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WO2012100850A1 - Zugmitteltrieb eines verbrennungsmotors und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Zugmitteltrieb eines verbrennungsmotors und verfahren zu dessen betrieb Download PDF

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WO2012100850A1
WO2012100850A1 PCT/EP2011/068752 EP2011068752W WO2012100850A1 WO 2012100850 A1 WO2012100850 A1 WO 2012100850A1 EP 2011068752 W EP2011068752 W EP 2011068752W WO 2012100850 A1 WO2012100850 A1 WO 2012100850A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
crankshaft
wheel
drive
starter
internal combustion
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2011/068752
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hauck
Martin Rauch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority to US13/980,676 priority Critical patent/US20130288835A1/en
Priority to CN201180066003.XA priority patent/CN103339410B/zh
Publication of WO2012100850A1 publication Critical patent/WO2012100850A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B67/00—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for
    • F02B67/04—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for of mechanically-driven auxiliary apparatus
    • F02B67/06—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for of mechanically-driven auxiliary apparatus driven by means of chains, belts, or like endless members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/003—Starting of engines by means of electric motors said electric motor being also used as a drive for auxiliaries, e.g. for driving transmission pumps or fuel pumps during engine stop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02N11/04—Starting of engines by means of electric motors the motors being associated with current generators
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    • F02N15/00—Other power-operated starting apparatus; Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from groups F02N5/00 - F02N13/00
    • F02N15/02—Gearing between starting-engines and started engines; Engagement or disengagement thereof
    • F02N15/022—Gearing between starting-engines and started engines; Engagement or disengagement thereof the starter comprising an intermediate clutch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H7/00—Gearings for conveying rotary motion by endless flexible members
    • F16H7/02—Gearings for conveying rotary motion by endless flexible members with belts; with V-belts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N15/00—Other power-operated starting apparatus; Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from groups F02N5/00 - F02N13/00
    • F02N15/02—Gearing between starting-engines and started engines; Engagement or disengagement thereof
    • F02N15/08—Gearing between starting-engines and started engines; Engagement or disengagement thereof the gearing being of friction type

Definitions

  • the invention relates to a traction drive of an internal combustion engine and a method for its operation.
  • the traction mechanism drive comprises an auxiliary drive, which runs in a first drive plane, a starter drive, which runs in a second drive plane parallel to the first drive plane, and:
  • a first crankshaft wheel which is rotatably connectable by means of a controllable clutch with a crankshaft of the internal combustion engine
  • an electric machine which can be operated optionally as a generator or in a reverse direction of rotation as a motor, and a machine wheel which can be connected in rotation with the electric machine,
  • an air compressor which is designed for a compression operation in both directions of rotation, and a compressor wheel which can be rotationally connected to the air conditioning compressor,
  • a first traction means which circulates endlessly in the first drive plane and which wraps around the first crankshaft wheel, the machine wheel and the compressor wheel,
  • crankshaft gear arranged coaxially with the first crankshaft wheel and rotatable with the crankshaft
  • endless circulating second traction means which wraps around the second crankshaft and the starter.
  • a generic double belt drive is apparent from the unpublished DE 10 2010 054 630 A1.
  • the proposed there electric machine is operated in crankshaft rotation either as a driven generator or as a driving motor.
  • the engine operation driving the crankshaft in its direction of rotation comprises a starting mode for starting the internal combustion engine and a so-called boost mode, in which the crankshaft is also driven by an electric motor not only by the internal combustion engine but also in order to increase the torque.
  • Another engine operation of the electric machine is the so-called stationary air conditioning for cooling the vehicle driven by the internal combustion engine.
  • the electric machine drives the trained for a compression operation in both directions air conditioning compressor in the reverse direction, while the engine is stationary.
  • the invention is based on the object of structurally simplifying a traction mechanism drive of the type mentioned at the outset and specifying a method for operating such a traction mechanism drive.
  • the electric machine and the motor starter should be separate electric units. Unlike in the cited prior art so no integrated unit in the form of a starter generator machine is provided which serves both as the crankshaft driving electric machine and as a generator driven by the crankshaft. Rather, the invention provides two structurally separate single machines, which are technically targeted and optimally designed for their respective destination.
  • the electric motor starter can either be a high-quality machine with power electronics, which also allows the above-mentioned boost mode, or a very cost-effective machine without power electronics, which is intended only to start the engine.
  • the separate electric machine combines the functions of the generator, which controls the on-board mains powered, and an engine that is not the crankshaft, but only the air conditioning compressor and if necessary.
  • the engine can only be switched on and off without complex control / regulation in order to drive the air-conditioning compressor at constant speed and, for example, 1500 rpm Drive torque is much lower than for starting or boosting the engine, the engine can be relatively easily dimensioned with corresponding cost advantages.
  • a stationary climate mode in which the controllable clutch is open and operated as a motor electric machine with the generator operating reverse direction of rotation drives the air conditioning compressor or arranged in the accessory drive coolant pump.
  • the control / regulation of the individual operating modes is carried out with the help of various state variables, in particular of the internal combustion engine, the vehicle interior temperature and the switching state of the controllable clutch.
  • a preferred traction means are on the part of the accessory drive a frictionally acting poly-V-belt and provided by the starter drive a form-fitting acting toothed belt.
  • An inventive traction drive can still be a chain-chain drive or a belt-chain drive.
  • coolant pump arranged in the accessory drive for cooling the internal combustion engine.
  • the coolant pump analogous to the air conditioning compressor, can be driven "backwards" by the electric machine to supply the heating heat exchanger of the vehicle with warm cooling water (auxiliary heating) .
  • auxiliary heating warm cooling water
  • the radial pumps common today deliver a volume flow in the same direction, even if the drive is reversed. however, this is only about 30% of the volume flow in the normal operating mode, but this may be sufficient to maintain the interior temperature of the vehicle.
  • the traction mechanism is designed as a double belt drive in two mutually parallel drive levels.
  • the running in the first drive level and shown by a solid line auxiliary drive 1 comprises a arranged on the crankshaft CR of the internal combustion engine first crankshaft 2, an optional generator A or in the reverse direction as motor M operable electric machine A / M with a machine wheel 3, an air conditioning compressor A / C with a compressor wheel 4, a coolant pump WP with a pump wheel 5, a wheels 2 to 5 looping first traction means.
  • first tensioning device BT1 in the form of a known spring-loaded belt tensioner, which biases the first traction means 6 in its slack side between the first crankshaft 2 and the machine wheel 3.
  • the direction of rotation opposite to the generator operation A in motor operation M prevents a drive-dependent change of tension and backlash in the accessory drive 1, so that the first tensioning device BT1 is activated both when the internal combustion engine is running, i. at driving crankshaft CR, as well as with the internal combustion engine, i. with driven crankshaft CR, in the slack side and thus always optimally arranged function.
  • the starter drive 7 extending in the second drive plane and shown here by dashed lines comprises a second crankshaft wheel 8 arranged coaxially with the first crankshaft wheel 2 on the crankshaft CR, an electric motor starter S with a starter wheel 9, a second traction means 10 encircling the wheels 8, 9 Form of an endlessly circulating toothed belt and a second tensioning device BT2 also in the form of a known belt tensioner, which biases the second traction means 10 in its slack side between the starter 9 and the second crankshaft 8.
  • the performance of the motor starter S which can only be operated as a motor in the positive direction of rotation M-CR, is matched both to the torque requirement of the internal combustion engine to be started and, in conjunction with suitable power electronics, to the torque requirement of the running internal combustion engine in boost mode.
  • the torque which can be transmitted to the crankshaft CR corresponds to the comparatively large transmission ratio between the starter wheel 9 and the second crankshaft wheel 8.
  • the operational direction of rotation of the crankshaft CR corresponds to the direction of rotation indicated by a positive sign.
  • the direction of rotation of the electric machine A / M is positive when the electric machine is in the generator mode A and is driven by the crankshaft CR.
  • the direction of rotation of the electric machine A / M has a negative sign when the electric machine is in engine mode M and with the internal combustion engine for cooling or heating of the vehicle interior, the compressor 4 and the impeller 5 drives in accordance with the reverse direction of rotation.
  • the electric machine A / M has a considerably lower power consumption than known starter-generator machines and in engine operation M is only designed to drive the air-conditioning compressor A / C and the coolant pump WP at a constant speed at about 1500 rpm.
  • the air conditioning compressor A / C is a Taumelinnkom- pressor, which is designed for a compression operation in both directions and is inserted according to the direction of rotation in the refrigerant circuit of the vehicle air conditioning.
  • the compressor wheel 4 may be rotatably connected to a controllable (not shown) magnetic coupling with the air conditioning compressor A / C.
  • a direction of rotation reversal dependent on the current operating mode is also provided in the coolant pump WP, which is designed as a radial pump and, like the air-conditioning compressor A / C, for pumping operation in both directions of rotation.
  • the rotary connection of the machine wheel 3 to the electric machine A / M takes place via an overrunning clutch 1 1 in the form of a clamping roller freewheel, which allows the electric machine A / M to overtake the machine wheel 3 and thus to the crankshaft CR in the positive direction of rotation and locks in the opposite negative direction of rotation.
  • the clamping roller freewheel 1 1 is designed as a known freewheel generator for the purpose of decoupling the generator A, wherein its provided with clamping ramps for the pinch rollers inner ring rotates with the electric machine A / M and wherein the cylindrical outer ring rotates with the machine wheel 3 (inner star-free running).
  • a freewheel can on the part of the electric machine A / M and a spring decoupling with two-sided attacks or in principle Also, a rigid connection between the machine wheel 3 and the electric machine A / M be provided.
  • the rotational connection of the first crankshaft sprocket 2 with the crankshaft CR takes place via an electrically activatable magnetic clutch 12. This can either be normally open or closed normally.
  • the accessory drive 1 is operationally decoupled from the crankshaft CR.
  • the decoupling is required in order to electrically drive the air conditioning compressor A / C and the coolant pump WP when the internal combustion engine and consequently the crankshaft CR are stationary, and consequently to be able to carry out the stationary air conditioning or auxiliary heating of the vehicle.
  • the decoupling also allows a shutdown of the auxiliary drive 1 with the internal combustion engine running to minimize operational friction losses.
  • the clamping roller freewheel 13 is structurally arranged so that its cylindrical inner ring rotates with the second crankshaft 8 and that its provided with clamping ramps for the clamping body outer ring with the crankshaft CR rotates (external star freewheel).
  • this structural design allows a start-stop operation of the internal combustion engine with a so-called change-of-mind start, in which the still rotating crankshaft CR of the already switched off internal combustion engine is driven until it starts again.
  • the traction mechanism drive allows the following operating modes: a) a start mode in which the engine starter S drives the crankshaft CR from standstill until the start of the internal combustion engine:
  • the motor starter S is in positive operation in motor operation M-CR,
  • the magnetic coupling 12 is closed (but can also be open),
  • crankshaft CR is driven via the starter drive 7 and the blocking further one-way clutch 13 and drives via the closed magnetic clutch 12 and the first crankshaft 2 the accessory drive
  • the motor starter S can be switched off, so that the starter drive 7 comes to a standstill.
  • the electric machine A / M is located with positive direction of rotation in generator mode A, wherein the one-way clutch 1 1 acts as the electric machine A / M decoupling from the crankshaft CR generator freewheel,
  • the first belt tensioner BT1 is located in the slack side of the accessory drive 1. c) a boost mode in which the starter motor S drives the crankshaft CR with the internal combustion engine running:
  • the starter motor S is in the positive direction of rotation in motor operation M-CR,
  • the magnetic coupling 12 is closed (but can also be open),
  • the starter drive 7 is at standstill or in boost mode
  • the electric machine A / M is located with the generator operation A reverse direction of rotation in engine operation M,
  • the one-way clutch 1 1 is in the clamping position, and the compressor 4, the impeller 5 and the first crankshaft 2 are driven in the negative direction,
  • the first belt tensioner BT1 is located in the slack side of the accessory drive 1.

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Abstract

Vorgeschlagen ist ein Zugmitteltrieb eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Zugmitteltrieb umfasst in zwei Triebebenen einen Nebenaggregatetrieb (1) und einen Startertrieb (7) und ermöglicht neben einem Normalbetriebsmodus folgende Betriebsmoden: Starten des Verbrennungsmotors, Boosten des Verbrennungsmotors, Standklimatisierung und Abkopplung des Nebenaggregatetriebs (1).

Description

Zugmitteltrieb eines Verbrennungsmotors und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Zugmitteltrieb umfasst einen Nebenaggrega- tetrieb, der in einer ersten Triebebene verläuft, einen Startertrieb, der in einer zur ersten Triebebene parallelen zweiten Triebebene verläuft, und:
- ein erstes Kurbelwellenrad, das mittels einer ansteuerbaren Kupplung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors drehverbindbar ist,
- eine Elektromaschine, die wahlweise als Generator oder in dazu umgekehr- ter Drehrichtung als Motor betreibbar ist, und ein mit der Elektromaschine drehverbindbares Maschinenrad,
- einen Klimakompressor, der für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist, und ein mit dem Klimakompressor drehverbindbares Kompressorrad,
- ein in der ersten Triebebene endlos umlaufendes erstes Zugmittel, das das erste Kurbelwellenrad, das Maschinenrad und das Kompressorrad umschlingt,
- ein koaxial zum ersten Kurbelwellenrad angeordnetes zweites Kurbelwellenrad, das mit der Kurbelwelle drehverbindbar ist,
- einen Motorstarter und ein mit dem Motorstarter drehverbindbares Starterrad
- sowie ein in der zweiten Triebebene endlos umlaufendes zweites Zugmittel, das das zweite Kurbelwellenrad und das Starterrad umschlingt.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßer Doppel-Riementrieb geht aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 054 630 A1 hervor. Die dort vorgeschlagene Elektromaschine wird in Kurbelwellendrehrichtung entweder als angetriebener Generator oder als antreibender Motor betrieben. Dabei umfasst der die Kurbelwelle in deren Dreh- richtung antreibende Motorbetrieb einen Startmodus zum Anlassen des Verbrennungsmotors und einen sogenannten Boostmodus, bei dem die Kurbelwelle nicht nur durch den Verbrennungsmotor sondern zwecks Drehmomentsteigerung auch elektromotorisch angetrieben wird. Ein weiterer Motorbetrieb der Elektromaschine dient der sogenannten Standklimatisierung zur Kühlung des vom Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs. Dabei treibt die Elektromaschine den für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildeten Klimakompressor in umgekehrter Drehrichtung an, während der Verbrennungsmotor steht.
Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zugmitteltrieb der eingangs genannten Art konstruktiv zu vereinfachen und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Zugmitteltriebs anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich vorrichtungsseitig aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und verfahrensseitig aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Demnach soll es sich bei der Elektromaschine und dem Motorstarter um separate Elektroaggregate handeln. Anders als im zitierten Stand der Technik ist also kein integriertes Aggregat in Form einer Startergeneratormaschine vorgesehen, die sowohl als die Kurbelwelle antreibende Elektromaschine als auch als von der Kurbelwelle angetriebener Generator dient. Vielmehr sieht die Erfindung zwei baulich getrennte Einzelmaschinen vor, die technisch gezielt und optimal auf ihre jeweilige Bestimmung hin ausgelegt sind.
Einerseits kann der elektrische Motorstarter entweder eine hochwertige Ma- schine mit Leistungselektronik sein, die auch den oben erwähnten Boostmodus ermöglicht, oder aber eine sehr kostengünstige Maschine ohne Leistungselektronik, die lediglich zum Starten des Motors bestimmt ist. Die dazu separate E- lektromaschine vereint die Funktionen des Generators, der das Fahrzeugbord- netz mit Strom versorgt, und eines Motors, der nicht die Kurbelwelle, sondern lediglich den Klimakompressor und ggfls. weitere Nebenaggregate„rückwärts" drehend antreibt. Für diesen Standklimamodus kann es ausreichend sein, dass der Motor ohne aufwändige Steuerung/Regelung lediglich ein- und ausschaltbar ist, um den Klimakompressor mit konstanter Drehzahl und beispielsweise mit 1500 U/min anzutreiben. Da das hierfür erforderliche Antriebsmoment wesentlich geringer als zum Starten oder Boosten des Verbrennungsmotors ist, kann der Motor mit entsprechenden Kostenvorteilen vergleichsweise einfach dimensioniert sein.
Für den Betrieb des erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs ist zumindest einer der folgenden Betriebsmoden vorgesehen:
- ein Startmodus, bei dem der Motorstarter die Kurbelwelle bis zum Start des Verbrennungsmotors antreibt,
- ein Normalbetriebsmodus, bei dem die ansteuerbare Kupplung geschlossen ist und die als Generator betriebene Elektromaschine von der Kurbelwelle des laufenden Verbrennungsmotors angetrieben wird,
- ein Boostmodus, bei dem der Startermotor bei laufendem Verbrennungsmotor die Kurbelwelle unterstützend antreibt,
- ein Abschaltmodus, bei dem die ansteuerbare Kupplung geöffnet und der Nebenaggregatetrieb von der Kurbelwelle des laufenden Verbrennungsmotors entkoppelt ist,
- und bei stehendem Verbrennungsmotor ein Standklimamodus, bei dem die ansteuerbare Kupplung geöffnet ist und die als Motor betriebene Elektroma- schine mit zum Generatorbetrieb umgekehrter Drehrichtung den Klimakompressor oder eine im Nebenaggregatetrieb angeordnete Kühlmittelpumpe antreibt.
Die Ansteuerung/Regelung der einzelnen Betriebsmoden erfolgt mit Hilfe von diversen Zustandsgrößen, insbesondere des Verbrennungsmotors, der Fahrzeuginnenraumtemperatur und dem Schaltzustand der ansteuerbaren Kupplung. Als bevorzugte Zugmittel sind seitens des Nebenaggregatetriebs ein kraftschlüssig wirkender Poly-V-Riemen und seitens des Startertriebs ein formschlüssig wirkender Zahnriemen vorgesehen. Ein erfindungsgemäßer Zugmitteltrieb kann dennoch auch ein Ketten-Ketten-Trieb oder ein Riemen-Ketten- Trieb sein.
Ebenfalls können weitere Nebenaggregate, gegebenenfalls auch in weiteren Triebebenen, vorgesehen sein. Dies betrifft insbesondere die im Nebenaggregatetrieb angeordnete Kühlmittelpumpe zur Kühlung des Verbrennungsmotors. So kann die Kühlmittelpumpe, analog zum Klimakompressor, bei stehendem Verbrennungsmotor„rückwärts" von der Elektromaschine angetrieben werden, um den Heizungswärmetauscher des Fahrzeugs mit warmem Kühlwasser zu versorgen (Standheizung). Die heute üblichen Radialpumpen liefern auch bei umgekehrter Antriebsdrehrichtung einen Volumenstrom in dieselbe Richtung, der jedoch nur ca. 30% des Volumenstroms im Normalbetriebsmodus beträgt. Für die Aufrechterhaltung der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs kann dies jedoch ausreichend sein.
Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der einzigen Figur, in der ein erfindungsgemäßer Zugmitteltrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors schematisch offenbart ist.
Der Zugmitteltrieb ist als Doppel-Riementrieb in zwei zueinander parallelen Triebebenen ausgeführt. Der in der ersten Triebebene verlaufende und mit durchgezogener Linie dargestellte Nebenaggregatetrieb 1 umfasst ein auf der Kurbelwelle CR des Verbrennungsmotors angeordnetes erstes Kurbelwellenrad 2, eine wahlweise als Generator A oder in umgekehrter Drehrichtung als Motor M betreibbare Elektromaschine A/M mit einem Maschinenrad 3, einen Klimakompressor A/C mit einem Kompressorrad 4, eine Kühlmittelpumpe WP mit einem Pumpenrad 5, ein die Räder 2 bis 5 umschlingendes erstes Zugmittel 6 in Form eines endlos umlaufenden Poly-V-Riemens und eine erste Spannvorrichtung BT1 in Form eines bekannten federbelasteten Riemenspanners, der das erste Zugmittel 6 in dessen Leertrum zwischen dem ersten Kurbelwellenrad 2 und dem Maschinenrad 3 vorspannt.
Die gegenüber dem Generatorbetrieb A umgekehrte Drehrichtung im Motorbetrieb M verhindert einen antriebsbedingten Wechsel von Zugtrum und Leertrum im Nebenaggregatetrieb 1 , so dass die erste Spannvorrichtung BT1 sowohl bei laufendem Verbrennungsmotor, d.h. bei antreibender Kurbelwelle CR, als auch bei stehendem Verbrennungsmotor, d.h. bei angetriebener Kurbelwelle CR, im Leertrum und somit stets funktionsoptimal angeordnet ist.
Der in der zweiten Triebebene verlaufende und hier gestrichelt dargestellte Startertrieb 7 umfasst ein auf der Kurbelwelle CR koaxial zum ersten Kurbelwel- lenrad 2 angeordnetes zweites Kurbelwellenrad 8, einen elektrischen Motorstarter S mit einem Starterrad 9, ein die Räder 8, 9 umschlingendes zweites Zugmittel 10 in Form eines endlos umlaufenden Zahnriemens und eine zweite Spannvorrichtung BT2 ebenfalls in Form eines bekannten Riemenspanners, der das zweite Zugmittel 10 in dessen Leertrum zwischen dem Starterrad 9 und dem zweiten Kurbelwellenrad 8 vorspannt. Die Leistungscharakteristik des lediglich in der positiven Drehrichtung M-CR und lediglich als Motor betreibbaren Motorstarters S ist sowohl auf den Drehmomentbedarf des zu startenden Verbrennungsmotors als auch - in Verbindung mit einer geeigneten Leistungselektronik - auf den Drehmomentbedarf des laufenden Verbrennungsmotors im Boostmodus abgestimmt. Das auf die Kurbelwelle CR übertragbare Drehmoment entspricht dem vergleichsweise großen Übersetzungsverhältnis zwischen dem Starterrad 9 und dem zweiten Kurbelwellenrad 8.
Die betriebliche Drehrichtung der Kurbelwelle CR entspricht der mit positivem Vorzeichen eingezeichneten Drehrichtung. Die Drehrichtung der Elektromaschi- ne A/M ist positiv, wenn sich die Elektromaschine im Generatorbetrieb A befindet und von der Kurbelwelle CR angetrieben wird. Die Drehrichtung der Elektromaschine A/M hat ein negatives Vorzeichen, wenn sich die Elektromaschine im Motorbetrieb M befindet und bei stehendem Verbrennungsmotor zwecks Kühlung oder Heizung des Fahrzeuginnenraums das Kompressorrad 4 und das Pumpenrad 5 in entsprechend umgekehrter Drehrichtung antreibt. Die Elektro- maschine A/M hat eine gegenüber bekannten Startergeneratormaschinen deut- lieh geringere Leistungsaufnahme und ist im Motorbetrieb M lediglich dazu ausgelegt, den Klimakompressor A/C und die Kühlmittelpumpe WP mit konstanter Drehzahl bei etwa 1500 U/min anzutreiben.
Beim Klimakompressor A/C handelt es sich um einen Taumelscheibenkom- pressor, der für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist und entsprechend drehrichtungsungebunden in den Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage eingesetzt ist. Das Kompressorrad 4 kann mit einer ansteuerbaren (nicht dargestellten) Magnetkupplung mit dem Klimakompressor A/C drehverbunden sein.
Eine vom aktuellen Betriebsmodus abhängige Drehrichtungsumkehr ist auch bei der Kühlmittelpumpe WP vorgesehen, die als Radialpumpe und wie der Klimakompressor A/C für einen Pumpbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist.
Im Nebenaggregatetrieb 1 erfolgt die Drehverbindung des Maschinenrads 3 mit der Elektromaschine A/M über eine Freilaufkupplung 1 1 in Form eines Klemmrollenfreilaufs, der in der positiven Drehrichtung ein Überholen der Elektromaschine A/M gegenüber dem Maschinenrad 3 und somit gegenüber der Kurbel- welle CR zulässt und in der dazu umgekehrten negativen Drehrichtung sperrt. Der Klemmrollenfreilauf 1 1 ist als an sich bekannter Generatorfreilauf zwecks Entkopplung des Generators A ausgeführt, wobei dessen mit Klemmrampen für die Klemmrollen versehener Innenring mit der Elektromaschine A/M rotiert und wobei dessen zylindrischer Außenring mit dem Maschinenrad 3 rotiert (Innen- sternfrei lauf).
Alternativ zu einem derartigen Freilauf kann seitens der Elektromaschine A/M auch eine Federentkopplung mit beidseitigen Anschlägen oder grundsätzlich auch eine starre Verbindung zwischen dem Maschinenrad 3 und der Elektro- maschine A/M vorgesehen sein.
Die Drehverbindung des ersten Kurbelwellenrads 2 mit der Kurbelwelle CR er- folgt über eine elektrisch ansteuerbare Magnetkupplung 12. Diese kann entweder stromlos geöffnet oder stromlos geschlossen sein. Im geöffneten Zustand der Magnetkupplung 12 wird der Nebenaggregatetrieb 1 betrieblich von der Kurbelwelle CR entkoppelt. Die Entkopplung ist erforderlich, um bei stehendem Verbrennungsmotor und folglich stehender Kurbelwelle CR den Klimakompres- sor A/C und die Kühlmittelpumpe WP isoliert antreiben und folglich die Standklimatisierung bzw. Standheizung des Fahrzeugs vornehmen zu können. Die Entkopplung ermöglicht darüber hinaus ein Stilllegen des Nebenaggregatetriebs 1 bei laufendem Verbrennungsmotor, um betriebliche Reibungsverluste zu minimieren.
Im Startertrieb 7 erfolgt die Drehverbindung des zweiten Kurbelwellenrads 8 mit der Kurbelwelle CR über eine weitere Freilaufkupplung 13 in Form eines Klemmrollenfreilaufs, der in der positiven Drehrichtung ein Überholen der Kurbelwelle CR gegenüber dem zweiten Kurbelwellenrad 8 zulässt und in der dazu umgekehrten Drehrichtung sperrt. Der Klemmrollenfreilauf 13 ist konstruktiv so angeordnet, dass dessen zylindrischer Innenring mit dem zweiten Kurbelwellenrad 8 rotiert und dass dessen mit Klemmrampen für die Klemmkörper versehener Außenring mit der Kurbelwelle CR rotiert (Außensternfreilauf). Gegenüber abrupt einspurenden Ritzelstartern erlaubt diese konstruktive Ausgestaltung einen Start-Stopp-Betrieb des Verbrennungsmotors mit sogenanntem Change- of-Mind Start, bei dem die noch drehende Kurbelwelle CR des bereits abgestellten Verbrennungsmotors bis zum erneuten Starten angetrieben wird.
Der Zugmitteltrieb ermöglicht folgende Betriebsmoden: a) einen Startmodus, bei dem der Motorstarter S die Kurbelwelle CR aus dem Stillstand heraus bis zum Start des Verbrennungsmotors antreibt:
- der Motorstarter S befindet sich mit positiver Drehrichtung im Motorbetrieb M-CR,
- die Magnetkupplung 12 ist geschlossen (kann aber auch geöffnet sein),
- die Kurbelwelle CR wird über den Startertrieb 7 und die sperrende weitere Freilaufkupplung 13 angetrieben und treibt über die geschlossene Mag- netkupplung 12 und das erste Kurbelwellenrad 2 den Nebenaggregatetrieb
1 an,
- der Verbrennungsmotor startet, und bei laufendem Verbrennungsmotor lässt die weitere Freilaufkupplung 13 ein Überholen der Kurbelwelle CR gegenüber dem zweiten Kurbelwellenrad 8 zu,
- der Motorstarter S kann abgeschaltet werden, so dass der Startertrieb 7 zum Stillstand kommt. b) einen Normalbetriebsmodus, bei dem die Elektromaschine A/M von der Kurbelwelle CR des laufenden Verbrennungsmotors angetrieben wird:
- der Startertrieb 7 befindet sich im Stillstand,
- die Magnetkupplung 12 ist geschlossen, und die Kurbelwelle CR treibt ü- ber das erste Kurbelwellenrad 2 den Nebenaggregatetrieb 1 an,
- die Elektromaschine A/M befindet sich mit positiver Drehrichtung im Generatorbetrieb A, wobei die Freilaufkupplung 1 1 als die Elektromaschine A/M von der Kurbelwelle CR entkoppelnder Generatorfreilauf wirkt,
- das Kompressorrad 4 und das Pumpenrad 5 werden in positiver Drehrichtung angetrieben,
- der erste Riemenspanner BT1 befindet sich im Leertrum des Nebenaggregatetriebs 1 . c) einen Boostmodus, bei dem der Startermotor S bei laufendem Verbrennungsmotor die Kurbelwelle CR unterstützend antreibt:
- der Startermotor S befindet sich mit positiver Drehrichtung im Motorbetrieb M-CR,
- die Magnetkupplung 12 ist geschlossen (kann aber auch geöffnet sein),
- die drehende Kurbelwelle CR wird bei sperrender weiterer Freilaufkupplung 13 zusätzlich über den Startertrieb 7 angetrieben. d) einen Abschaltmodus, bei dem der Nebenaggregatetneb 1 von der Kurbelwelle CR des laufenden Verbrennungsmotors entkoppelt ist:
- die Magnetkupplung 12 ist geöffnet,
- der Nebenaggregatetrieb 1 befindet sich im Stillstand,
- der Startertrieb 7 befindet sich im Stillstand oder im Boostmodus,
- das Einkoppeln des Nebenaggregatetriebs 1 erfolgt durch Schließen der Magnetkupplung 12. Zur Verringerung von transienten Lastspitzen während der rotativen Synchronisation von Kurbelwelle CR und Nebenaggregatetrieb 1 kann es zweckmäßig sein, die Magnetkupplung 12 innerhalb der Synchronisierungsphase intermittierend und so kontrolliert zu schließen, dass das von der Magnetkupplung 12 übertragbare Antriebsmoment stets kleiner als ein Grenzmoment ist, dessen Überschreiten zu einem Schlupf des Poly-V-Riemens 6 in unerwünschter Höhe führen würde. e) einen Standklimamodus/Standheizmodus, bei dem die Elektromaschine A/M bei stehendem Verbrennungsmotor den Klimakompressor A/C bzw. die Kühlmittelpumpe WP antreibt:
- die Magnetkupplung 12 ist geöffnet, und der Nebenaggregatetrieb 1 ist von der Kurbelwelle CR entkoppelt,
- die Elektromaschine A/M befindet sich mit zum Generatorbetrieb A umgekehrter Drehrichtung im Motorbetrieb M,
- die Freilaufkupplung 1 1 befindet sich in Klemmstellung, und das Kompressorrad 4, das Pumpenrad 5 und das erste Kurbelwellenrad 2 werden in negativer Drehrichtung angetrieben,
- der erste Riemenspanner BT1 befindet sich im Leertrum des Nebenaggregatetriebs 1 . Liste der Bezugszeichen
1 Nebenaggregatetrieb
2 erstes Kurbelwellenrad
3 Maschinenrad
4 Kompressorrad
5 Pumpenrad
6 erstes Zugmittel, Poly-V-Riemen
7 Startertrieb
8 zweites Kurbelwellenrad
9 Starterrad
10 zweites Zugmittel, Zahnriemen
1 1 Freilaufkupplung, Klemmrollenfreilauf
12 Magnetkupplung
13 weitere Freilaufkupplung, Klemmrollenfreilauf
CR Kurbelwelle
S Motorstarter
M-CR Motorbetrieb des Startermotors
A/M Elektromaschine
A/C Klimakompressor
A Generatorbetrieb
M Motorbetrieb der Elektromaschine
WP Kühlmittelpumpe
BT1 erste Spannvorrichtung
BT2 zweite Spannvorrichtung

Claims

Patentansprüche
Zugmitteltrieb eines Verbrennungsmotors, umfassend einen Nebenaggregatetrieb (1 ), der in einer ersten Triebebene verläuft, einen Startertrieb (7), der in einer zur ersten Triebebene parallelen zweiten Triebebene verläuft, und:
- ein erstes Kurbelwellenrad (2), das mittels einer ansteuerbaren Kupplung (12) mit einer Kurbelwelle (CR) des Verbrennungsmotors drehverbindbar ist,
- eine Elektromaschine (A/M), die wahlweise als Generator (A) oder in dazu umgekehrter Drehrichtung als Motor (M) betreibbar ist, und ein mit der Elektromaschine (A/M) drehverbindbares Maschinenrad (3),
- einen Klimakompressor (A/C), der für einen Kompressionsbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist, und ein mit dem Klimakompressor (A/C) drehverbindbares Kompressorrad (4),
- ein in der ersten Triebebene endlos umlaufendes erstes Zugmittel (6), das das erste Kurbelwellenrad (2), das Maschinenrad (3) und das Kompressorrad (4) umschlingt,
- ein koaxial zum ersten Kurbelwellenrad (2) angeordnetes zweites Kurbelwellenrad (8), das mit der Kurbelwelle (CR) drehverbindbar ist,
- einen Motorstarter (S) und ein mit dem Motorstarter (S) drehverbindbares Starterrad (9)
- sowie ein in der zweiten Triebebene endlos umlaufendes zweites Zugmittel (10), das das zweite Kurbelwellenrad (8) und das Starterrad (9) umschlingt,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Elektromaschine (A/M) und dem Motorstarter (S) um separate Elektroaggregate handelt.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb weiterhin umfasst:
- eine Kühlmittelpumpe (WP), die für einen Pumpbetrieb in beide Drehrichtungen ausgebildet ist, und ein mit der Kühlmittelpumpe (WP) drehver- bindbares Pumpenrad (5), das vom ersten Zugmittel (6) umschlungen ist.
3. Zugmitteltrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zwischen dem ersten Kurbelwellenrad (2) und dem Maschinenrad (3) verlaufenden Leertrums des ersten Zugmittels (6) eine erste Spannvorrichtung (BT1 ) zur Vorspannung des ersten Zugmittels (6) angeordnet ist.
4. Zugmitteltrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zwischen dem zweiten Kurbelwellenrad (8) und dem Starterrad (9) verlaufenden Leertrums des zweiten Zugmittels (10) eine zweite Spannvorrichtung (BT2) zur Vorspannung des zweiten Zugmittels (10) angeordnet ist.
5. Zugmitteltrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Maschinenrad (3) und der Elektromaschine (A/M) eine Freilaufkupplung (1 1 ) angeordnet ist, die in der Drehrichtung des Generatorbetriebs (A) ein Überholen der Elektromaschine (A/M) gegenüber dem Maschinenrad (3) zulässt.
6. Zugmitteltrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Kurbelwellenrad (8) und der Kurbelwelle (CR) eine weitere Freilaufkupplung (13) angeordnet ist, die in der Drehrichtung der Kurbelwelle (CR) ein Überholen der Kurbelwelle (CR) gegenüber dem zweiten Kurbelwellenrad (8) zulässt.
7. Verfahren zum Betrieb eines Zugmitteltriebs eines Verbrennungsmotors, umfassend einen Nebenaggregatetrieb (1 ), der in einer ersten Triebebene verläuft, einen Startertrieb (7), der in einer zur ersten Triebebene parallelen zweiten Triebebene verläuft, und:
- ein erstes Kurbelwellenrad (2), das mittels einer ansteuerbaren Kupplung (12) mit einer Kurbelwelle (CR) des Verbrennungsmotors drehverbindbar ist, - eine Elektromaschine (A/M), die wahlweise als Generator (A) oder in dazu umgekehrter Drehrichtung als Motor (M) betreibbar ist, und ein mit der Elektromaschine (A/M) drehverbindbares Maschinenrad (3),
- einen Klimakompressor (A/C), der für einen Kompressionsbetrieb in bei- de Drehrichtungen ausgebildet ist, und ein mit dem Klimakompressor
(A/C) drehverbindbares Kompressorrad (4),
- ein in der ersten Triebebene endlos umlaufendes erstes Zugmittel (6), das das erste Kurbelwellenrad (2), das Maschinenrad (3) und das Kompressorrad (4) umschlingt,
- ein koaxial zum ersten Kurbelwellenrad (2) angeordnetes zweites Kurbelwellenrad (8), das mit der Kurbelwelle (CR) drehverbindbar ist,
- einen Motorstarter (S) und ein mit dem Motorstarter (S) drehverbindbares Starterrad (9)
- sowie ein in der zweiten Triebebene endlos umlaufendes zweites Zugmit- tel (10), das das zweite Kurbelwellenrad (8) und das Starterrad (9) umschlingt,
wobei es sich bei der Elektromaschine (A/M) und dem Motorstarter (S) um separate Elektroaggregate handelt und zumindest einer der folgenden Betriebsmoden vorgesehen ist:
- ein Startmodus, bei dem der Motorstarter (S) die Kurbelwelle (CR) bis zum Start des Verbrennungsmotors antreibt,
- ein Normalbetriebsmodus, bei dem die ansteuerbare Kupplung (12) geschlossen ist und die als Generator (A) betriebene Elektromaschine (A/M) von der Kurbelwelle (CR) des laufenden Verbrennungsmotors an- getrieben wird,
- ein Boostmodus, bei dem der Startermotor (S) bei laufendem Verbrennungsmotor die Kurbelwelle (CR) unterstützend antreibt,
- ein Abschaltmodus, bei dem die ansteuerbare Kupplung (12) geöffnet und der Nebenaggregatetrieb (1 ) von der Kurbelwelle (CR) des laufen- den Verbrennungsmotors entkoppelt ist,
- und bei stehendem Verbrennungsmotor ein Standklimamodus, bei dem die ansteuerbare Kupplung (12) geöffnet ist und die als Motor (M) betriebene Elektromaschine (A/M) mit zum Generatorbetrieb (A) umgekehrter Drehrichtung den Klimakompressor (A/C) oder eine im Nebenaggregatetrieb (1 ) angeordnete Kühlmittelpumpe (WP) antreibt.
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