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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Starteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 10, sowie ein Aggregat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
11.
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Bei
Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktion wird der Verbrennungsmotor im
Stillstand des Fahrzeugs automatisch abgeschaltet. In diesem Zustand können Nebenaggregate,
wie z. B. ein Klimakompressor, eine Lenkhilfepumpe oder eine Getriebeölpumpe nicht
mehr vom Verbrennungsmotor angetrieben werden. Diese Aggregate müssen dann
mit Hilfe eines hydraulischen oder pneumatischen Speichers angetrieben
werden. Wegen der hohen Leistung der Aggregate ist dieser Hilfsbetrieb
nur für
eine begrenzte Zeit möglich.
Aggregate mit sehr hoher Leistung, wie z. B. ein Klimakompressor,
müssen
darüber
hinaus mit einem zusätzlichen
elektrischen Antrieb ausgestattet werden, da ein hydraulischer oder
pneumatischer Speicher nicht ausreichen würde. Eine Bereitstellung zusätzlicher
Speicher oder elektrischer Antriebe für die einzelnen Aggregate ist
jedoch relativ aufwendig und teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb von
Aggregaten im Stopp-Betrieb des Verbrennungsmotors einfacher und
kostengünstiger
zu gestalten.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1, 10 oder 11 angegebenen Merkmale.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, den Starter des
Verbrennungsmotors in den Stopp-Phasen dazu zu nutzen, ein oder
mehrere Aggregat(e) anzutreiben. Der Starter (elektrische Maschine)
umfasst in diesem Fall erste Verbindungsmittel zum Herstellen einer
Wirkverbindung mit einer Welle, üblicherweise
der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, sowie zweite Verbindungsmittel
zum Herstellen einer Wirkverbindung mit einem oder mehreren Aggregat(en).
Der Starter wird in den Stopp-Phasen so angesteuert, dass er das
bzw. die damit verbundenen Aggregate antreibt. Dies hat den wesentlichen
Vorteil, dass zusätzliche
elektrische Antriebe für
die einzelnen Aggregate eingespart werden können.
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Je
nach Ausführungsform
kann die erste und/oder zweite Wirkverbindung eine Kupplung umfassen.
In der Wirkverbindung zwischen Starter und Verbrennungsmotor kann
z. B. in bekannter Weise eine Freilaufkupplung vorgesehen sein.
Die Wirkverbindung zwischen dem Starter und einem Aggregat kann
z. B. eine Trennkupplung, wie z. B. eine Magnetkupplung, umfassen.
Der Kupplungstyp ist je nach Ausführungsform passend zu wählen.
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Darüber hinaus
kann die erste und/oder zweite Wirkverbindung auch ein Getriebe
umfassen. Damit können
die Drehzahlen zwischen Starter und Verbrennungsmotor bzw. zwischen
Starter und Aggregat angepasst werden.
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Zum
Betreiben des Starters als Nebenaggregateantrieb ist vorzugsweise
eine Steuereinheit vorgesehen, die den Starter im Stillstand des
Verbrennungsmotors einschaltet und in gewünschter Weise steuert.
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Das
mit dem Starter gekoppelte Aggregat kann z. B. eine Pumpe, insbesondere
eine Getriebeölpumpe,
eine Lenkhilfepumpe, eine Motorölpumpe, Wasserpumpe
oder Kraftstoffpumpe, ein Klimakompressor oder eine andere hydraulische
oder pneumatische Pumpe sein.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der
Erfindung umfasst die Anordnung eine erste Getriebeölpumpe,
die mit dem Verbrennungsmotor in Verbindung steht und von diesem
im laufenden Betrieb angetrieben wird, sowie eine zusätzliche
zweite Getriebeölpumpe,
die mit der elektrischen Maschine in Verbindung steht und von dieser
im Stillstand des Verbrennungsmotors (Stopp-Phase) angetrieben wird.
Die Haupt-Getriebeölpumpe
ist vorzugsweise an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt.
Die zusätzliche
zweite Getriebeölpumpe
ist vorzugsweise direkt am Getriebe angeordnet.
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Der
Starter ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er auch ohne Kraftübertragung
zum Verbrennungsmotor betrieben werden kann. Bei herkömmlichen
Startern mit Ritzelantrieb wird das Ritzel bei Bestromen des Starters
in einen Zahnkranz der Kurbelwelle eingerückt, um den Verbrennungsmotor
zu starten. Diese Wirkverbindung ist in diesem Fall so zu modifizieren,
dass der Starter auch ohne Kraftübertragung
zum Verbrennungsmotor betrieben werden kann. Bei anderen Getriebeformen
ist eine Kupplung vorzusehen.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der
Erfindung kann das mit dem Starter verbundene Aggregat zusätzlich auch
mit einem Speicher, z. B. einem pneumatischen oder hydraulischen
Speicher, in Verbindung stehen. Dieser Speicher kann zusätzliche
Energie zum Antreiben des Aggregats in der Stopp-Phase des Verbrennungsmotors bereitstellen.
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Ein
solcher Speicher kann beispielsweise bereits in der Motorauslaufphase
gefüllt
werden. Dies hat zur Folge, dass der Verbrennungsmotor schneller stoppt.
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Wenn
ein Aggregat, wie z. B. ein Klimakompressor, mit dem Verbrennungsmotor
in Verbindung steht, kann die im Speicher gespeicherte Energie auch
dazu genutzt werden, das Anlassen des Verbrennungsmotors zu unterstützen. In
diesem Fall würde
das Aggregat nicht als Pumpe sondern als Motor betrieben werden.
Zum Steuern dieses Vorgangs wäre
in diesem Fall ein Steuergerät
mit entsprechender Software vorzusehen.
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Ein
erfindungsgemäßer Starter,
der zum Antreiben wenigstens eines Aggregats ausgelegt ist, umfasst
vorzugsweise erste Verbindungsmittel, wie z. B. ein Ritzel, zum
Herstellen einer ersten Wirkverbindung mit dem Verbrennungsmotor,
sowie zweite Verbindungsmittel, wie z. B. ein Zahnrad, zum Herstellen
einer zweiten Wirkverbindung mit einem oder mehreren Aggregaten.
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Ein
erfindungsgemäßes Aggregat,
wie z. B. ein Klimakompressor, umfasst vorzugsweise wenigstens ein
Verbindungsmittel zum Herstellen einer Wirkverbindung mit dem Starter.
Sofern das Aggregat vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, umfasst
es vorzugsweise ein zweites Verbindungsmittel zum Herstellen einer
Wirkverbindung mit dem Verbrennungsmotor.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Starteranordnung zum Betrieb eines
Klimakompressors;
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2 eine
schematische Darstellung einer Starteranordnung zum Betrieb einer
Getriebeölpumpe;
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3 eine
schematische Blockdarstellung der möglichen Wirkverbindungen zwischen
einem Verbrennungsmotor, einem Starter und verschiedenen Aggregaten;
und
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4 eine
schematische Darstellung einer Starteranordnung gemäß 1 mit
einer zusätzlichen
Schwungscheibe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Starteranordnung zum Betrieb
eines Klimakompressors in der Stopp-Phase eines Verbrennungsmotors 1.
Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Verbrennungsmotor, 2 das
Getriebe, 3 einen an der Kurbelwelle 12 angeordneten
Zahnkranz, 4 den Starter und 5 ein Ritzel des
Starters 4. Der Startmechanismus ist in herkömmlicher
Weise ausgelegt.
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Zum
Starten des Verbrennungsmotors 1 wird der Starter 4 bestromt,
wodurch das Ritzel 5 sich zu drehen beginnt. Gleichzeitig
rückt das
Ritzel 5 in den Zahnkranz 3 an der Kurbelwelle 12 ein
und überträgt damit
das Startermoment auf die Kurbelwelle 12. Sobald der Verbrennungsmotor 1 gestartet
ist, rückt
das Ritzel 5 wieder aus. Das Ritzel 5 ist in bekannter
Weise mit einer Freilaufkupplung versehen.
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Die
in 1 dargestellte Starteranordnung umfasst ferner
einen Klimakompressor 7, der über eine Wirkverbindung 9, 10, 11 mit
der Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 1 in
Verbindung steht. Die Wirkverbindung besteht in diesem Fall aus
einem Riementrieb mit zwei Riemenscheiben 9, 11,
die über einen
Riemen 10 verbunden sind. Andere Arten von Wirkverbindungen
sind natürlich
ebenfalls einsetzbar. Zusätzlich
kann die Wirkverbindung 9, 10, 11 eine
Trenn- oder Freilaufkupplung
enthalten. Der Klimakompressor 7 wird im laufenden Betrieb
des Verbrennungsmotors 1 von diesem angetrieben.
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Um
bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktion den Betrieb des Klimakompressors 7 auch
in den Stopp-Phasen des Verbrennungsmotors 1 zu gewährleisten,
ist hier eine zweite Wirkverbindung 6, 8 zum Starter 4 vorgesehen.
Diese Wirkverbindung umfasst in diesem Fall ein Zahnrad 6,
das an einer Welle des Starters 4 angeordnet ist, sowie
ein Zahnrad 8, das an einer Welle des Klimakompressors 7 angeordnet
ist, wobei die Zahnräder 6,8 ineinander greifen.
In dieser Wirkverbindung kann gegebenenfalls eine beliebige Trenn-
oder Freilaufkupplung vorgesehen sein. Andere Arten von Wirkverbindungen sind
natürlich
ebenfalls einsetzbar.
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In
der Stopp-Phase des Verbrennungsmotors 1 wird der Starter 4 von
einem Steuergerät 15 angesteuert,
so dass der Klimakompressor 7 kontinuierlich weiter angetrieben
wird. Wegen der zweiten Wirkverbindung zwischen Starter 4 und
Aggregat 7 ist ein zusätzlicher
Elektromotor für
das Aggregat 7 nicht erforderlich. Dieser kann somit einspart
werden. Beim Betrieb des Starters 4 als Hilfsantrieb soll
keine Kraft auf die Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 1 übertragen
werden. Der Einrückmechanismus des
Starters 4 ist daher so zu gestalten, dass der Starter 4 auch
betrieben werden kann, ohne den Verbrennungsmotor 1 anzutreiben.
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2 zeigt
eine ähnliche
Starteranordnung wie 1, die jedoch zum Betrieb einer
Getriebeölpumpe 14 in
der Stopp-Phase des Verbrennungsmotors 1 ausgelegt ist.
Gleiche Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Der Starter 4 umfasst wiederum in bekannter Weise eine
erste Wirkverbindung mit der Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors.
Darüber
hinaus umfasst der Starter eine zweite Wirkverbindung (Welle 13)
mit einer zusätzlichen
Getriebeölpumpe 14,
die hier direkt am Getriebe angeordnet ist. Bei dieser Getriebeölpumpe 14 handelt
es sich um eine zusätzliche
Getriebeölpumpe,
die speziell für
die Erzeugung eines gewünschten Öldrucks
in der Stopp-Phase des Verbrennungsmotors 1 ausgelegt ist.
Die Anordnung umfasst darüber
hinaus eine Haupt-Getriebeölpumpe
(nicht gezeigt), die im laufenden Betrieb vom Verbrennungsmotor 1 angetrieben
wird. In einer Stopp-Phase des Verbrennungsmotors 1 wird
der Starter 4 angesteuert, um die zusätzliche Getriebeölpumpe 14 zu
betätigen.
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Zwischen
dem Starter 4 und der Getriebeölpumpe 14 kann wiederum
eine Trenn- oder
Freilaufkupplung und/oder ein Getriebe vorgesehen sein. Der Starter 4 kann
alternativ auch eine weitere Wirkverbindung zum Klimakompressor 7 aufweisen.
In diesem Fall werden dann sowohl der Klimakompressor 7 als
auch die Getriebeölpumpe 14 in
einer Stopp-Phase des Verbrennungsmotors 1 vom Starter 4 angetrieben.
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3 zeigt
eine schematische Blockdarstellung aller möglichen Wirkverbindungen zwischen
der Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 1, dem Starter 4 und
verschiedenen Aggregaten 7a bis 7n. Wie zu erkennen
ist, besteht zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Starter 4 eine
erste Wirkverbindung. Zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und den
einzelnen Aggregaten 7a bis 7n können jeweils zweite
Wirkverbindungen 19a bis 19n optional vorgesehen
sein. Zwischen dem Starter 4 und den einzelnen Aggregaten 7a bis 7n besteht
jeweils eine weitere Wirkverbindung 20a bis 20n.
Je nach Ausführungsform
der Erfindung kann in jeder der Wirkverbindungen 18, 19, 20 eine
Kupplung, wie z. B. eine Trenn- oder Freilaufkupplung und/oder ein
Getriebe vorgesehen sein.
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Mögliche Wirkverbindungen
sind grundsätzlich
ein Riementrieb, Zahnradantrieb, eine direkte Verbindung der Wellen,
eine hydraulische oder pneumatische Verbindung oder jede andere
bekannte Standardverbindung.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Starteranordnung ähnlich 1 zum
Betrieb eines Klimakompressors 7 in der Stopp-Phase des Verbrennungsmotors 1.
Im Unterschied zu 1 ist hier jedoch eine Schwungscheibe 16 mit
großer
Masse, sowie eine Trennkupplung 17 zwischen Verbrennungsmotor 1 und
der Schwungscheibe 16 vorgesehen. Die eigentliche Hauptkupplung 18 ist
hier zwischen der Schwungscheibe 16 und dem Getriebe 2 angeordnet.
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Bei
einem Stopp-Signal kann die Schwungscheibe 16 mittels der
Kupplung 17 vom Verbrennungsmotor 1 abgetrennt
werden. Dies hat zur Folge, dass der Verbrennungsmotor 1 wesentlich schneller
zum Stillstand kommt. Soll der Verbrennungsmotor 1 nach
Ablauf der Stopp-Phase wieder gestartet werden, wird die Kupplung 17 wieder
eingekuppelt. Sofern die Schwungscheibe 16 zu diesem Zeitpunkt
noch Rotationsenergie gespeichert hat, wird dadurch das Starten
des Verbrennungsmotors 1 unterstützt. Gleichzeitig mit dem Einkuppeln
erfolgt vorzugsweise ein herkömmlicher
Startvorgang, bei dem der Starter 4 eingeschaltet wird
und das Ritzel 5 des Starters 4 in den Zahnkranz 3 auf
der Schwungscheibe 16 einrückt.
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Alternativ
kann der Starter 4 in dieser Anordnung genutzt werden,
um die Drehzahl der Schwungscheibe 16 während der Stopp-Phase konstant
zu halten. In diesem Fall wird bei einem Stopp-Signal die Schwungscheibe 16 mittels
der Kupplung 17 vom Verbrennungsmotor 1 abgetrennt und
das Ritzel 5 des Starters 4 in den Zahnkranz 3 auf
der Schwungscheibe 16 eingerückt. Der Starter 4 kann
dann das Schwungrad 16 antreiben, so dass nach Ablauf der
Stopp-Phase immer Rotationsenergie zur Unterstützung des Startvorgangs des
Verbrennungsmotors 1 zur Verfügung steht.
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Statt
dem Start-Vorgang nach Ablauf der Stopp-Phase könnte der Starter 4 und/oder
die Rotationsenergie der Schwungscheibe 16 auch genutzt werden,
um den Anfahrvorgang des Fahrzeugs über die Kupplung/den Drehmomentwandler 21 zu
unterstützen.
Der Start-Vorgang würde
in diesem Fall erst beim bereits rollenden Fahrzeug eingeleitet.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist der Zahnkranz 3 am Außenumfang der Schwungscheibe 16 angeordnet.
Alternativ könnte
der Zahnkranz 3 auch an anderer Stelle, beispielsweise
zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und der Kupplung 17 angeordnet sein
als separates Bauteil.