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WO2012079796A1 - Nebenaggregatetrieb einer brennkraftmaschine und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Nebenaggregatetrieb einer brennkraftmaschine und verfahren zu dessen betrieb Download PDF

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WO2012079796A1
WO2012079796A1 PCT/EP2011/067065 EP2011067065W WO2012079796A1 WO 2012079796 A1 WO2012079796 A1 WO 2012079796A1 EP 2011067065 W EP2011067065 W EP 2011067065W WO 2012079796 A1 WO2012079796 A1 WO 2012079796A1
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electric machine
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rotation
crankshaft
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Bernd Hartmann
Hermann Stief
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • B60K25/02Auxiliary drives directly from an engine shaft
    • B60K2025/022Auxiliary drives directly from an engine shaft by a mechanical transmission

Definitions

  • the invention relates to an auxiliary drive of an internal combustion engine and a method for its operation.
  • the accessory drive includes:
  • a first drive wheel rotatably connectable to a crankshaft of the internal combustion engine
  • a generic belt drive for ancillary components of internal combustion engines is disclosed in DE 10 2008 023 834 A1.
  • the starter generator allows not only a belt start of the internal combustion engine but also a vehicle air conditioning at standstill of the internal combustion engine as additional functionalities.
  • the (stationary) crankshaft is separated from the drive of the belt drive, and the air conditioning compressor is driven by an electric motor.
  • An analog mode of operation applies to the coolant pump.
  • the invention has for its object to provide a supplementary functionalities having auxiliary drive of the type mentioned in structurally simple as possible embodiment and a method for operating such a secondary drive.
  • the solution of this object is the device side of the characterizing features of claim 1 and the method side of the features of inde pendent claim 5. Accordingly, on the one hand, the air compressor for a compression operation in both directions and formed on the other hand, a reversal of direction between the generator operation and the engine operation of the electroma - Machine be provided.
  • the accessory drive according to the invention is operable in at least three states, which in principle only a controllable coupling between the crankshaft side first drive wheel and the crankshaft is required. Other couplings by the electric machine and the air conditioning compressor are optional.
  • the three operating states are:
  • a one-way clutch in a preferred embodiment of the invention may be arranged between the electric machine and the second drive wheel, a one-way clutch, which allows in the direction of rotation of the generator operation overtaking the electric machine relative to the second drive wheel.
  • a one-way clutch - in conventional Ne- often referred to as alternator or generator freewheeling - is known to be an efficient means to dynamically decouple the comparatively large rotary generator mass from the torsional vibrations of the crankshaft and to calm the drive.
  • the one-way clutch is readily used for decoupling of the electric machine, since it drives the auxiliary drive in stationary air conditioning in the reverse direction of rotation by means of the thereby overrunning one-way clutch.
  • decoupling afflicted with end stops, rotative springing of the second drive wheel on the electric machine is conceivable.
  • a clamping device for biasing the traction means is to be arranged in the region of the slack side, which runs between the first drive wheel (on the part of the crankshaft) and the second drive wheel (on the part of the electric machine). Due to the reversal of the direction of rotation of the ancillary drive driven by the electric machine during stationary air conditioning, the tensioning device is always located, i. in all three operating conditions in the slack side, so that the bias of the traction means in the context of the invention is readily adjustable by means of a conventional clamping device.
  • a belt is preferably provided.
  • An accessory drive according to the invention can nevertheless also be a chain drive.
  • the accessory drive is arranged with the aforementioned additional functionalities in a single Buchstoffebene. Additional ancillaries and / or additional functionalities may optionally be provided in the same Buchstoffebene or in another Buchstoffebene.
  • This relates in particular to a coolant pump for cooling the internal combustion engine, which is likewise designed for a delivery operation in both operational directions of rotation. Depending on the design of the coolant pump, the reversal of the direction of rotation does not result in a change from the suction and pressure sides, but may be accompanied by different delivery rates.
  • operationally heated coolant which is circulated when the internal combustion engine is at a standstill, can be used to heat the vehicle interior (auxiliary heating). Description of the drawing
  • a belt drive with a poly-V belt 4 as an endlessly circulating traction means a first drive wheel 1 arranged on the crankshaft of the internal combustion engine designated CR, an electric motor designated as AL or M and one on its generator shaft 5 arranged second drive wheel 2, a designated A / C air compressor and arranged on the compressor shaft 6 third drive wheel 3 and a BT designated tensioning device for biasing the belt 4th
  • the operational direction of rotation of the crankshaft CR corresponds to the direction of rotation indicated by a positive sign.
  • the first drive wheel 1 is connected via a symbolically represented, electrically controllable magnetic clutch 7 (this can be either normally open or normally closed) with the crankshaft CR navverbindbar. In the open state, the magnetic clutch 7 is used for the demand-driven drive separation of the crankshaft CR of the electric machine AL, M and the air conditioning compressor A / C.
  • the electric machine can be operated as a generator AL in the direction of rotation indicated by a positive sign and as a motor M in the direction of rotation reversed with a negative sign.
  • the second drive wheel 2 is rotatably connected via a symbolically represented one-way clutch 8 in the form of a conventional generator freewheel with the generator shaft 5 of the electric machine AL, M.
  • the overrunning clutch 8 is configured so that it allows overtaking of the generator shaft 5 in the drawn positive direction of rotation of the generator and blocks in the reversed, negatively marked direction of motor rotation.
  • the air conditioning compressor A / C is a swash plate type compressor, c
  • the third drive wheel 3 is either permanently connected in rotation with the compressor shaft 6 or in an optional, not shown variant by means of a controllable magnetic coupling with the compressor shaft 6 rotatably connected.
  • the tensioning device BT is a conventional spring-loaded belt tensioner, which pretensions the belt 4 in the slack side 9 between the first drive wheel 1 and the second drive wheel 2. According to the invention, there is no change between the slack side 9 and the pulling line 10, which is disadvantageous to the operation of the belt tensioner BT, since the electric machine operated as a generator AL is driven by the crankshaft CR in the positive direction of rotation and the motor M is operated as the motor Electric machine drives the air conditioning compressor A / C with reverse negative direction of rotation and thus remain the positions of the traction 10 and the return strand unchanged.
  • the electric machine is in generator mode AL,
  • the drive of the generator AL and of the air conditioning compressor A / C is effected by the crankshaft CR in its (positive) direction of rotation via the second drive wheel 2 when the overrunning clutch 8 is in the locked state or via the third drive wheel 3,
  • the one-way clutch 8 allows overtaking the generator shaft 5 relative to the second drive wheel 2 / the crankshaft CR. b) Disconnecting the accessory drive:
  • the electric machine is in engine mode M and rotates in the opposite direction of rotation (compared to the generator operation AL),
  • the operating state, not shown, of the above-mentioned auxiliary heater, in which a non-rotating coolant pump is also integrated in the accessory drive, corresponds in terms of drive technology to the state c) auxiliary air conditioning.

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Abstract

Vorgeschlagen ist ein Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Nebenaggregatetrieb umfasst: ein mit einer Kurbelwelle (CR) der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad (1), eine wahlweise als Generator (AL) oder als Motor (M) betreibbare Elektromaschine und ein mit der Elektromaschine (AL, M) drehverbindbares zweites Antriebsrad (2), einen Klimakompressor (A/C) und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad (3), ein endlos umlaufendes Zugmittel (4), das die Antriebsräder umschlingt, und eine ansteuerbare Kupplung (7) zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektromaschine und des Klimakompressors von der Kurbelwelle. Dabei soll der Klimakompressor für einen Betrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet und eine Drehrichtungsumkehr zwischen dem Generatorbetrieb und dem Motorbetrieb der Elektromaschine vorgesehen sein.

Description

Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Betrieb Die Erfindung betrifft einen Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Nebenaggregatetrieb umfasst:
- ein mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad,
- eine wahlweise als Generator oder als Motor betreibbare Elektromaschine und ein mit der Elektromaschine drehverbindbares zweites Antriebsrad,
- einen Klimakompressor und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad,
- ein endlos umlaufendes Zugmittel, das die Antriebsräder umschlingt,
- und eine ansteuerbare Kupplung zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektro- maschine und des Klimakompressors von der Kurbelwelle.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßer Riementrieb für Nebenaggregate von Brennkraftmaschinen geht aus der DE 10 2008 023 834 A1 hervor. Dort sind sowohl zwischen der Kurbelwelle und der zugehörigen Kurbelwellenriemenscheibe als auch zwischen jedem der Nebenaggregate und der jeweils zugehörigen Antriebsscheibe schaltbare Kupplungen vorgesehen. Diese bilden die Grundlage für eine Reihe von Zusatzfunktionalitäten des Nebenaggregatetriebs, indem die Nebenaggregate je nach Stellung der Kupplungen jeweils wahlweise von der Kurbelwelle oder von der als Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine oder auch gar nicht angetrieben werden. So ermöglicht der Startergenerator als Zusatzfunktionalitäten nicht nur einen Riemenstart der Brennkraftmaschine sondern auch eine Fahrzeugklimatisierung im Stillstand der Brennkraftmaschine. Bei einer solchen Standklimatisierung ist die (stehende) Kurbelwelle aus dem An- trieb des Riementriebs getrennt, und der Klimakompressor wird elektromotorisch angetrieben. Eine hierzu analoge Betriebsweise gilt für die Kühlmittelpumpe.
Bei laufender Brennkraftmaschine führt ein Öffnen der kurbelwellenseitigen Kupplung dazu, dass der gesamte Nebenaggregatetrieb vom Antrieb der Kurbelwelle getrennt und entsprechend stillgelegt wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zusatzfunktionalitäten aufweisenden Nebenaggregatetrieb der eingangs genannten Art in konstruktiv möglichst einfacher Ausgestaltung und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Nebenaggregatetriebs anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich vorrichtungsseitig aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und verfahrensseitig aus den Merkmalen des unabhän- gigen Anspruchs 5. Demnach soll einerseits der Klimakompressor für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet und andererseits eine Drehrichtungsumkehr zwischen dem Generatorbetrieb und dem Motorbetrieb der Elektroma- schine vorgesehen sein. Der erfindungsgemäße Nebenaggregatetrieb ist in mindestens drei Zuständen betreibbar, wozu prinzipiell lediglich eine ansteuerbare Kupplung zwischen dem kurbelwellenseitigen ersten Antriebsrad und der Kurbelwelle erforderlich ist. Weitere Kupplungen seitens der Elektromaschine und des Klimakompressors sind optional.
Die drei Betriebszustände sind:
a) (konventioneller) Antrieb des Nebenaggregatetriebs durch die Kurbelwelle
b) Abschalten des Nebenaggregatetriebs
c) Standklimatisierung
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der Elektromaschine und dem zweiten Antriebsrad eine Freilaufkupplung angeordnet sein, die in der Drehrichtung des Generatorbetriebs ein Überholen der Elektromaschine gegenüber dem zweiten Antriebsrad zulässt. Eine derartige Freilaufkupplung - in konventionellen Ne- benaggregatetrieben häufig auch als Lichtmaschinen- oder Generatorfreilauf bezeichnet - ist bekanntermaßen ein effizientes Mittel, um die vergleichsweise große rotative Generatormasse von den Drehschwingungen der Kurbelwelle dynamisch zu entkoppeln und den Trieb zu beruhigen. Auch im erfindungsgemäßen Zusammenhang ist die Freilaufkupplung ohne weiteres zur Entkopplung der Elektromaschine einsetzbar, da diese bei Standklimatisierung den Nebenaggregatetrieb in umgekehrter Drehrichtung mittels der dabei sperrenden Freilaufkupplung antreibt. Als alternative Entkopplung ist auch eine mit Endanschlägen behaftete, rotative Anfederung des zweiten Antriebsrads auf der Elektromaschine denkbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung soll im Bereich des Leertrums, das zwischen dem ersten Antriebsrad (seitens der Kurbelwelle) und dem zweiten Antriebsrad (seitens der Elektromaschine) verläuft, eine Spannvorrichtung zur Vorspannung des Zugmittels angeordnet sein. Aufgrund der Drehrichtungsumkehr des bei Standklimatisierung von der Elektromaschine angetriebenen Nebenaggregatetriebs befindet sich die Spannvorrichtung stets, d.h. in allen drei Betriebszuständen im Leertrum, so dass die Vorspannung des Zugmittels auch im erfindungsgemäßen Zusammenhang ohne weiteres mittels einer konventionellen Spannvorrichtung einstellbar ist.
Als Zugmittel ist vorzugsweise ein Riemen vorgesehen. Ein erfindungsgemäßer Nebenaggregatetrieb kann dennoch auch ein Kettentrieb sein.
Der Nebenaggregatetrieb ist mit den genannten Zusatzfunktionalitäten in einer einzi- gen Zugmittelebene angeordnet. Weitere Nebenaggregate und/oder Zusatzfunktionalitäten können gegebenenfalls in derselben Zugmittelebene oder in einer weiteren Zugmittelebene vorgesehen sein. Dies betrifft insbesondere eine Kühlmittelpumpe zur Kühlung der Brennkraftmaschine, die ebenfalls für einen Förderbetrieb in beide betriebliche Drehrichtungen ausgebildet ist. Je nach Bauart der Kühlmittelpumpe führt deren Drehrichtungsumkehr zwar nicht zu einem Wechsel von Saug- und Druckseite, kann jedoch mit unterschiedlich hohen Förderraten einhergehen. Analog zur Standklimatisierung oder Fahrzeuginnenraumkühlung kann betrieblich erhitztes Kühlmittel, das bei Stillstand der Brennkraftmaschine umgewälzt wird, zum Heizen des Fahrzeuginnenraums dienen (Standheizung). Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auch der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, in der ein erfindungsgemäßer Nebenaggregatetrieb einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine schematisch dargestellt ist.
Es handelt sich um einen Riementrieb mit einem Poly-V-Riemen 4 als endlos umlaufendes Zugmittel, einem auf der mit CR bezeichneten Kurbelwelle der Brennkraftma- schine angeordneten ersten Antriebsrad 1 , einer mit AL bzw. M bezeichneten Elekt- romaschine und einem auf deren Generatorwelle 5 angeordneten zweiten Antriebsrad 2, einem mit A/C bezeichneten Klimakompressor und einem auf der Kompressorwelle 6 angeordneten dritten Antriebsrad 3 sowie einer mit BT bezeichneten Spannvorrichtung zum Vorspannen des Riemens 4.
Die betriebliche Drehrichtung der Kurbelwelle CR entspricht der mit positivem Vorzeichen eingezeichneten Drehrichtung. Das erste Antriebsrad 1 ist über eine symbolhaft dargestellte, elektrisch ansteuerbare Magnetkupplung 7 (diese kann entweder stromlos geöffnet oder stromlos geschlossen sein) mit der Kurbelwelle CR drehverbindbar. Im geöffneten Zustand dient die Magnetkupplung 7 der bedarfsweisen Antriebstrennung der Kurbelwelle CR von der Elektromaschine AL, M und des Klimakompressors A/C.
Die Elektromaschine ist zum einen als Generator AL in der mit positivem Vorzeichen eingezeichneten Drehrichtung und zum anderen als Motor M in der mit negativ eingezeichnetem Vorzeichen entsprechend umgekehrten Drehrichtung betreibbar. Das zweite Antriebsrad 2 ist über eine symbolhaft dargestellte Freilaufkupplung 8 in Form eines konventionellen Generatorfreilaufs mit der Generatorwelle 5 der Elektromaschine AL, M drehverbindbar. Die Freilaufkupplung 8 ist so konfiguriert, dass diese ein Überholen der Generatorwelle 5 in der eingezeichneten positiven Generatordrehrichtung zulässt und in der dazu umgekehrten, negativ eingezeichneten Motordrehrichtung sperrt.
Bei dem Klimakompressor A/C handelt es sich um einen Taumelscheibenkompressor, c
- O - der gemäß der eingezeichneten Drehrichtungen drehrichtungsungebunden in den Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage eingesetzt ist. Mit anderen Worten bewirkt der Klimakompressor ohne Änderung der Saug- und Druckseite eine Kompression des Kältemittels in beiden betrieblichen Drehrichtungen. Das dritte Antriebsrad 3 ist entweder permanent mit der Kompressorwelle 6 drehverbunden oder in einer optionalen, nicht dargestellten Variante mittels einer ansteuerbaren Magnetkupplung mit der Kompressorwelle 6 drehverbindbar.
Bei der Spannvorrichtung BT handelt es sich um einen konventionellen federbelaste- ten Riemenspanner, der den Riemen 4 im Leertrum 9 zwischen dem ersten Antriebsrad 1 und dem zweiten Antriebsrad 2 vorspannt. Erfindungsgemäß findet ein für den Betrieb des Riemenspanners BT nachteiliger Wechsel zwischen Leertrum 9 und Zugtrum 10 nicht statt, da zum einen die als Generator AL betriebene Elektromaschi- ne von der Kurbelwelle CR in positiver Drehrichtung angetrieben wird und zum ande- ren die als Motor M betriebene Elektromaschine den Klimakompressor A/C mit umgekehrter negativer Drehrichtung antreibt und folglich die Positionen des Zugtrums 10 und des Leertrums unverändert bleiben.
Die bereits eingangs erwähnten drei Betriebszustände des Nebenaggregatetriebs sind wie folgt.
a) (konventioneller) Antrieb des Nebenaggregatetriebs durch die Kurbelwelle CR:
- die Brennkraftmaschine ist in Betrieb,
- die Magnetkupplung 7 ist geschlossen,
- die Elektromaschine ist im Generatorbetrieb AL,
- der Antrieb des Generators AL und des Klimakompressors A/C erfolgt durch die Kurbelwelle CR in deren (positiver) Drehrichtung über das zweite Antriebsrad 2 bei sperrender Freilaufkupplung 8 bzw. über das dritte Antriebsrad 3,
- die Freilaufkupplung 8 lässt ein Überholen der Generatorwelle 5 gegenüber dem zweiten Antriebsrad 2 / der Kurbelwelle CR zu. b) Abschalten des Nebenaggregatetriebs:
- die Brennkraftmaschine ist in Betrieb,
- die Magnetkupplung 7 an der drehenden Kurbelwelle CR ist geöffnet,
- die Elektromaschine AL, M und der Klimakompressor A/C stehen still. c) Standklimatisierung:
- die Brennkraftmaschine ist außer Betrieb,
- die Magnetkupplung 7 an der still stehenden Kurbelwelle CR ist geöffnet,
- die Elektromaschine ist im Motorbetrieb M und dreht mit umgekehrter Drehrichtung (gegenüber dem Generatorbetrieb AL),
- der Antrieb des Klimakompressors A/C erfolgt durch die Elektromaschine in umgekehrter Drehrichtung bei sperrender Freilaufkupplung 8 über das dritte Antriebsrad 3.
Der nicht dargestellte Betriebszustand der eingangs erwähnten Standheizung, bei dem im Nebenaggregatetrieb auch eine drehrichtungsungebundene Kühlmittelpumpe eingebunden ist, entspricht antriebstechnisch dem Zustand c) Standklimatisierung.
j
Liste der Bezugszeichen
1 erstes Antriebsrad
2 zweites Antriebsrad
3 drittes Antriebsrad
4 Riemen / Zugmittel
5 Generatorwelle
6 Kompressorwelle
7 Magnetkupplung
8 Freilaufkupplung
9 Leertrum
10 Zugtrum
CR Kurbelwelle
A/C Klimakompressor
AL Generator
M Motor
Riemenspanner / Spannvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Nebenaggregatetrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend:
- ein mit einer Kurbelwelle (CR) der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad (1),
- eine wahlweise als Generator (AL) oder als Motor (M) betreibbare Elektroma- schine und ein mit der Elektromaschine (AL, M) drehverbindbares zweites Antriebsrad (2),
- einen Klimakompressor (A/C) und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad (3),
- ein endlos umlaufendes Zugmittel (4), das die Antriebsräder (1 , 2, 3) umschlingt,
- und eine ansteuerbare Kupplung (7) zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektromaschine (AL, M) und des Klimakompressors (A/C) von der Kurbelwelle (CR),
dadurch gekennzeichnet, dass der Klimakompressor (A/C) für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist und dass eine Drehrichtungsumkehr zwischen dem Generatorbetrieb und dem Motorbetrieb der Elektromaschine (AL, M) vorgesehen ist.
2. Nebenaggregatetrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektromaschine (AL, M) und dem zweiten Antriebsrad (2) eine Freilaufkupplung (8) angeordnet ist, die in der Drehrichtung des Generatorbetriebs ein Überholen der Elektromaschine gegenüber dem zweiten Antriebsrad (2) zulässt.
3. Nebenaggregatetrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zwischen dem ersten Antriebsrad (1 ) und dem zweiten Antriebsrad (2) verlaufenden Leertrums (9) eine Spannvorrichtung (BT) zur Vorspannung des Zugmittels (4) angeordnet ist.
4. Nebenaggregatetrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenaggregatetrieb weiterhin eine Kühlmittelpumpe umfasst, die für einen Förder- betrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist
5. Verfahren zum Betrieb eines Nebenaggregatetriebs einer Brennkraftmaschine, umfassend:
- ein mit einer Kurbelwelle (CR) der Brennkraftmaschine drehverbindbares erstes Antriebsrad (1 ),
- eine wahlweise als Generator (AL) oder als Motor (M) betreibbare Elektromaschine und ein mit der Elektromaschine (AL, M) drehverbindbares zweites Antriebsrad (2),
- einen drehrichtungsungebunden betreibbaren Klimakompressor (A/C) und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares drittes Antriebsrad (3),
- ein endlos umlaufendes Zugmittel (4), das die Antriebsräder (1 , 2, 3) umschlingt,
- und eine ansteuerbare Kupplung (7) zur bedarfsweisen Antriebstrennung der Elektromaschine (AL, M) und des Klimakompressors (A/C) von der Kurbelwelle
(CR),
wobei während des Generatorbetriebs die Kupplung (7) geschlossen ist und die Kurbelwelle (CR) die Elektromaschine (AL) und das dritte Antriebsrad (3) in einer Drehrichtung antreibt, und wobei während des Motorbetriebs die Kupplung (7) ge- öffnet ist und die Elektromaschine (M) das dritte Antriebsrad (3) in umgekehrter Drehrichtung antreibt.
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