DE4320655A1 - Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem hydrostatisch-mechanischen Antrieb für Nebenaggregate - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und ei­ nem hydrostatisch-mechanischen Antrieb für mindestens ein Nebenaggregat, der aus einer von der Brennkraftmaschine antreibbaren Pumpe und einem von dieser gespeisten Hydrostatmotor besteht, gemäß Hauptpatent 42 03 528.

Eine derartige Einrichtung geht aus der DE 40 15 374 hervor, worin ein hydrostatisch-mechanischer Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs beschrieben ist, bei dem die Nebenaggregate einzeln oder gruppenweise mecha­ nisch durch einen Hydrostatmotor antreibbar sind, der von einer von der An­ triebseinrichtung her angetriebenen Pumpe gespeist wird.

Die Aufgabe richtet sich auf eine bessere Ausnutzung eines derartigen hydrostatisch-mechanischen Antriebs.

Gemäß dem Hauptpatent wird eine Lösung vorgeschlagen, bei dem der Antrieb zusätzlich einem Abgasturbolader zugeordnet wird. Das erfolgt dadurch, daß ausgangsseitig des Hydrostatmotors eine als Motor oder Pumpe betreibbare und mit der Welle des Abgasturboladers verbundene Hydrostatmaschine vorgesehen ist, deren Ausgang mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist. Damit kann das sogenannte Turboloch bei mittels Abgasturbolader aufladbaren Brennkraftma­ schinen, das beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs entstehen kann, vermieden werden. Mit dieser Hydrostatmaschine wird somit beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs der Abgasturbolader rasch beschleunigt. Anderer­ seits besteht über die Hydrostatmaschine die Möglichkeit, bei Abgasenergieüber­ schuß die über den Abgasturbolader zugeführte Antriebsenergie in Zusatzener­ gie für den Antrieb der Nebenaggregate und/oder der Brennkraftmaschine um­ zusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nutzung gemäß dem Hauptpa­ tent fertigungstechnisch und regelungstechnisch zu vereinfachen und weitere Nutzungen eines hydrostatisch-mechanischen Antriebes aufzuzeigen.

Gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 wird die Nutzung eines hydrostatisch- mechanischen Antriebes für einen Turbolader in der Weise vereinfacht, daß an­ stelle einer regelbaren, mit dem Turbolader verbundenen Hydrostatmaschine ei­ ne einfache Hydrostatmaschine in Verbindung mit einer regelbaren Drossel ver­ wendet wird, die in einem Bypass der Hydrostatmaschine angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem Hydrostatmotor für die Nebenaggregate ebenfalls ein Bypass, jedoch mit einem einfachen Schaltven­ til zugeordnet. Damit kann auch hier von einem regelbaren Hydrostatmotor ab­ gesehen werden.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine andere Nutzung des hydrostatisch- mechanischen Antriebs, die darin besteht, daß die Hydrostatpumpe für den An­ trieb von Nebenaggregaten gleichzeitig als Starter verwendet wird.

Die Verwendung von Hydrostatpumpen als Startervorrichtung ist zwar aus DE 24 62 059 und DE 38 28 642 bekannt, jedoch handelt es sich hierbei um Fahr­ zeugantriebe. Die von der Verbrennungsmaschine betriebene Hydrostatpumpe treibt gemäß DE 24 62 059 einen mit der Fahrzeug-Antriebswelle verbundenen Hydrostatmotor an. Im anderen Fall (DE 38 28 642) ist die Hydrostatpumpe Be­ standteil eines hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes. In beiden Fällen handelt es sich um Hydrostatpumpen hoher Leistungen, die bei Anwen­ dung als Starter entsprechend große Hydrospeicher benötigen. Es hat sich ferner das Problem der Leckage, die bei den großen Hydrostatpumpen von Bedeutung ist, welche entsprechend höhere Speicherkapazität erfordert.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird der Problematik mit einer we­ sentlich kleineren Hydrostatpumpe und einem wesentlichen kleineren Druckspei­ cher begegnet, wobei die Hydrostatpumpe eine Mehrzweckfunktion hat.

Durch die Erfindung ist somit möglich, mit einem nur geringen fertigungstechni­ schen Mehraufwand den Kraftstoffverbrauch wesentlich zu senken, indem bei je­ dem Halt eines Fahrzeugs der Motor ausgemacht werden kann. Ohne dem kon­ ventionellen Elektromotor überbeanspruchen zu müssen, wird die erneute An­ fahrt nämlich jeweils mit dem hydrostatischen Starter gestartet. Damit kann bei einem Linienbus bis zu 15% Kraftstoff eingespart werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Hydrostatpumpe für die Star­ terfunktion ein Nebenkreis mit einem Druckspeicher, eine Schaltventil und ein Rückschlagventil zugeordnet.

Damit ist es möglich, ohne großen fertigungstechnischen Mehraufwand einen konventionellen Elektrostarter zu ergänzen oder zu ersetzen. Diese Nutzung ist unabhängig von der Zahl der angetriebenen Nebenaggregate möglich und außerdem unabhängig davon, ob der hydrostatisch-mechanische Antrieb mit einem Turbolader gekoppelt ist oder nicht. Der Druckspeicher wird nach jedem Startvorgang während des Betriebes der Verbrennungsmaschine neu geladen.

Der Aufladeprozeß des Speichers kann vorzugsweise in der Bremsphase erfolgen, indem die regelbare Hydrostatpumpe auf die maximale Fördermenge geregelt wird. Dabei entsteht ein Überdruck, mit dem das Rückschlagventil überwunden und der als Hydrospeicher ausgebildete Druckspeicher geladen wird.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine aus Brennkraftmaschine und Getriebe gebildete Antriebseinrich­ tung 10, die über einen Triebstrang 11, ausgehend von der Kurbelwelle, einen hydrostatisch-mechanischen Antrieb 12 betreibt, der für den Antrieb von Neben­ aggregaten NA vorgesehen ist. Als Nebenaggregate NA können ein oder mehre­ re Aggregate vorgesehen sein, die einzeln oder in Kombination betrieben wer­ den. Ein Nebenaggregat ist vorzugsweise ein Schraubenkompressor, dessen Dreh­ zahl gut mit der Drehzahl des hydrostatisch-mechanischen Antriebes 12 koordi­ niert. Es können aber darüber hinaus andere im Fahrzeug vorgesehene Aggrega­ te vom Antrieb 12 betrieben werden sowie der Generator, Lüfter, Kühlmittel­ pumpe etc.

Der hydrostatisch-mechanische Antrieb 12 besteht im wesentlichen aus einer von der Antriebseinrichtung 10 über den Triebstrang 11 betriebenen Hydrostat­ pumpe 13, die eine nach Wahl an die Nebenaggregate NA ankoppelbare Pum­ pe 14 antreibt. Der zugehörige Strömungskreis 15 wird über Rückschlagventile 16 und 17 durch einen Ölvorratstank 18 geschlossen.

Gemäß Fig. 1 ist der hydrostatisch-mechanische Antrieb 12 für eine weitere Nut­ zung, nämlich in Verbindung mit einem Turbolader 20 vorgesehen. Hierzu ist in Reihe zur Hydrostatpumpe 13 und zum Hydrostatmotor 14 eine als Pumpe oder Motor betreibbare Hydrostatmaschine 22 vorgesehen, deren Welle 23 mit einem Getriebe 24 verbunden ist, das über eine Kupplung 25 an den Turbolader 20 an­ koppelbar ist. Für den Turbolader 20 eignet sich ein schnell übersetzendes Plane­ tengetriebe. Die Kupplung 25 kann eine feste Kupplung, z. B. eine Bogenzahn­ kupplung sein. Es kann aber auch eine schaltbare Kupplung vorgesehen werden.

Im Betrieb als Hydrostatmotor wird die Hydrostatmaschine 22 von der Hydrostat­ pumpe 13 angetrieben. Hierzu ist ein den Hydrostatmotor 14 umgehendes, von einer Regeleinrichtung 28 betätigbares Schaltventil 29 vorgesehen, das den Strö­ mungskreis so steuert, daß es im geschlossenen Zustand den Antrieb des Hydro­ statmotors 14 bewirkt und im geöffneten Zustand den Zugang der hydrostati­ schen Leistung zur Hydrostatmaschine 22 freigibt. Diese letztere Arbeitsphase er­ folgt jeweils beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs, wobei die regel­ bare Hydrostatpumpe 13 auf ein höheres Fördervolumen eingestellt wird.

Der auf diese Weise wirkende Ja-Nein-Betrieb der Nebenaggregate NA vermei­ det deren Leerlaufverluste. Durch die Serienanordnung der Hydrostatmaschine 22 mit der Hydrostatpumpe 14 wird die Restleistung des hydrostatisch- mechanischen Antriebs 12 zur Kompensation der Schleppverluste der Hydrostat­ maschine 22 genutzt und damit die Funktion des Turboladers nicht beeinträch­ tigt.

Das erhöhte Fördervolumen stellt den Weiterbetrieb der Hydrostatpumpe 14 für die Nebenaggregate sicher. Die in diesem Fall als Motor betriebene Hydrostatma­ schine 22 kann bei entsprechendem Getriebe 24 den Turbolader 20 extrem schnell auf eine solch hohe Drehzahl beschleunigen, daß die für die Aufladung der Brennkraftmaschine erforderliche Ladeluft mit entsprechendem Ladedruck praktisch unverzögert bereitgestellt wird.

Im Normalfahrbereich des Fahrzeugs, z. B. bei konstanter Geschwindigkeit, wird die Fördermenge für die Hydrostatpumpe 13 von der Regeleinrichtung 28 abge­ senkt und das Schaltventil 29 geschlossen, womit die Leistung der Hydrostatpum­ pe 13 voll auf den Hydrostatmotor 14 übertragen wird. In diesen Phasen arbeitet der Turbolader 20 abhängig von der Abgasenergie ohne Zusatzleistung über die Hydrostatmaschine 22. In der Regel ist ein Turbolader so geregelt, daß er auf­ grund der Fahrpedalstellung und Motordrehzahl für sämtliche Stationärbetriebs­ punkte des Motorkennfeldes der Brennkraftmaschine jeweils die zugehörige, op­ timale Drehzahl erhält und damit den jeweils optimalen Ladedruck herbeiführt. Entsteht dabei ein Abgasenergieüberschuß seitens der Brennkraftmaschine, so kann dieser Überschuß über die Hydrostatmaschine 22 genutzt werden, indem die Hydrostatmaschine 22, vom Turbolader 20 angetrieben, als Hydrostatpumpe arbeitet und aufgrund ihrer Ankopplung an den hydrostatisch-mechanischen An­ trieb 12 die Hydrostatpumpe 13 mitversorgt. Auf diese Weise erfolgt eine Rück­ gewinnung von Energie, nicht nur für den Betrieb des Turboladers, sondern auch unter Entlastung der Brennkraftmaschine für den Betrieb der Nebenaggregate NA.

Bei der Hydrostatmaschine 22 handelt es sich um eine nicht regelbare Maschine. Die Regelung der Hydrostatmaschine 22 wird nämlich durch eine in einer Bypass­ leitung 30 angeordnete, regelbare Drossel 31 übernommen. Hiermit wird mit ein­ fachen Mitteln die Regelbarkeit der Fördermenge bzw. der Funktion der Hydro­ statmaschine 22 erreicht, ohne daß eine wesentlich kompliziertere und kostspieli­ gere regelbare Maschine verwendet werden muß.

Die mit den Ziffern 32 und 33 gekennzeichneten Bauteile sind Druckbegren­ zungsventile, die in den Strömungsleitungen oder aber auch in den Hydrostaten integriert sein können.

Fig. 2 stellt eine weitere Nutzung eines mit einer Antriebseinheit 10 gekoppelten hydromechanischen Antriebs 12 da. Die Nutzung besteht darin, daß die an der Kurbelwelle 40 der Brennkraftmaschine angeschlossene Hydrostatpumpe 13 zu­ sätzlich als Starter verwendet wird. Hierzu ist die Hydrostatpumpe 13 mit einem ein Schaltventil 41 und einen Druckspeicher 42 enthaltenden Bypass 43 vorgese­ hen. In diesem Fall ist die Regeleinrichtung 28 mit Funktionen programmiert, die ein regelmäßiges Aufladen des Druckspeichers 42 und dessen Entladung für Start­ vorgänge bewirkt.

Im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs wird die Hydrostatpumpe 13 und eine re­ gelbare Drossel 44, die in einem Bypass 45 des Hydrostatmotors 14 angeordnet ist, entsprechend dem Energiebedarf für die Nebenaggregate NA geregelt. Zu­ sätzlich kann eine Steuerung vorgesehen werden, mit der nach jedem Start der als Hydrospeicher ausgebildete Druckspeicher 42 neu geladen wird. Das kann bei­ spielsweise mit einem Zeitregler erfolgen, der nach Inbetriebnahme der Verbren­ nungsmaschine die Hydrostatpumpe 13 auf deren Höchstförderleistung regelt und nach einem bestimmten Zeitablauf oder nach Überschreiten eines am Star­ terkreislauf 43 gemessenen Druckes wieder auf Normalregelung zurückstellt. Ei­ ne bevorzugte Ausführung besteht darin, daß der Ladevorgang durch den vom Fahrer ausgelösten Bremsvorgang eingeleitet wird. Das kann dadurch erfolgen, daß bei Betätigung des Bremspedals die regelbare Hydrostatpumpe 13 auf volle Fördermenge gebracht wird und der dabei entstehende Überdruck zur Überwin­ dung eines im Starterkreislauf angeordneten und dem Druckspeicher 42 vorge­ schalteten Rückschlagventils 45 genutzt wird. Während des Betriebes der An­ triebseinrichtung 10 ist das Schaltventil 41 im Starterkreislauf 43 geschlossen.

Für den Startvorgang wird mit dem Zündschlüssel über die Regeleinrichtung 28 das Schaltventil 41 geöffnet, wodurch sich die im Speicher 42 gespeicherte Druck­ energie eingangsseitig der Hydrostatpumpe 13 entlädt und diese zur Betätigung der Kurbelwelle 40 der Antriebseinheit 10 antreibt und den Startvorgang der Verbrennungsmaschine auslöst. Nach Beendigung des Startvorganges wird das Schaltventil 41 wieder geschlossen und der Aufladeprozeß des Druckspeichers 42, je nach Vorgehensweise, gleich oder spätestens bis zur nächsten Bremsung wie­ der aufgeladen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, die Nutzungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zu kombinieren, d. h., daß der hydromechanische Antrieb 12 sowohl für den Betrieb von Nebenaggregaten NA als auch zur Optimierung der Funktion eines Turbola­ ders 20 und als Starter genützt wird.

Claims (5)

1. Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinrichtung (10), die eine mittels Abgastur­ bolader (20) aufladbare Brennkraftmaschine hat, und einem hydrostatisch- mechanischen Antrieb (12) für mindestens ein Nebenaggregat (NA), der aus einer von der Brennkraftmaschine antreibbaren Hydrostatpumpe (13) und einem von dieser gespeisten Hydrostatmotor (14) besteht, wobei ausgangs­ seitig des Hydrostatmotors (14) eine als Motor oder Pumpe betreibbare und mit der Welle des Abgasturboladers verbundene Hydrostatmaschine (22) vorgesehen ist, deren Ausgang mit der Saugseite der Hydrostatpumpe (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funktionsregelung der Hy­ drostatmaschine (22) dieser eine regelbare Drossel (31) zugeordnet ist.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Hydrostatmotors (14) mittels einem in einer Bypassleitung (45) vorgese­ henen Schaltventil (29) gesteuert wird.

3. Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit und einem hydrostatisch- mechanischen Antrieb (12) für mindestens ein Nebenaggregat (NA), der aus einer von der Brennkraftmaschine betreibbaren Hydrostatpumpe (13) und einem von dieser gespeisten Hydrostatmotor (14) besteht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hydrostatpumpe (13) zusätzlich als Starter für die An­ triebseinrichtung (10) ausgebildet ist.

4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydro­ statpumpe (13) ein Druckspeicher (42) zugeordnet ist, der über ein Schalt­ ventil (41) mit der Saugseite der Hydrostatpumpe verbindbar ist.

5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite der Hydrostatpumpe (13) über ein Rückschlagventil (45) mit ei­ nem als Hydrospeicher ausgebildeten Druckspeicher (42) verbunden ist.