DE4335771C2 - Kraftfahrzeugelektrische Anlage mit elektrischer Maschine mit Bordnetzgeneratorfunktion - Google Patents

Kraftfahrzeugelektrische Anlage mit elektrischer Maschine mit Bordnetzgeneratorfunktion

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kraftfahrzeugelektrische An­ lage nach dem Oberbegriff es 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 ver­ gleichsweise hohem Leistungsbedarf vorhanden, beispielsweise ei­ ne 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 Strom­ erzeugung mittels einer steuerbaren Kupplung zwischen diesem Ge­ nerator und der Brennkraftmaschine geregelt wird.
In der Offenlegungsschrift DE 39 19 562 A1 sind kraftfahrzeug­ elektrische Anlagen beschrieben, bei denen ein gemeinsamer Gene­ rator sowohl als Bordnetzgenerator fungiert als auch zur Spei­ sung eines Heizwiderstandes dient. Zur Bereitstellung einer er­ höhten Generatorspannung für die Speisung des Heizwiderstandes sind verschiedenartige schaltungstechnische Maßnahmen offen­ bart, 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 Ag­ gregate an die Kraftfahrzeugmotorwelle derart koppelt, daß sich die Drehzahl des Aggregats bei steigender Motordrehzahl vermindert und bei fallender Motordrehzahl erhöht, indem der Keilriemen durch Fliehkörper auf unterschiedlichen Riemenschei­ benradien gehalten wird.
In der Offenlegungsschrift DE 37 43 317 A1 ist eine kraftfahr­ zeugelektrische Anlage beschrieben, bei der eine elektrische Ma­ schine einerseits als Bordnetzgenerator und andererseits als Startermotor betreibbar ist, wozu ein geeigneter Gleichstromzwi­ schenkreis zwischen die elektrische Maschine und die Fahrzeug­ batterie sowie die Bordnetzverbraucher geschaltet ist.
In der Patentschrift DE 31 24 102 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Antriebs eines Wechselstromgenera­ tors, insbesondere der Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges, of­ fenbart, bei denen eine Kupplungseinrichtung vorhanden ist, wel­ che die Welle eines Generators mit in zwei möglichen Betriebsar­ ten unterschiedlicher Übersetzung an eine Kraftfahrzeugmotorwel­ le ankoppelt. Bei diesem System wird von der Betriebsart mit ho­ her Übersetzung auf diejenige mit kleiner Übersetzung übergegan­ gen, wenn die Motordrehzahl einen vorgegebenen ersten Schwell­ wert erreicht, der größer als eine Referenzdrehzahl ist, während von der Betriebsart mit kleiner Übersetzung auf diejenige mit hoher Übersetzung übergegangen wird, wenn die Motordrehzahl ei­ nen zweiten Schwellwert erreicht, der kleiner als die Referenz­ drehzahl ist, und gleichzeitig der Wechselstromgenerator mit voller Erregung arbeitet. Die verfahrensdurchführende Vorrich­ tung beinhaltet hierzu einen Detektor zur Erkennung einer vollen Wechselstromgeneratorerregung und einen Komparator, der ein Drehzahlmesser-Ausgangssignal mit dem jeweiligen Schwellwert- Ausgangssignal eines Referenzgenerators vergleicht. Eine die beiden unterschiedlichen, möglichen Übersetzungen realisierende Kupplung wird dann abhängig vom Vergleichsergebnis elektrisch angesteuert und dabei durch einen zugeordneten Elektromagneten betätigt.
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, und zusätzlich eine vor­ teilhafte Startermotorfunktionalität gewährleistet ist.
Dieses Problem wird durch eine kraftfahrzeugtechnische Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese Lö­ sung sieht eine elektrische Maschine vor, die einerseits eine Bordnetzgeneratorfunktion 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 an­ gekoppelt werden kann. Zur Erzielung einer höheren Generator­ ausgangsspannung zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit vergleichsweise hohem Leistungsbedarf trägt sowohl die Ein­ stellung 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 Lei­ stungsbedarf 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 Abgaskatalysatorheizung, zur Verfügung gestellt werden, wobei der zugehörige Leistungsquerschnitt 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 hö­ herer Drehzahl kann die bereitgestellte elektrische Leistung noch weiter gesteigert werden.
Die elektrische Maschine nach Anspruch 1 ist darüber hinaus in einer dritten Betriebsart als Startermotor zum Anlassen des Kraftfahrzeugmotors betreibbar. In diesem Fall verfügt die kraftfahrzeugelektrische Anlage zusätzlich über eine Stromversorgungseinrichtung für den Ankerkreis der elektri­ schen Maschine, und die Steuereinheit sorgt für eine geeigne­ te Ansteuerung des Reglers, des Umschalters und dieser Strom­ versorgungseinrichtung. Damit ist es möglich, die elektrische Maschine beim Starten des Kraftfahrzeuges zunächst in ihrer dritten Betriebsart als Startermotor, nach erkanntem Laufen des Kraftfahrzeugmotors dann für eine bestimmte Zeitdauer als Generator mit vergleichsweise hoher Ausgangsleistung und an­ schließend als Bordnetzgenerator während des weiteren, lau­ fenden Kraftfahrzeugbetriebes zu verwenden.
In konstruktiv vorteilhafter Weise ist die Schalteinrichtung nach Anspruch 2 für den Riemenhochtrieb zwecks dessen Akti­ vierung in der zweiten und Deaktivierung in der ersten Be­ triebsart durch ein Reibschlußkupplungselement realisiert. Die Gestaltung des Reibschlußkupplungselelementes erfolgt derart, daß es nach einem Motorstart durch das von der Motor­ welle her einwirkende Drehmoment einen Reibschluß zwecks kraftschlüssiger Verbindung herbeiführt, der sich bei Erreichen eines verwählbaren Motordrehzahlgrenzwertes selbsttätig löst, z. B. durch fliehkraftbetätigte Kupplungselementglieder, wobei die gelöst Verbindung und damit die Deaktivierung des Reib­ schlußkupplungselementes während des weiteren, laufenden Mo­ torbetriebes 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.
Die Realisierung der dritten Betriebsart für die elektrische Maschine als Startermotor wird in Weiterbildung dieses Gedan­ kens durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 3 unterstützt, die eine dritte Schalteinrichtung in Form eines Freilaufs vor­ sieht, der wie die zweite Schalteinrichtung auf die Riemen­ hochtrieb-Kopplung, jedoch in umgekehrter Richtung wirkt, d. h. einen Kraftschluß dann herbeiführt, wenn das Drehmoment nicht von der Motorwelle, sondern von der Welle der elektri­ schen Maschine her einwirkt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnung 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 Genera­ tor betreibbar ist, wobei sie über eine separat gezeich­ nete Erregerwicklung (11) verfügt. Zur Einstellung eines jeweils gewünschten Erregerstromes durch die Erreger­ wicklung (11) dient ein Regler (10), dessen Ausgang mit dem einen Erregerwicklungsanschluß verbunden ist. Um eine Erregerstromeinstellung in Abhängigkeit der Abweichung der Betriebsspannung der elektrischen Maschine (1) im Generatorbetrieb von einem ge­ wünschten Sollwert zu erlauben, ist der Rückführgrö­ ßeneingang des Reglers (10) gemeinsam mit dem ande­ ren Erregerwicklungsanschluß mit dem D+-Anschluß der elektrischen Maschine (1) verbunden, während an den anderen Reglersignaleingang eine über eine Lade­ kontrollampe (12) zur Ladekontrolle und Anfangserre­ gung von einer nicht gezeigten Fahrzeugbatterie kom­ mende Leitung geführt ist. Der B+-Ausgang der elektri­ schen Maschine (1) ist an den Eingang eines elektrisch ansteuerbaren Umschalters (5) geführt, der zwischen drei Positionen zur Verbindung seines Eingangs wahl­ weise mit einem von drei Ausgängen schaltbar ist. Von diesen Ausgängen bildet ein erster einen Freianschluß (31), ein zweiter ist mit einer elektrischen Heizeinrich­ tung für einen in dem Kraftfahrzeug vorgesehenen Ab­ gaskatalysator (8) verbunden, während an den dritten Umschalterausgang eine Bordnetzversorgungsleitung (7) angeschlossen ist. Zur Bewerkstelligung einer Star­ termotorfunktion der elektrischen Maschine (1) ist eine Stromversorgungseinrichtung (9) mit einem Gleich­ stromeingang, der mit der Bordnetzversorgungsleitung (7) verbunden ist, sowie mit einem Wechselstromaus­ gang, der mit dem Ankerkreis der elektrischen Maschi­ ne (1) verbunden ist, vorgesehen. Regler (10), Umschal­ ter (5) und Stromversorgungseinrichtung (9) sind von einer zu diesem Zweck vorgesehenen Steuereinheit (2) ansteuerbar. Die Steuereinheit (2) ist eingangsseitig mit einem Ausgang einer Kraftfahrzeugmotorsteuerung (3) verknüpft die ihrerseits eingangsseitig das Signal eines Anlaßschalters (4) empfängt. Die Steuereinheit (2) ist vorliegend als separates Bauteil realisiert, kann jedoch alternativ in der Motorsteuerung (3) oder im Regler (10) integriert sein.
Es versteht sich, daß die kraftfahrzeugelektrische An­ lage neben den in Fig. 1 explizit gezeigten, erfindungs­ relevanten elektrischen Komponenten im allgemeinen weitere, hier nicht weiter interessierende und daher nicht gezeigte elektrische Komponenten und Schal­ tungsverbindungen beinhaltet. Zudem beeinflußt die Motorsteuerung (3) aufgrund ihrer Kraftfahrzeugmo­ torsteuerung indirekt zusätzlich die Ausgangswechsel­ spannungen von elektrischer Maschine (1) und Strom­ versorgungseinrichtung (9) und folglich die Stromstärke in der Verbindungsleitung zwischen Stromversorgungs­ einrichtung (9) und Ankerkreis der elektrischen Maschi­ ne (1).
Die elektrische Maschine (1) ist in der in den Fig. 2 bis 4 näher gezeigten Weise mechanisch mit einem als Brennkraftmaschine realisierten Kraftfahrzeugmotor (13) gekoppelt. Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Welle (30) der elektrischen Maschine (1) zum einen mit der Kurbelwelle (14) des Kraftfahrzeugmo­ tors (13) über einen Riemennormaltrieb verbunden, der aus einer drehfest auf der Kurbelwelle (14) sitzenden Riemenscheibe (32), einer auf der Welle (30) der elektri­ schen Maschine (1) getragenen Riemenscheibe (24) und einem Hauptriemen (15) besteht. Zwischen der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) und dieser Riemen­ scheibe (24) ist als Schalteinrichtung für die Riemennor­ maltrieb-Kopplung ein Freilauf (17) vorgesehen, der freischaltet, wenn die zugehörige Welle (30) schneller angetrieben wird als die zugehörige Riemenscheibe (24), während er ansonsten eine kraftschlüssige Verbindung herstellt. Zum anderen ist die Welle (30) der elektrischen Maschine (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 elektrischen Maschine (1) drehfest sitzenden, kleineren Riemenscheibe (22), ei­ ner 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 Zwi­ schenwelle (25) drehfest sitzende, kleinere Riemenschei­ be (23) beinhaltet, die einerseits mit dem Hauptriemen (15) in Kontakt ist und andererseits mit der großen Rie­ menscheibe (21) koppelbar ist und so die beiden Rieme­ nebenen verbindet. Dabei ist genauer die große Rie­ menscheibe (21) über ein Kugellager (33) auf der Zwi­ schenweile (25) gehalten, während die kleine Riemen­ scheibe (23) mittels eines in das Stirnende der Zwischen­ welle (25) eingeschraubten Bolzens (34) drehfest an der­ selben 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-för­ miger Ring gestaltet, in die koaxial ein endseitiger Trommelmantel (35) der kleinen Riemenscheibe (23) eingreift. Zwischen der Trommelmantelaußenfläche der kleinen Riemenscheibe (23) und der radial gegenüberlie­ genden Fläche der großen Riemenscheibe (21) befindet sich als Reibschlußkupplungselement ein Rollenfreilauf (16). Zwischen der Trommelmantelinnenfläche der klei­ nen Riemenscheibe (23) und der radial gegenüberlie­ genden Fläche der großen Riemenscheibe (21) befindet sich ein Reibschlußkupplungselement, das federnd ge­ gen die Trommelmantelfläche der kleinen Riemenschei­ be (23) andrückbare Bremsbacken (26) beinhaltet, denen jeweils eine Bolzen-Langloch-Kulissenführung (27) und eine jeweils aus einer Rolle (28) und einer zugeordneten Schrägflächenkulisse (29) bestehende Ausrasteinrich­ tung 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 Reibschluß­ kupplungselement 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 Riemenscheibe (21) her ein, so gerät der Rollenfreilauf (16) in Klemmstellung und stellt dadurch einen Kraftschluß zwischen großer Riemen­ scheibe (21) und kleiner Riemenscheibe (23) der Zwi­ schenwelle (25) her. Auf diese Weise läßt sich beispiels­ weise ein Anlasserdrehmoment von der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) über die Riemenhochtrieb- Kopplung auf die Kraftfahrzeugmotorwelle (14) über­ tragen. Wenn anschließend die Motorwelle (14) ander­ weitig 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 feder­ elastisch leicht gegen die kleine Riemenscheibe (23) der Zwischenwelle (25) anliegenden Bremsbacken (26) rei­ bungsbedingt und geführt durch ihre jeweilige Bolzen- Langloch-Kulissenführ und (27) fester an die gegenüber­ liegende Trommelmantelinnenfläche andrücken und auf diese Weise auch in dieser Drehmomentrichtung einen Kraftschluß zwischen großer Riemenscheibe (21) und kleiner Riemenscheibe (23) der Zwischenwelle (25) her­ stellen. Dies führt zum Antrieb der Welle (30) der elek­ trischen Maschine (1) durch die Kurbelwelle (14) über den Riemenhochtrieb und folglich mit erhöhter Dreh­ zahl, die sich beispielsweise zur Bereitstellung einer er­ höhten Generatorleistung durch die elektrische Maschi­ ne (1) eignet. Sobald die Drehzahl der großen Riemen­ scheibe (21) einen gewissen vorwählbaren Grenzwert überschreitet, z. B. nachdem der Kraftfahrzeugmotor mit einer erhöhten Drehzahl läuft, drücken die Rollen (28) aufgrund ihrer Fliehkraft radial nach außen gegen ihre jeweils zugeordnete schräge Kulissenanlauffläche (29) und schieben auf diese Weise die Bremsbacken (26) entgegen der Federkrafteinwirkung zurück, wodurch der Reib- und damit der Kraftschluß gelöst wird. Die Rollen (28) gelangen hierbei in einen sich an einen radial innengelegenen Schrägflächenabschnitt mit starkem Schrägwinkel radial nach außen anschließenden Schrägflächenabschnitt mit deutlich geringerem Schrägwinkel. Dies bewirkt, daß die von den jeweils anliegenden Schrägflächen in Verbindung mit der ein­ wirkenden Federkraft verursachte, radial nach innen wirkende Rückstellkraft für die Rollen (28) im radial äußeren Schrägflächenabschnitt mit geringerem Schrägwinkel deutlich kleiner ist als im radial innenlie­ genden Schrägflächenabschnitt mit größerem Schräg­ winkel. Dies hat zum einen zur Folge, daß zum Zurück­ schieben und damit Lösen der Bremsbacken (26) auf­ grund des größeren anfänglichen Schrägwinkels eine hohe Rollenzentrifugalkraft erforderlich ist, weshalb das Lösen der Bremsbacken (26) erst bei Überschreiten eines relativ großen Motordrehzahlgrenzwertes erfolgt, wodurch die Rollen (28) gleichzeitig in den radial äuße­ ren, schwächer geneigten Schrägflächenbereich gelan­ gen. Zum anderen verbleiben die Rollen (28) in dieser Ausraststellung auch bei späterem Unterschreiten die­ ses Motordrehzahlgrenzwertes, da selbst die verblei­ bende Fliehkraft die in dieser Stellung der Rollen (28) geringere, von den Schrägflächen ausgeübte Rollen­ rückstellkraft zu kompensieren vermag. Der geringe Schrägwinkel des radial äußeren Schrägflächenab­ schnitts ist so gewählt, daß die Fliehkraft selbst im Leer­ lauf des Kraftfahrzeugmotors (13) noch größer als diese Rollenrückstellkraft ist. Die Bremsbacken (26) bleiben folglich dauerhaft gelöst, bis die große Riemenscheibe (21) weitestgehend zum Stillstand gekommen ist, bei­ spielsweise nach Stillsetzen der Brennkraftmaschine (13).
Die Anordnung des Nebenriemens (18) auf einer Zwi­ schenwelle (25) ermöglicht eine geringe Baulänge für den Kraftfahrzeugmotor (13). Alternativ kann auf diese Zwischenwelle verzichtet und der Nebenriemen für den Riemenhochtrieb wie der Hauptriemen (15) ebenfalls direkt zur Kurbelwelle (14) geführt sein.
Im folgenden wird der mit dem oben beschriebenen Aufbau der kraftfahrzeugelektrischen Anlage vorzugs­ weise beabsichtigte Funktionsablauf näher erläutert.
Ausgehend von einer abgeschalteten Brennkraftma­ schine (13) wird deren Starten von der Steuereinheit (2) über ein von der Motorsteuerung (3) kommendes Signal erkannt, wobei die Motorsteuerung (3) ihrerseits über ein entsprechendes Signal das Schließen des Anlaß­ schalters (4) erkennt. Das Steuergerät (2) steuert darauf­ hin den Umschalter (5) auf seinen Freianschluß (31), wodurch der B+-Generatorausgang freigeschaltet ist. Gleichzeitig steuert die Steuereinheit (2) die Stromver­ sorgungseinrichtung (9) dergestalt an, daß letztere (9) den Ankerkreis der elektrischen Maschine (1) für die Dauer des Anlassens mit Strom versorgt. Des weiteren wird der Regler (10) durch ein entsprechendes Steuersi­ gnal der Steuereinheit (2) so angesteuert, daß er einen zum Anlassen des Kraftfahrzeugmotors (13) nötigen Er­ regerstrom einstellt. Daraufhin fungiert die elektrische Maschine (1) als Startermotor während des Anlaßvor­ gangs für die Brennkraftmaschine (13). Hierzu wird das Drehmoment von der Welle (30) der elektrischen Ma­ schine (1) über die Riemenhochtrieb-Kopplung auf die Kurbelwelle (14) übertragen. Im einzelnen erfolgt die Drehmomentübertragung über die Riemenscheibe (22) auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) und den Nebenriemen (18) zunächst auf die große Riemenschei­ be (21) der Zwischenwelle (25). Wie oben beschrieben, greift in diesem Fall der Drehmomenteinwirkung von der elektrischen Maschine (1) her der Rollenfreilauf (16) und stellt durch Reibschluß den Kraftschluß zur benach­ barten, kleinen Riemenscheibe (23) auf der Zwischen­ welle (25) her. Von der kleinen Riemenscheibe (23) wird das Drehmoment über den Hauptriemen (15) und die drehfest auf der Kurbelwelle (14) sitzende Riemenschei­ be (32) auf die Kurbelwelle (14) übertragen. Es bleibt anzumerken, daß während dieses Anlaßvorgangs mit der Funktion der elektrischen Maschine (1) als Starter­ motor der Freilauf (17), der sich zwischen der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) und der zugeordneten, direkt vom Hauptriemen (15) umschlungenen Riemen­ scheibe (24) befindet, freigeschaltet ist, da das Drehmo­ ment von der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) her wirkt. Die Verwendung des Riemenhochtriebs in dieser Richtung ergibt die für das Anlassen der Brenn­ kraftmaschine (13) erforderliche starke Untersetzung der Startermotordrehzahl.
Sobald die Motorsteuerung (3) erkennt, daß der Kraftfahrzeugmotor (13) läuft, sendet sie ein entspre­ chendes Signal an die Steuereinheit (2), die den Regler (10) daraufhin zur Rücknahme des hohen Anlassererre­ gerstroms und die Stromversorgungseinrichtung (9) zum Abschalten ansteuert. Gleichzeitig wird der Um­ schalter (5) von der Steuereinheit (2) für eine vorwähl­ bare kurze Zeitdauer auf den mit der Heizeinrichtung des Abgaskatalysators (8) verbundenen Ausgang ge­ schaltet. Die elektrische Maschine (1) dient auf diese Weise als Heizstromgenerator für den Abgaskatalysa­ tor (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 elek­ trische Maschine (1) über den vorgesehenen, relativ kur­ zen Zeitraum eine wesentlich höhere Leistung als ihre Nennleistung bei erhöhter 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 Erre­ gerstromes veranlaßt. Alternativ kann vorgesehen sein, die Betriebsphase bei Erreichen einer bestimmten Ab­ gaskatalysatortemperatur zu beenden, wozu ein ent­ sprechender Temperaturfühler und eine Verbindungs­ leitung zum Steuergerät (2) vorzusehen ist.
Parallel zur elektrischen Umschaltung auf diese kurz­ zeitige Betriebsphase der Abgabe hoher Leistung an der elektrischen Maschine (1) erfolgt eine dazu korre­ spondierende selbsttätige mechanische Umschaltung in der Kopplung von Kurbelwelle (14) und Welle (30) der elektrischen Maschine (1) wie folgt. Sobald die Brenn­ kraftmaschine (13) durch den Anlaßvorgang anspringt und läuft, dreht sich die Kurbelwelle (14) rasch schneller, wodurch sich die Richtung der Drehmomentübertra­ gung umkehrt. Folglich treibt die Kurbelwelle (14) über den Hauptriemen (15) die kleine 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 Kraft­ schluß von der kleinen Riemenscheibe (23) auf die große Riemenscheibe (21) dadurch erzeugt, daß die federela­ stisch leicht angelegten Bremsbacken (26) durch ihre Reibung an der Trommelmantelinnenfläche der kleinen Riemenscheibe (23) mitgenommen und durch Verschie­ bung in ihrer Langlochkulissenführung (27) fester an selbige angedrückt werden. Das durch den solcherma­ ßen bewirkten Kraftschluß von kleiner (23) und großer Riemenscheibe (21) der Zwischenwelle (25) übertragene Drehmoment wird von der großen Riemenscheibe (21) weiter über den Nebenriemen (18) auf die drehfest auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) sitzende Riemenscheibe (22) übertragen, wodurch die schal­ tungsmäßig wie oben beschrieben auf Generatorbetrieb umgestellte elektrische Maschine (1) von der Kurbel­ welle (14) mit einer durch den Riemenhochtrieb reali­ sierten erhöhten Drehzahl ihrer Welle (30) angetrieben wird. Der in der zweiten Riemenscheibe (24) auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) angeordnete Freilauf (17) bleibt auch in dieser Betriebsphase freige­ schaltet, da die Welle (30) der elektrischen Maschine (1) über den Riemenhochtrieb 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 Rie­ mennormaltrieb ergibt die erhöhte Drehzahl der Welle (30) der elektrischen Maschine (1), die zusammen mit dem erhöhten Erregerstrom für die Erhöhung der Ge­ neratorausgangsspannung der elektrischen Maschine (1) sorgt.
Wenn die Steuereinheit durch Ansteuerung des Reg­ lers (10) zur Rücknahme des erhöhten Erregerstromes diese Heizstromgenerator-Betriebsphase der elektri­ schen Maschine (1) beendet, schaltet sie gleichzeitig den Umschalter (5) auf den mit des Bordnetzversorgungslei­ tung (7) verbundenen Ausgang. Die elektrische Maschi­ ne (1) fungiert dadurch in einer weiteren Betriebsart nunmehr als normaler Bordnetzgenerator, wobei der Regler (10) durch Erzeugung eines entsprechenden Er­ regerstromes die Generatorausgangsspannung auf die so normale Bordnetzspannung einregelt.
Zeitlich unabhängig davon erfolgt auch eine weitere Umschaltung in der mechanischen Kopplung der elek­ trischen 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 Gestaltung der Kulissenschrägflächen (29) innerhalb des Bremsbacken-Reibschlußkupplungselementes mit­ bestimmt ist. Denn die Überschreitung dieses Kurbel­ wellendrehzahlgrenzwertes hat auch ein Überschreiten einer bestimmten Drehzahl der über den Hauptriemen (15) an die Kurbelwelle (14) gekoppelten kleinen Rie­ menscheibe (23) auf der Zwischenwelle (25) und wegen des in dieser Phase vorliegenden Kraftschlusses durch das Bremsbacken-Reibschlußkupplungselement auch der benachbarten großen Riemenscheibe (21) zur Folge. Dies bewirkt wiederum, daß die Fliehkraft für die Rollen (28) des Bremsbacken-Reibschlußkupplungselementes durch Überschreiten des Drehzahlgrenzwertes radial nach außen weiter in die Schrägflächenkulisse (29) hin­ ein gelangen und die Bremsbacken gegen die Federkraft zurückschieben, wodurch diese kraftschlüssige Verbin­ dung gelöst wird und, aus den oben näher beschriebe­ nen Gründen, im weiteren Kraftfahrzeugmotorbetrieb gelöst bleibt indem die Rollen (28) in dieser radial äuße­ ren Stellung verharren, bis die Drehzahl weitestgehend reduziert ist und jedenfalls unterhalb einen dem Motor­ leerlauf entsprechenden Wert abgesunken ist. Aufgrund dieses einmaligen, dauerhaften Ausrastens der Brems­ backen-Reibschlußverbindung bei weiterhin freige­ schaltetem Rollenfreilauf (16) wird die Welle (30) der elektrischen Maschine (1) im folgenden nicht mehr über den Nebenriemen (18) und damit den Riemenhochtrieb 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. Da­ durch wird im folgenden die Welle (30) der elektrischen Maschine (1) über den Riemennormaltrieb, d. h. über den Hauptriemen (15) und die zugehörige Riemenschei­ be (24) auf der Welle (30) der elektrischen Maschine (1), für normalen Bordnetzgeneratorbetrieb von der Kur­ belwelle (14) angetrieben.
Die Verwendung des Riemenhochtriebs ermöglicht ersichtlich einerseits im Anlasserbetrieb die Bereitstel­ lung eines entsprechend hohen Drehmomentes von der elektrischen Maschine (1) auf die Kurbelwelle (14) und andererseits im Heizstromgeneratorbetrieb die Bereit­ stellung einer hohen Drehzahl für die elektrische Ma­ schine (1). Die im Riemenhochtrieb vorgesehenen Schalteinrichtungen (16, 20) in Form von mechanischen Reibschlußkupplungselementen bewirken die jeweilige Zuschaltung des Hochtriebs ohne oder nur bei äußerst kleiner Drehzahldifferenz zwischen An- und Abtriebs­ seite. Bei Erreichen einer Grenzdrehzahl wird der Hochtrieb einmalig und selbsttätig auf die Dauer des anschließenden laufenden Motorbetriebes deaktiviert. Anzumerken ist, daß alle diese mechanischen Schaltvor­ gänge jeweils selbsttätig ohne Fremdansteuerung erfol­ gen. Während der Hochtriebsphase ist der normale An­ trieb durch den des weiteren vorgesehenen Freilauf (17) abgekoppelt.
Es versteht sich, daß der Kraftfahrzeugmotor (13) nach dem Anlassen in seiner Drehzahl so lange durch die Motorsteuerung (3) begrenzt wird, bis die kurze Zeitdauer der Entnahme hoher Leistung für die Abgas­ katalysatorheizung abgelaufen ist, damit das unabhän­ gig davon von der Grenzwertüberschreitung der Mo­ tordrehzahl verursachte Auskuppeln des Bremsbacken- Reibschlußkupplungselements und damit das Deakti­ vieren des Riemenhochtriebs erst nach dieser Heiz­ stromgeneratorphase erfolgt. Dabei braucht diese die Deaktivierung des Riemenhochtriebs und die damit ein­ geleitete Aktivierung des Riemennormaltriebs nicht gleichzeitig mit der Einleitung des Bordgeneratorbetrie­ bes für die elektrische Maschine (1) durch die Steuerein­ heit (2) erfolgen. Vielmehr ist es von Vorteil, daß aufgrund der Drehzahlbegrenzung während des Heiz­ stromgeneratorbetriebs der Riemenhochtrieb erst nach einem erstmaligen Überschreiten des Drehzahlgrenz­ wertes während des Bordnetzgeneratorbetriebes der elektrischen Maschine (1) erfolgt, so daß im anfängli­ chen Bordnetzgeneratorbetrieb dem Bordnetz auf­ grund des noch aktivierten Riemenhochtriebes mehr Strom zuführbar ist.
Selbstverständlich sind neben den bereits angespro­ chenen Alternativmöglichkeiten weitere naheliegende Variationen für den Fachmann im Rahmen der Erfin­ dung möglich, z. B. kann gegebenenfalls statt des obigen Riemenhochtriebs ein herkömmlicher Hochtrieb belie­ biger Bauart eingesetzt werden. Es versteht sich des weiteren, daß statt der beschriebenen Heizeinrichtung für den Abgas­ katalysator ein beliebiger anderer elektrischer Verbrau­ cher an die elektrische Maschine in der Betriebsart, in der sie wenigstens kurzzeitig erhöhte Leistung, vor­ zugsweise größer als ihre Nennleistung, abgibt, ange­ schlossen sein kann, der für die gegebene Zeitdauer ei­ nen vergleichsweise hohen Leistungsbedarf hat. Selbstverständlich können der elektrische Teil und der mechanisch kuppelnde Teil der obigen Anlage jeweils separat in anderweitigen Anla­ gen zum Einsatz kommen.
Des weiteren kann vorgesehen sein, den Eingriff in die Motorsteuerung zur Motordrehzahlbegrenzung während der kurzzeitigen Versorgung des Verbrau­ chers mit hohem Leistungsbedarf und damit die Sicher­ stellung eines aktivierten Hochtriebs in dieser Betriebs­ phase in Abhängigkeit vom jeweiligen Fahrzustand vor zunehmen. Anstelle der im obigen Beispiel unabhängig voneinander jeweils selbsttätig erfolgenden Umschal­ tungen durch die Steuereinheit bzw. in der mechani­ schen Kupplungseinrichtung durch die verschiedenen mechanischen Schalteinrichtungen kann alternativ eine Kopplung dieser Umschaltungen vorgesehen sein, z. B. durch Verwendung elektrisch ansteuerbarer Schaltein­ richtungen in der mechanischen Kopplung von elektri­ scher Maschine und Kraftfahrzeugmotor und entspre­ chenden Steuerleitungen von der Steuereinheit zu der­ artigen ansteuerbaren Schalteinrichtungen.

Claims (3)

1. Kraftfahrzeugelektrische Anlage mit
  • a) einer elektrischen Maschine (1), die in einer ersten Be­ triebsart als Bordnetzgenerator und in einer zweiten Betriebsart zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers (8) mit vergleichs­ weise hohem Leistungsbedarf betreibbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • b) ein Regler (10) zur Einstellung des Erregerstromes für die elektrische Maschine (1), ein ansteuerbarer Umschalter (5) und eine Steuereinheit (2) zur Steuerung des Betriebs von Regler (10) und Umschalter (5) wahlweise in der ersten oder einer zwei­ ten Betriebsart vorgesehen sind, wobei
    • 1. b.1) in der ersten Betriebsart der Umschalter den Speisespan­ nungsausgang der elektrischen Maschine mit einer Bordnetzversor­ gungsleitung verbindet und der Regler die Betriebsspannung der elektrischen Maschine auf einen niedrigeren, für die Bordnetz­ versorgung geeigneten Sollwert einregelt und
    • 2. b.2) in der zweiten Betriebsart der Umschalter den Speisespan­ nungsausgang der elektrischen Maschine mit dem Anschluß des elektrischen Verbrauchers mit vergleichsweise hohem Leistungsbe­ darf verbindet und der Regler die Betriebsspannung der elektri­ schen Maschine auf einen höheren, zur Energieversorgung dieses Verbrauchers geeigneten Sollwert einregelt,
  • c) eine Kupplungseinrichtung vorgesehen ist, welche die Welle (30) der elektrischen Maschine mit in den beiden Betriebsarten unterschiedlicher Übersetzung an eine Kraftfahrzeugmotorwelle (14) ankoppelt, und
  • d) die elektrische Maschine (1) in einer dritten Betriebsart als Startermotor betreibbar ist, wobei
    • 1. d.1) eine Stromversorgungseinrichtung (9) für den Ankerstrom­ kreis der elektrischen Maschine vorgesehen ist und
    • 2. d.2) die Steuereinheit (2) auf ein Startersignal hin in der dritten Betriebsart erstens den Regler (10) zur Einstellung ei­ nes Startermotor-Erregerstromwertes und zweitens den Umschalter (5) zur Verbindung des Speisespannungsausgangs der elektrischen Maschine mit einem Freianschluß ansteuert und drittens die Stromversorgungseinrichtung aktiviert sowie auf ein späteres, das Laufen des Kraftfahrzeugmotors repräsentierendes Signal hin die Stromversorgungseinrichtung deaktiviert und den Regler und den Umschalter in ihre Funktionsstellungen für die zweite Be­ triebsart sowie nach Ablauf einer vorwählbaren Zeitdauer in ihre Funktionsstellungen für die erste Betriebsart steuert.
2. Kraftfahrzeugelektrische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. c.1) 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 und
  • 2. c.2) die zweite Schalteinrichtung ein zwischen zwei zugeordneten Riemenscheiben (21, 23) wirkend angeordnetes Reibschlußkupplung­ selement (26 bis 29) ist, das bei einsetzender Drehmomenteinwir­ kung seitens der Kraftfahrzeugmotorwelle (14) nach einem Motor­ start eine kraftschlüssige Verbindung erzeugt, die sich bei Er­ reichen eines vorwählbaren Motordrehzahlgrenzwertes selbsttätig löst und während des weiteren Motorbetriebes gelöst bleibt.
3. Kraftfahrzeugelektrische Anlage nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch eine dritte Schalteinrichtung in Form eines zwischen denselben zwei Riemenscheiben (21, 23) wie die zweite Schalteinrichtung wirkend angeordneten Freilaufs (16) für die Riemenhochtrieb- Kopplung, der bei Drehmomenteinwirkung seitens der Welle (30) der elektrischen Maschine (1) eine kraftschlüssige Verbindung erzeugt.
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