DE4335771C1 - Kraftfahrzeugelektrische Anlage mit elektrischer Maschine mit Bordnetzgeneratorfunktion - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kraftfahrzeugelektrische Anlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In den meisten Kraftfahrzeugen ist ein Bordnetzgenerator vor­ gesehen, dessen Betriebsspannung von einem Regler mittels einer passenden Einstellung des Generatorerregerstromes eingeregelt wird. Des weiteren sind häufig elektrische Verbraucher mit vergleichsweise hohem Leistungsbedarf vorhanden, beispielsweise eine Heizeinrichtung für einen elektrisch heizbaren Abgaskata­ lysator. Der Abgaskatalysator arbeitet erst bei einer gewissen Betriebstemperatur optimal. Um diese Temperatur während der Startphase des Kraftfahrzeugmotors schneller zu erreichen, ist vielfach eine kurzfristige Beheizung des Abgaskatalysators mit hoher Leistung, z. B. 6 kW und mehr, vorgesehen.

Aus der Patentschrift DE 42 30 597 C1 ist eine kraftfahrzeug­ elektrische Anlage bekannt, bei der der Strom zur elektrischen Heizung des Abgaskatalysators durch einen ausschließlich dafür vorgesehenen, separaten Generator erzeugt wird, wobei die Stromerzeugung mittels einer steuerbaren Kupplung zwischen die­ sem Generator und der Brennkraftmaschine geregelt wird.

In der Offenlegungsschrift DE 39 19 562 A1 sind kraftfahrzeug­ elektrische Anlagen beschrieben, bei denen ein gemeinsamer Generator sowohl als Bordnetzgenerator fungiert als auch zur Speisung eines Heizwiderstandes dient. Zur Bereitstellung einer erhöhten Generatorspannung für die Speisung des Heizwider­ standes sind verschiedenartige schaltungstechnische Maßnahmen offenbart, z. B. auch das gattungsgemäß vorgesehene Aufteilen des Generatorbetriebs in eine erste Betriebsart als Bordnetz­ generator und in eine zweite Betriebsart zur Heizwiderstands­ speisung.

In der Offenlegungsschrift DE 24 41 086 ist ein drehzahlregeln­ der Keilriemenantrieb beschrieben, der ein oder mehrere Aggre­ gate an die Kraftfahrzeugmotorwelle derart koppelt, daß sich die Drehzahl des Aggregats bei steigender Motordrehzahl ver­ mindert und bei fallender Motordrehzahl erhöht, indem der Keil­ riemen durch Fliehkörper auf unterschiedlichen Riemenscheiben­ radien gehalten wird.

In der Offenlegungsschrift DE 37 43 317 A1 ist eine kraftfahr­ zeugelektrische Anlage beschrieben, bei der eine elektrische Maschine einerseits als Bordnetzgenerator und andererseits als Startermotor betreibbar ist, wozu ein geeigneter Gleichstrom­ zwischenkreis zwischen die elektrische Maschine und die Fahr­ zeugbatterie sowie die Bordnetzverbraucher geschaltet ist.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Schaffung einer kraftfahrzeugtechnischen Anlage zugrunde, bei der mit verhält­ nismäßig geringem Aufwand und wenigen Einheiten sowohl eine zu­ verlässige Bordnetzversorgung als auch eine wenigstens kurzfri­ stige Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit vergleichs­ weise hohem Leistungsbedarf, insbesondere einer Heizeinrichtung für einen Abgaskatalysator, gewährleistet ist.

Dieses Problem wird durch eine kraftfahrzeugtechnische Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Diese Lösung sieht eine elektrische Maschine vor, die einerseits eine Bord­ netzgeneratorfunktion zu erfüllen und andererseits den elek­ trischen Verbraucher mit verhältnismäßig hohem Leistungsbedarf zu versorgen vermag, wozu die elektrische Maschine durch die Steuereinheit, den Umschalter und den Regler entsprechend be­ schaltet und durch die Getriebekupplungsverbindung mit einer jeweils geeigneten Übersetzung mechanisch an die Motorwelle angekoppelt werden kann. Zur Erzielung einer höheren Generator­ ausgangsspannung zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit vergleichsweise hohem Leistungsbedarf trägt sowohl die Einstellung eines entsprechend erhöhten Generatorerregerstromes als auch die Wahl einer höheren Übersetzung, die eine erhöhte Generatordrehzahl zur Folge hat, bei. Ein separater Strom­ generator für den Verbraucher mit vergleichsweise hohem Leistungsbedarf ist folglich nicht erforderlich. Bei geeigneter Auslegung und Betriebspunktwahl für die elektrische Maschine kann jedenfalls kurzzeitig durch höhere Erregung eine wesent­ lich höhere Leistung als die Nennleistung bei einer erhöhten Spannung entnommen und dem Verbraucher, beispielsweise einer Abgaskatalysatorheizung, zur Verfügung gestellt werden, wobei der zugehörige Leitungsquerschnitt und die darin auftretenden Verluste gering gehalten werden. Beispielhaft kann ein Gene­ rator mit 1,6 kW Nennleistung bei einer Generatordrehzahl von 6000 U/min kurzzeitig ungefähr 6 kW erzeugen, wobei sich am Verbraucher eine Betriebsspannung von ca. 50 V ergibt. Bei höherer Drehzahl kann die bereitgestellte elektrische Leistung noch weiter gesteigert werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 stellt eine vorteilhafte Realisierung der Getriebekopplung der elektrischen Maschine an die Kraftfahrzeugmotorwelle dar.

In konstruktiv vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist nach Anspruch 3 die Schalteinrichtung für den Riemenhochtrieb zwecks dessen Aktivierung in der zweiten und Deaktivierung in der ersten Betriebsart durch ein Reibschlußkupplungselement re­ alisiert. Die Gestaltung des Reibschlußkupplungselementes er­ folgt derart, daß es nach einem Motorstart durch das von der Motorwelle her einwirkende Drehmoment einen Reibschluß zwecks kraftschlüssiger Verbindung herbeiführt, der sich bei Erreichen eines vorwählbaren Motordrehzahlgrenzwertes selbsttätig löst, z .3. durch fliehkraftbetätigte Kupplungselementglieder, wobei die gelöste Verbindung und damit die Deaktivierung des Reib­ schlußkupplungselementes während des weiteren, laufenden Motor­ betriebes erhalten bleibt. Diese Maßnahme ermöglicht es, daß die elektrische Maschine nach einem Motorstart zunächst in der zweiten Betriebsart über den Riemenhochtrieb mit einer höheren Drehzahl zur Bereitstellung einer höheren Generatorausgangslei­ stung und anschließend in der ersten Betriebsart über den Rie­ mennormaltrieb mit einer geringeren Drehzahl zur Bereitstellung der Bordnetzspannung von der Motorwelle antreibbar ist, wobei durch die selbsttätige Umschaltung im Reibschlußkupplungsele­ ment keine externe Ansteuerung desselben erforderlich ist.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist die elektrische Maschine darüber hinaus in einer dritten Betriebsart als Startermotor zum Anlassen des Kraftfahrzeugmotors betreibbar. In diesem Fall verfügt die kraftfahrzeugelektrische Anlage zusätzlich über eine Stromver­ sorgungseinrichtung für den Ankerkreis der elektrischen Maschi­ ne, und die Steuereinheit sorgt für eine geeignete Ansteuerung des Reglers, des Umschalters und dieser Stromversorgungsein­ richtung. Damit ist es möglich, die elektrische Maschine beim Starten des Kraftfahrzeuges zunächst in ihrer dritten Betriebs­ art als Startermotor, nach erkanntem Laufen des Kraftfahrzeug­ motors dann für eine bestimmte Zeitdauer als Generator mit ver­ gleichsweise hoher Ausgangsleistung und anschließend als Bord­ netzgenerator während des weiteren, laufenden Kraftfahrzeugbe­ triebes zu verwenden.

Die Realisierung der dritten Betriebsart für die elektrische Maschine als Startermotor wird in Weiterbildung dieses Gedan­ kens durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 5 unterstützt, die eine dritte Schalteinrichtung in Form eines Freilaufs vorsieht, der wie die zweite Schalteinrichtung auf die Riemenhochtrieb- Kopplung, jedoch in umgekehrter Richtung wirkt, d. h. einen Kraftschluß dann herbeiführt, wenn das Drehmoment nicht von der Motorwelle, sondern von der Welle der elektrischen Maschine her einwirkt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des für die Erfindung wesentli­ chen Teils einer kraftfahrzeugelektrischen Anlage mit einer wahlweise als Startermotor, als Abgaskatalysa­ tor-Heizstromquelle oder als Bordnetzgenerator fun­ gierenden elektrischen Maschine,

Fig. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenan­ sicht der Riemenkopplung der Welle der elektrischen Maschine mit der Kraftfahrzeugmotorwelle unter Ver­ wendung einer Zwischenwelle,

Fig. 3 eine schematische, hälftige Schnittansicht aus dem Bereich der Zwischenwelle von Fig. 2 und

Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV der Fig. 3.

In Fig. 1 sind die vorliegend wichtigen Komponenten der kraft­ fahrzeugelektrischen Anlage sowie ihre Verschaltung dargestellt.

Einen zentralen Bestandteil bildet eine elektrische Maschine (1), die wahlweise als Motor oder als Generator betreibbar ist, wobei sie über eine separat gezeichnete Erregerwicklung (11) verfügt. Zur Einstellung eines jeweils gewünschten Erregerstro­ mes durch die Erregerwicklung (11) dient ein Regler (10), des­ sen Ausgang mit dem einen Erregerwicklungsanschluß verbunden ist. Um eine Erregerstromeinstellung in Abhängigkeit der Abwei­ chung der Betriebsspannung der elektrischen Maschine (1) im Ge­ neratorbetrieb von einem gewünschten Sollwert zu erlauben, ist der Rückführgrößeneingang des Reglers (10) gemeinsam mit dem anderen Erregerwicklungsanschluß mit dem D₊-Anschluß der elek­ trischen Maschine (1) verbunden, während an den anderen Regler­ signaleingang eine über eine Ladekontrollampe (12) zur Ladekon­ trolle und Anfangserregung von einer nicht gezeigten Fahrzeug­ batterie kommende Leitung geführt ist. Der B₊-Ausgang der elek­ trischen Maschine (1) ist an den Eingang eines elektrisch an­ steuerbaren Umschalters (5) geführt, der zwischen drei Positio­ nen zur Verbindung seines Eingangs wahlweise mit einem von drei Ausgängen schaltbar ist. Von diesen Ausgängen bildet ein erster einen Freianschluß (31), ein zweiter ist mit einer elektrischen Heizeinrichtung für einen in dem Kraftfahrzeug vorgesehenen Ab­ gaskatalysator (8) verbunden, während an den dritten Umschal­ terausgang eine Bordnetzversorgungsleitung (7) angeschlossen ist. Zur Bewerkstelligung einer Startermotorfunktion der elek­ trischen Maschine (1) ist eine Stromversorgungseinrichtung (9) mit einem Gleichstromeingang, der mit der Bordnetzversorgungs­ leitung (7) verbunden ist, sowie mit einem Wechselstromausgang, der mit dem Ankerkreis der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, vorgesehen. Regler (10), Umschalter (5) und Stromversor­ gungseinrichtung (9) sind von einer zu diesem Zweck vorgesehen­ en Steuereinheit (2) ansteuerbar. Die Steuereinheit (2) ist eingangsseitig mit einem Ausgang einer Kraftfahrzeugmotorsteue­ rung (3) verknüpft, die ihrerseits eingangsseitig das Signal eines Anlaßschalters (4) empfängt. Die Steuereinheit (2) ist vorliegend als separates Bauteil realisiert, kann jedoch alter­ nativ in der Motorsteuerung (3) oder im Regler (10) integriert sein.

Es versteht sich, daß die kraftfahrzeugelektrische Anlage neben den in Fig. 1 explizit gezeigten, erfindungsrelevanten elektri­ schen Komponenten im allgemeinen weitere, hier nicht weiter in­ teressierende und daher nicht gezeigte elektrische Komponenten und Schaltungsverbindungen beinhaltet. Zudem beeinflußt die Motorsteuerung (3) aufgrund ihrer Kraftfahrzeugmotorsteuerung indirekt zusätzlich die Ausgangswechselspannungen von elektri­ scher Maschine (1) und Stromversorgungseinrichtung (9) und folglich die Stromstärke in der Verbindungsleitung zwischen Stromversorgungseinrichtung (9) und Ankerkreis der elektrischen Maschine (1).

Die elektrische Maschine (1) ist in der in den Fig. 2 bis 4 näher gezeigten Weise mechanisch mit einem als Brennkraftma­ schine realisierten Kraftfahrzeugmotor (13) gekoppelt. Wie ins­ besondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Welle (30) der elek­ trischen Maschine (1) zum einen mit der Kurbelwelle (14) des Kraftfahrzeugmotors (13) über einen Riemennormaltrieb verbun­ den, der aus einer drehfest auf der Kurbelwelle (14) sitzenden Riemenscheibe (32), einer auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) getragenen Riemenscheibe (24) und einem Hauptrie­ men (15) besteht. Zwischen der Welle (30) der elektrischen Ma­ schine (1) und dieser Riemenscheibe (24) ist als Schalteinrich­ tung für die Riemennormaltrieb-Kopplung ein Freilauf (17) vor­ gesehen, der freischaltet, wenn die zugehörige Welle (30) schneller angetrieben wird als die zugehörige Riemenscheibe (24), während er ansonsten eine kraftschlüssige Verbindung her­ stellt. Zum anderen ist die Welle (30) der elektrischen Maschi­ ne (1) über einen Riemenhochtrieb indirekt über eine von einem weiteren Aggregat (19) bereitgestellte Zwischenwelle (25) mit der Kurbelwelle (14) verbunden, wobei der Riemenhochtrieb eine zweite Riemenebene mit einer auf der Welle (30) der elektri­ schen Maschine (1) drehfest sitzenden, kleineren Riemenscheibe (22), einer dieser gegenüberliegend auf der Zwischenwelle (25) drehbeweglich gelagerten, größeren Riemenscheibe (21) und einem diese beiden Riemenscheiben (21, 22) koppelnden Nebenriemen (18) sowie eine auf der Zwischenwelle (25) drehfest sitzende, kleinere Riemenscheibe (23) beinhaltet, die einerseits mit dem Hauptriemen (15) in Kontakt ist und andererseits mit der großen Riemenscheibe (21) koppelbar ist und so die beiden Riemenebenen verbindet. Dabei ist genauer die große Riemenscheibe (21) über ein Kugellager (33) auf der Zwischenwelle (25) gehalten, wäh­ rend die kleine Riemenscheibe (23) mittels eines in das Stirn­ ende der Zwischenwelle (25) eingeschraubten Bolzens (34) dreh­ fest an derselben gehalten ist, so daß sich die Rotation der kleinen Riemenscheibe (23) unmittelbar auf die Zwischenwelle (25) überträgt, deren Rotation gegebenenfalls in hier nicht weiter interessierender Weise innerhalb des sie beinhaltenden Aggregates (19) ausnutzbar ist.

Die Verbindung der großen Riemenscheibe (21) mit der kleinen Riemenscheibe (23) der Zwischenwelle (25) ist in einer sich aus den Fig. 3 und 4 ergebenden Weise über zwei Schalteinrichtungen (16, 20) in Form von Reibschlußkupplungselementen realisiert. Speziell ist die große Riemenscheibe (21) als im Querschnitt U-förmiger Ring gestaltet, in die koaxial ein endseitiger Trom­ melmantel (35) der kleinen Riemenscheibe (23) eingreift. Zwi­ schen der Trommelmantelaußenfläche der kleinen Riemenscheibe (23) und der radial gegenüberliegenden Fläche der großen Rie­ menscheibe (21) befindet sich als Reibschlußkupplungselement ein Rollenfreilauf (16). Zwischen der Trommelmantelinnenfläche der kleinen Riemenscheibe (23) und der radial gegenüberliegen­ den Fläche der großen Riemenscheibe (21) befindet sich ein Reibschlußkupplungselement, das federnd gegen die Trommelman­ telfläche der kleinen Riemenscheibe (23) andrückbare Brems­ backen (26) beinhaltet, denen jeweils eine Bolzen-Langloch-Ku­ lissenführung (27) und eine jeweils aus einer Rolle (28) und einer zugeordneten Schrägflächenkulisse (29) bestehende Aus­ rasteinrichtung zugeordnet sind. Die Rotationsrichtung ist in Fig. 4 durch den Pfeil (R) angedeutet. Während der Rollenfrei­ lauf (16) auf der kleinen Riemenscheibe (23) gehalten ist, ist das die Bremsbacken (26) beinhaltende Reibschlußkupplungsele­ ment auf der großen Riemenscheibe (21) gehalten. Dies ergibt folgende Funktion der beiden Reibschlußkupplungselemente (16, 20) in Abhängigkeit der jeweiligen Drehmomenteinwirkung.

Wirkt bei vorhergehendem Stillstand zunächst ein Drehmoment von der elektrischen Maschine (1) und damit von der großen Riemen­ scheibe (21) her ein, so gerät der Rollenfreilauf (16) in Klemmstellung und stellt dadurch einen Kraftschluß zwischen großer Riemenscheibe (21) und kleiner Riemenscheibe (23) der Zwischenwelle (25) her. Auf diese Weise läßt sich beispielswei­ se ein Anlasserdrehmoment von der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) über die Riemenhochtrieb-Kopplung auf die Kraft­ fahrzeugmotorwelle (14) übertragen. Wenn anschließend die Mo­ torwelle (14) anderweitig angetrieben schneller läuft, z. B. nach erfolgtem Anlassen der Brennkraftmaschine (13), und sich die Drehmomentrichtung aus diesem Grund umkehrt, so schaltet der Rollenfreilauf (16) frei, während die federelastisch leicht gegen die kleine Riemenscheibe (23) der Zwischenwelle (25) an­ liegenden Bremsbacken (26) reibungsbedingt und geführt durch ihre jeweilige Bolzen-Langloch-Kulissenführung (27) fester an die gegenüberliegende Trommelmantelinnenfläche andrücken und auf diese Weise auch in dieser Drehmomentrichtung einen Kraft­ schluß zwischen großer Riemenscheibe (21) und kleiner Riemen­ scheibe (23) der Zwischenwelle (25) herstellen. Dies führt zum Antrieb der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) durch die Kurbelwelle (14) über den Riemenhochtrieb und folglich mit er­ höhter Drehzahl, die sich beispielsweise zur Bereitstellung einer erhöhten Generatorleistung durch die elektrische Maschine (1) eignet. Sobald die Drehzahl der großen Riemenscheibe (21) einen gewissen vorwählbaren Grenzwert überschreitet, z. B. nach­ dem der Kraftfahrzeugmotor mit einer erhöhten Drehzahl läuft, drücken die Rollen (28) aufgrund ihrer Fliehkraft radial nach außen gegen ihre jeweils zugeordnete schräge Kulissenanlaufflä­ che (29) und schieben auf diese Weise die Bremsbacken (26) ent­ gegen der Federkrafteinwirkung zurück, wodurch der Reib- und damit der Kraftschluß gelöst wird. Die Rollen (28) gelangen hierbei in einen sich an einen radial innengelegenen Schrägflä­ chenabschnitt mit starkem Schrägwinkel radial nach außen an­ schließenden Schrägflächenabschnitt mit deutlich geringerem Schrägwinkel. Dies bewirkt, daß die von den jeweils anliegenden Schrägflächen in Verbindung mit der einwirkenden Federkraft verursachte, radial nach innen wirkende Rückstellkraft für die Rollen (28) im radial äußeren Schrägflächenabschnitt mit gerin­ gerem Schrägwinkel deutlich kleiner ist als im radial innenlie­ genden Schrägflächenabschnitt mit größerem Schrägwinkel. Dies hat zum einen zur Folge, daß zum Zurückschieben und damit Lösen der Bremsbacken (26) aufgrund des größeren anfänglichen Schräg­ winkels eine hohe Rollenzentrifugalkraft erforderlich ist, wes­ halb das Lösen der Bremsbacken (26) erst bei Überschreiten ei­ nes relativ großen Motordrehzahlgrenzwertes erfolgt, wodurch die Rollen (28) gleichzeitig in den radial äußeren, schwächer geneigten Schrägflächenbereich gelangen. Zum anderen verbleiben die Rollen (28) in dieser Ausraststellung auch bei späterem Unterschreiten dieses Motordrehzahlgrenzwertes, da selbst die verbleibende Fliehkraft die in dieser Stellung der Rollen (28) geringere, von den Schrägflächen ausgeübte Rollenrückstellkraft zu kompensieren vermag. Der geringe Schrägwinkel des radial äu­ ßeren Schrägflächenabschnitts ist so gewählt, daß die Flieh­ kraft selbst im Leerlauf des Kraftfahrzeugmotors (13) noch grö­ ßer als diese Rollenrückstellkraft ist. Die Bremsbacken (26) bleiben folglich dauerhaft gelöst, bis die große Riemenscheibe (21) weitestgehend zum Stillstand gekommen ist, beispielsweise nach Stillsetzen der Brennkraftmaschine (13).

Die Anordnung des Nebenriemens (18) auf einer Zwischenwelle (25) ermöglicht eine geringe Baulänge für den Kraftfahrzeugmo­ tor (13). Alternativ kann auf diese Zwischenwelle verzichtet und der Nebenriemen für den Riemenhochtrieb wie der Hauptrie­ men (15) ebenfalls direkt zur Kurbelwelle (14) geführt sein.

Im folgenden wird der mit dem oben beschriebenen Aufbau der kraftfahrzeugelektrischen Anlage vorzugsweise beabsichtigte Funktionsablauf näher erläutert.

Ausgehend von einer abgeschalteten Brennkraftmaschine (13) wird deren Starten von der Steuereinheit (2) über ein von der Motor­ steuerung (3) kommendes Signal erkannt, wobei die Motorsteue­ rung (3) ihrerseits über ein entsprechendes Signal das Schlie­ ßen des Anlaßschalters (4) erkennt. Das Steuergerät (2) steuert daraufhin den Umschalter (5) auf seinen Freianschluß (31), wo­ durch der B₊-Generatorausgang freigeschaltet ist. Gleichzeitig steuert die Steuereinheit (2) die Stromversorgungseinrichtung (9) dergestalt an, daß letztere (9) den Ankerkreis der elektri­ schen Maschine (1) für die Dauer des Anlassens mit Strom ver­ sorgt. Des weiteren wird der Regler (10) durch ein entsprechen­ des Steuersignal der Steuereinheit (2) so angesteuert, daß er einen zum Anlassen des Kraftfahrzeugmotors (13) nötigen Erre­ gerstrom einstellt. Daraufhin fungiert die elektrische Maschine (1) als Startermotor während des Anlaßvorgangs für die Brenn­ kraftmaschine (13). Hierzu wird das Drehmoment von der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) über die Riemenhochtrieb- Kopplung auf die Kurbelwelle (14) übertragen. Im einzelnen er­ folgt die Drehmomentübertragung über die Riemenscheibe (22) auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) und den Nebenrie­ men (18) zunächst auf die große Riemenscheibe (21) der Zwi­ schenwelle (25). Wie oben beschrieben, greift in diesem Fall der Drehmomenteinwirkung von der elektrischen Maschine (1) her der Rollenfreilauf (16) und stellt durch Reibschluß den Kraft­ schluß zur benachbarten, kleinen Riemenscheibe (23) auf der Zwischenwelle (25) her. Von der kleinen Riemenscheibe (23) wird das Drehmoment über den Hauptriemen (15) und die drehfest auf der Kurbelwelle (14) sitzende Riemenscheibe (32) auf die Kur­ belwelle (14) übertragen. Es bleibt anzumerken, daß während dieses Anlaßvorgangs mit der Funktion der elektrischen Maschine (1) als Startermotor der Freilauf (17), der sich zwischen der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) und der zugeordneten, direkt vom Hauptriemen (15) umschlungenen Riemenscheibe (24) befindet, freigeschaltet ist, da das Drehmoment von der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) her wirkt. Die Verwendung des Riemenhochtriebs in dieser Richtung ergibt die für das An­ lassen der Brennkraftmaschine (13) erforderliche starke Unter­ setzung der Startermotordrehzahl.

Sobald die Motorsteuerung (3) erkennt, daß der Kraftfahrzeugmo­ tor (13) läuft, sendet sie ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit (2), die den Regler (10) daraufhin zur Rücknahme des hohen Anlassererregerstroms und die Stromversorgungsein­ richtung (9) zum Abschalten ansteuert. Gleichzeitig wird der Umschalter (5) von der Steuereinheit (2) für eine vorwählbare kurze Zeitdauer auf den mit der Heizeinrichtung des Abgaskata­ lysators (8) verbundenen Ausgang geschaltet. Die elektrische Maschine (1) dient auf diese Weise als Heizstromgenerator für den Abgaskatalysator (8). Da hierzu eine vergleichsweise hohe Leistung erforderlich ist, regelt der Regler (10) in dieser weiteren Betriebsart die hierfür benötigte höhere Betriebsspan­ nung der elektrischen Maschine (1) ein, so daß die elektrische Maschine (1) über den vorgesehenen, relativ kurzen Zeitraum ei­ ne wesentlich höhere Leistung als ihre Nennleistung bei erhöh­ ter Betriebsspannung von je nach Generatordrehzahl ungefähr 50 V, verglichen mit einer Bordnetzspannung von ca. 14 V, abgibt. Das Ende dieser Betriebsphase erhöhter elektrischer Generator­ leistungsabgabe der elektrischen Maschine (1) wird durch eine Zeitschaltung im Steuergerät (2) bestimmt, die daraufhin den Regler (10) zur Rücknahme des Erregerstromes veranlaßt. Alter­ nativ kann vorgesehen sein, die Betriebsphase bei Erreichen einer bestimmten Abgaskatalysatortemperatur zu beenden, wozu ein entsprechender Temperaturfühler und eine Verbindungsleitung zum Steuergerät (2) vorzusehen ist.

Parallel zur elektrischen Umschaltung auf diese kurzzeitige Be­ triebsphase der Abgabe hoher Leistung an der elektrischen Ma­ schine (1) erfolgt eine dazu korrespondierende selbsttätige me­ chanische Umschaltung in der Kopplung von Kurbelwelle (14) und Welle (30) der elektrischen Maschine (1) wie folgt. Sobald die Brennkraftmaschine (13) durch den Anlaßvorgang anspringt und läuft, dreht sich die Kurbelwelle (14) rasch schneller, wodurch sich die Richtung der Drehmomentübertragung umkehrt. Folglich treibt die Kurbelwelle (14) über den Hauptriemen (15) die klei­ ne Riemenscheibe (23) auf der Zwischenwelle (25) an. Durch die gegenüber dem vorangegangenen Anlaßvorgang umgekehrte Drehmo­ mentübertragungsrichtung ist der Rollenfreilauf (16) jetzt freigeschaltet, während das die Bremsbacken (26) beinhaltende Reibschlußkupplungselement einen Kraftschluß von der kleinen Riemenscheibe (23) auf die große Riemenscheibe (21) dadurch er­ zeugt, daß die federelastisch leicht angelegten Bremsbacken (26) durch ihre Reibung an der Trommelmantelinnenfläche der kleinen Riemenscheibe (23) mitgenommen und durch Verschiebung in ihrer Langlochkulissenführung (27) fester an selbige ange­ drückt werden. Das durch den solchermaßen bewirkten Kraftschluß von kleiner (23) und großer Riemenscheibe (21) der Zwischenwel­ le (25) übertragene Drehmoment wird von der großen Riemenschei­ be (21) weiter über den Nebenriemen (18) auf die drehfest auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) sitzende Riemen­ scheibe (22) übertragen, wodurch die schaltungsmäßig wie oben beschrieben auf Generatorbetrieb umgestellte elektrische Ma­ schine (1) von der Kurbelwelle (14) mit einer durch den Riemen­ hochtrieb realisierten erhöhten Drehzahl ihrer Welle (30) ange­ trieben wird. Der in der zweiten Riemenscheibe (24) auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) angeordnete Freilauf (17) bleibt auch in dieser Betriebsphase freigeschaltet, da die Welle (30) der elektrischen Maschine (1) über den Riemenhoch­ trieb schneller angetrieben wird als die Riemenscheibe (24) über ihren Umfang mittels des Hauptriemens (15). Die größere Übersetzung des Riemenhochtriebs verglichen mit dem durch die direkte Kopplung über den Hauptriemen (15) realisierten Riemen­ normaltrieb ergibt die erhöhte Drehzahl der Welle (30) der elektrischen Maschine (1), die zusammen mit dem erhöhten Erre­ gerstrom für die Erhöhung der Generatorausgangsspannung der elektrischen Maschine (1) sorgt.

Wenn die Steuereinheit durch Ansteuerung des Reglers (10) zur Rücknahme des erhöhten Erregerstromes diese Heizstromgenerator- Betriebsphase der elektrischen Maschine (1) beendet, schaltet sie gleichzeitig den Umschalter (5) auf den mit der Bordnetz­ versorgungsleitung (7) verbundenen Ausgang. Die elektrische Ma­ schine (1) fungiert dadurch in einer weiteren Betriebsart nun­ mehr als normaler Bordnetzgenerator, wobei der Regler (10) durch Erzeugung eines entsprechenden Erregerstromes die Genera­ torausgangsspannung auf die normale Bordnetzspannung einregelt.

Zeitlich unabhängig davon erfolgt auch eine weitere Umschaltung in der mechanischen Kopplung der elektrischen Maschine (1) mit der Brennkraftmaschine (13) dann, wenn die Kurbelwellendrehzahl erstmals einen vorgewählten Grenzwert überschreitet, der durch die Wahl der Federkraft für die Bremsbacken (26) und die Ge­ staltung der Kulissenschrägflächen (29) innerhalb des Brems­ backen-Reibschlußkupplungselementes mitbestimmt ist. Denn die Überschreitung dieses Kurbelwellendrehzahlgrenzwertes hat auch ein Überschreiten einer bestimmten Drehzahl der über den Haupt­ riemen (15) an die Kurbelwelle (14) gekoppelten kleinen Riemen­ scheibe (23) auf der Zwischenwelle (25) und wegen des in dieser Phase vorliegenden Kraftschlusses durch das Bremsbacken-Reib­ schlußkupplungselement auch der benachbarten großen Riemen­ scheibe (21) zur Folge. Dies bewirkt wiederum, daß die Flieh­ kraft für die Rollen (28) des Bremsbacken-Reibschlußkupplungs­ elementes durch Überschreiten des Drehzahlgrenzwertes radial nach außen weiter in die Schrägflächenkulisse (29) hinein ge­ langen und die Bremsbacken gegen die Federkraft zurückschieben, wodurch diese kraftschlüssige Verbindung gelöst wird und, aus den oben näher beschriebenen Gründen, im weiteren Kraftfahr­ zeugmotorbetrieb gelöst bleibt, indem die Rollen (28) in dieser radial äußeren Stellung verharren, bis die Drehzahl weitestge­ hend reduziert ist und jedenfalls unterhalb einen dem Motor­ leerlauf entsprechenden Wert abgesunken ist. Aufgrund dieses eininaligen, dauerhaften Ausrastens der Bremsbacken-Reibschluß­ verbindung bei weiterhin freigeschaltetem Rollenfreilauf (16) wird die Welle (30) der elektrischen Maschine (1) im folgenden nicht mehr über den Nebenriemen (18) und damit den Riemenhoch­ trieb angetrieben, so daß jetzt der Freilauf (17) in der mit dem Hauptriemen (15) verbundenen Riemenscheibe (24) auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) greift. Dadurch wird im folgenden die Welle (30) der elektrischen Maschine (1) über den Riemennormaltrieb, d. h. über den Hauptriemen (15) und die zugehörige Riemenscheibe (24) auf der Welle (30) der elektri­ schen Maschine (1), für normalen Bordnetzgeneratorbetrieb von der Kurbelwelle (14) angetrieben.

Die Verwendung des Riemenhochtriebs ermöglicht ersichtlich ei­ nerseits im Anlasserbetrieb die Bereitstellung eines entspre­ chend hohen Drehmomentes von der elektrischen Maschine (1) auf die Kurbelwelle (14) und andererseits im Heizstromgeneratorbe­ trieb die Bereitstellung einer hohen Drehzahl für die elektri­ sche Maschine (1). Die im Riemenhochtrieb vorgesehenen Schalt­ einrichtungen (16, 20) in Form von mechanischen Reibschlußkupp­ lungselementen bewirken die jeweilige Zuschaltung des Hoch­ triebs ohne oder nur bei äußerst kleiner Drehzahldifferenz zwi­ schen An- und Abtriebsseite. Bei Erreichen einer Grenzdrehzahl wird der Hochtrieb einmalig und selbsttätig auf die Dauer des anschließenden laufenden Motorbetriebes deaktiviert. Anzumerken ist, daß alle diese mechanischen Schaltvorgänge jeweils selbst­ tätig ohne Fremdansteuerung erfolgen. Während der Hochtriebs­ phase ist der normale Antrieb durch den des weiteren vorgesehe­ nen Freilauf (17) abgekoppelt.

Es versteht sich, daß der Kraftfahrzeugmotor (13) nach dem An­ lassen in seiner Drehzahl so lange durch die Motorsteuerung (3) begrenzt wird, bis die kurze Zeitdauer der Entnahme hoher Lei­ stung für die Abgaskatalysatorheizung abgelaufen ist, damit das unabhängig davon von der Grenzwertüberschreitung der Motordreh­ zahl verursachte Auskuppeln des Bremsbacken-Reibschlußkupp­ lungselements und damit das Deaktivieren des Riemenhochtriebs erst nach dieser Heizstromgeneratorphase erfolgt. Dabei braucht diese die Deaktivierung des Riemenhochtriebs und die damit ein­ geleitete Aktivierung des Riemennormaltriebs nicht gleichzeitig mit der Einleitung des Bordgeneratorbetriebes für die elektri­ sche Maschine (1) durch die Steuereinheit (2) zu erfolgen. Vielmehr ist es von Vorteil, daß aufgrund der Drehzahlbegren­ zung während des Heizstromgeneratorbetriebs der Riemenhochtrieb erst nach einem erstmaligen Überschreiten des Drehzahlgrenzwer­ tes während des Bordnetzgeneratorbetriebes der elektrischen Ma­ schine (1) erfolgt, so daß im anfänglichen Bordnetzgeneratorbe­ trieb dem Bordnetz aufgrund des noch aktivierten Riemenhoch­ triebes mehr Strom zuführbar ist.

Selbstverständlich sind neben den bereits angesprochenen Alter­ nativmöglichkeiten weitere naheliegende Variationen für den Fachmann im Rahmen der Erfindung möglich, z. B. kann gegebenen­ falls statt des obigen Riemenhochtriebs ein herkömmlicher Hoch­ trieb beliebiger Bauart eingesetzt werden. Außerdem kann je nach Anwendungsfall die Zusatzfunktion der elektrischen Maschi­ ne als Startermotor entfallen, wobei dann die Stromversorgungs­ einrichtung für der Ankerkreis nicht erforderlich ist. Es ver­ steht sich des weiteren, daß statt der beschriebenen Heizein­ richtung für den Abgaskatalysator ein beliebiger anderer elek­ trischer Verbraucher an die elektrische Maschine in der Be­ triebsart, in der sie wenigstens kurzzeitig erhöhte Leistung, vorzugsweise größer als ihre Nennleistung, abgibt, angeschlos­ sen sein kann, der für die gegebene Zeitdauer einen vergleichs­ weise hohen Leistungsbedarf hat. Es ist je nach Anwendungsfall zudem möglich, auf die Anordnung des Hochtriebs gänzlich zu verzichten, und die höhere Leistungserzeugung durch die elek­ trische Maschine allein durch einen entsprechend höheren Erre­ gerstrom zu bewirken. Selbstverständlich können der elektrische Teil und der mechanisch kuppelnde Teil der obigen Anlage je­ weils separat in anderweitigen Anlagen zum Einsatz kommen.

Des weiteren kann vorgesehen sein, den Eingriff in die Motor­ steuerung zur Motordrehzahlbegrenzung während der kurzzeitigen Versorgung des Verbrauchers mit hohem Leistungsbedarf und damit die Sicherstellung eines aktivierten Hochtriebs in dieser Be­ triebsphase in Abhängigkeit vom jeweiligen Fahrzustand vor zu­ nehmen. Anstelle der im obigen Beispiel unabhängig voneinander jeweils selbsttätig erfolgenden Umschaltungen durch die Steuer­ einheit bzw. in der mechanischen Kupplungseinrichtung durch die verschiedenen mechanischen Schalteinrichtungen kann alternativ eine Kopplung dieser Umschaltungen vorgesehen sein, z. B. durch Verwendung elektrisch ansteuerbarer Schalteinrichtungen in der mechanischen Kopplung von elektrischer Maschine und Kraftfahr­ zeugmotor und entsprechenden Steuerleitungen von der Steuerein­ heit zu derartigen ansteuerbaren Schalteinrichtungen.

Claims (6)

1. Kraftfahrzeugelektrische Anlage mit

• a) einer elektrischen Maschine (1), die in einer ersten Betriebsart als Bordnetzgenerator und in einer zweiten Betriebsart zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers (8) mit vergleichsweise hohem Leistungsbedarf betreibbar ist,

gekennzeichnet durch

• b) einen Regler (10) zur Einstellung des Erregerstromes für die elektrische Maschine (1), einen ansteuerbaren Umschal­ ter (5) und eine Steuereinheit (2) zur Steuerung des Betriebs von Regler (10) und Umschalter (5) wahlweise in der ersten oder einer zweiten Betriebsart, wobei
• b.1) in der ersten Betriebsart der Umschalter den Speisespan­ nungsausgang der elektrischen Maschine mit einer Bordnetz­ versorgungsleitung verbindet und der Regler die Betriebs­ spannung der elektrischen Maschine auf einen niedrigeren, für die Bordnetzversorgung geeigneten Sollwert einregelt und
• b.2) in der zweiten Betriebsart der Umschalter den Speisespan­ nungsausgang der elektrischen Maschine mit dem Anschluß des elektrischen Verbrauchers mit vergleichsweise hohem Leistungsbedarf verbindet und der Regler die Betriebsspan­ nung der elektrischen Maschine auf einen höheren, zur Energieversorgung dieses Verbrauchers geeigneten Sollwert einregelt, und
• c) eine Kupplungseinrichtung, welche die Welle (30) der elektrischen Maschine mit in den beiden Betriebsarten unterschiedlicher Übersetzung an eine Kraftfahrzeug­ motorwelle (14) ankoppelt.

2. Kraftfahrzeugelektrische Anlage nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung eine Riemennormaltrieb-Kopplung (15, 24) und eine Riemenhochtrieb-Kopplung (15, 23, 21, 18, 22) von Kraftfahrzeugmotorwelle (14) und Welle (30) der elektrischen Maschine (1) sowie eine erste Schalteinrichtung (17) für die Riemennormaltrieb-Kopplung zu deren Aktivierung in der ersten Betriebsart und zu deren Deaktivierung in der zweiten Betriebs­ art und eine zweite Schalteinrichtung (20) für die Riemenhoch­ trieb-Kopplung zu deren Aktivierung in der zweiten Betriebsart und zu deren Deaktivierung in der ersten Betriebsart beinhaltet.

3. Kraftfahrzeugelektrische Anlage nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schalteinrichtung ein zwischen zwei zugeordneten Riemenscheiben (21, 23) wirkend angeordnetes Reibschlußkupp­ lungselement (26 bis 29) ist, das bei einsetzender Drehmoment­ einwirkung seitens der Kraftfahrzeugmotorwelle (14) nach einem Motorstart eine kraftschlüssige Verbindung erzeugt, die sich bei Erreichen eines vorwählbaren Motordrehzahlgrenzwertes selbsttätig löst und während des weiteren Motorbetriebes gelöst bleibt.

4. Kraftfahrzeugelektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - die elektrische Maschine (1) in einer dritten Betriebsart als Startermotor betreibbar ist, wobei
• - eine Stromversorgungseinrichtung (9) für den Ankerstrom­ kreis der elektrischen Maschine vorgesehen ist und
• - die Steuereinheit (2) auf ein Startersignal hin in der dritten Betriebsart erstens den Regler (10) zur Einstel­ lung eines Startermotor-Erregerstromwertes und zweitens den Umschalter (5) zur Verbindung des Speisespannungsaus­ gangs der elektrischen Maschine mit einem Freianschluß ansteuert und drittens die Stromversorgungseinrichtung aktiviert sowie auf ein späteres, das Laufen des Kraft­ fahrzeugmotors repräsentierendes Signal hin die Stromver­ sorgungseinrichtung deaktiviert und den Regler und den Umschalter in ihre Funktionsstellungen für die zweite Betriebsart sowie nach Ablauf einer vorwählbaren Zeitdauer in ihre Funktionsstellungen für die erste Betriebsart steuert.

5. Kraftfahrzeugelektrische Anlage nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch eine dritte Schalteinrichtung in Form eines zwischen denselben Riemenscheiben (21, 23) wie die zweite Schalteinrichtung wir­ kend angeordneten Freilaufs (16) für die Riemenhochtrieb-Kopp­ lung, der bei Drehmomenteinwirkung seitens der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) eine kraftschlüssige Verbindung er­ zeugt.