zeitpunkt Energie von der elektrischen Maschine 6 an die Fahrzeugbatterie 12 und damit auch an das Bordnetz des Fahrzeuges abgegeben wird. Die Umsteuerung der elektrischen Maschine 6 erfolgt auf Veranlassung der Steuereinrichtung 11 beim Kurbelwinkel α2. Zwischen Kurbel­ winkel α2 und α3 wird der elektrischen Maschine 6 Energie aus der Fahrzeugbatterie 12 zur Verfügung gestellt. Dieser Betriebszustand soll in Fig. 1 durch die Pfeilrichtung B ver­ deutlicht werden.
Analog zu dem vorstehend Beschriebenen ist bei einer vereinfach­ ten Ausführung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der gestrichelt dargestellte Schalter 13 zwischen den Kurbelwinkeln α1 und α2 geschlossen, so daß der Fahrzeugbatterie 12 Energie von der elektrischen Maschine 6 zuführbar ist. Zwischen den Kurbelwinkeln α2 und α3 wird auf Veranlassung der Steuerein­ richtung 11 der Schalter 13 dann geöffnet, so daß die Hubkolben- Brennkraftmaschine 1 nicht mehr durch die elektrische Maschine 6 belastet werden kann.
Durch den Motorlastsensor 10, der in besonders einfacher Aus­ führung ein Drehwinkelgeber an einer hier nicht näher darge­ stellten Drosselklappe der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 sein kann, wird hier die Steuereinrichtung 11 so beaufschlagt, daß beispielsweise bei sehr niedriger Last oder im Leerlauf keine Ansteuerung der elektrischen Maschine 6 zur Behebung der Dreh­ momentenungleichförmigkeiten erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Ansteuerung der elektrischen Maschine 6 zur Behe­ bung der Drehmomentenungleichförmigkeit nur unterhalb einer vorgebbaren Drehzahl der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 erfolgt. Im Bereich höherer Drehzahlen wirken sich die Drehmomentenun­ gleichförmigkeiten der Hubkolben-Brennkraftmaschine nicht mehr störend aus und bedürfen daher auch keiner Beeinflussung durch die elektrische Maschine 6.
Verständlicherweise ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise die Umsteuerung der elektrischen Maschine 6 auch in Abhängigkeiten von den Signalen eines Sensors erfolgen, der das momentane Antriebsmoment der Hubkolben-Brennkraftma­ schine 1 erfaßt. Darüber hinaus bedarf die Realisierung der Erfindung nicht unbedingt eines Hybridantriebes. Eine im Sinne der Erfindung gezielt anzusteuernde elektrische Maschine kann auch die Lichtmaschine eines Fahrzeuges sein, dessen Antrieb in herkömmlicher Weise allein durch die Hubkolben-Brennkraft­ maschine 1 erfolgt.

Claims (11)

1. Antriebssystem für ein Fahrzeug mit
  • - einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (1), die während ihres Betriebes ein um ein mittleres Antriebsmoment periodisch wechselndes Antriebsmoment aufweist, und der wenigstens ein Sensor zugeordnet ist, durch den wenigstens eine den Betriebszustand der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) charak­ terisierende Größe erfaßbar ist,
  • - wenigstens einer elektrischen Maschine (6), die mechanisch mit der Hubkolben-Brennkraftmaschine und elektrisch mit einem elektrischen Speicher (Fahrzeugbatterie 12) verbind­ bar ist,
  • - einer Steuereinrichtung (11), durch die die Betriebszu­ stände zumindest der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) beeinflußbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den Signalen der Steuereinrichtung (11) zum Zwecke einer Teilentlastung der Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine (1) dieser durch die elektrische Maschine (6) nur dann Energie entnehmbar ist, wenn bei dem perio­ disch wechselnden Antriebsmoment das momentane Antriebs­ moment nicht kleiner ist als das mittlere Antriebsmoment.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer Teilentlastung der Hubkolben-Brennkraft­ maschine (1) dieser Energie von der elektrischen Maschine (6) zuführbar ist, wenn bei dem periodisch wechselnden An­ triebsmoment das momentane Antriebsmoment kleiner ist als das mittlere Antriebsmoment.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Drehzahlsensor (9) zur Erfassung der Drehzahl der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) ist.
4. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Motorlastsensor (10) zur Erfassung der Mo­ torlast der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) ist.
5. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Antriebsmomentsensor zur Erfassung des momentanen Antriebsmomentes der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) ist.
6. Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (6) zum Zwecke einer Teilentlastung der Hubkolben-Brennkraftma­ schine (1) durch die Steuereinrichtung (11) nur bei Unter­ schreitung einer vorgebbaren Drehzahl der Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine (1) beeinflußbar ist.
7. Antriebssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine zum Zwecke einer Teilentlastung der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) nur bei Überschreitung einer vorgebbaren Motorlast an der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) durch die Steuerein­ richtung (11) beeinflußbar ist.
8. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) von der elektri­ schen Maschine (6) entnommene Betrag der Energie zumindest genauso groß ist wie der von der elektrischen Maschine (6) der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) zugeführte Betrag der Energie.
9. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne der der Hubkolben- Brennkraftmaschine (1) von der elektrischen Maschine (6) entnommene Betrag der Energie größer ist als der von der elektrischen Maschine (6) der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) zugeführte Betrag der Energie.
10. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine eine Lichtmaschine des Fahr­ zeuges ist.
11. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine und die Hubkolben-Brennkraft­ maschine (1) nach der Art eines Elektro-Hybridantriebes miteinander koppelbar sind.
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