DE102010048491A1

DE102010048491A1 - Antriebseinheit mit zwei Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102010048491A1
Application number: DE102010048491A
Authority: DE
Inventors: Peter Greb; Oswald Friedmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit zwei Brennkraftmaschinen mit jeweils einer Kurbelwelle, welche mittels einer ersten Kupplung miteinander koppelbar sind, sowie einer zweiten Kupplung, mittels der eine der Kurbelwellen und eine Getriebeeingangswelle eines nachfolgenden Getriebes koppelbar sind. Um eine derartige Antriebseinheit weiterzubilden, wird vorgeschlagen, die Kurbelwellen in Linie zueinander und die erste Kupplung koaxial um eine Drehachse der Kurbelwellen anzuordnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit zwei Brennkraftmaschinen mit jeweils einer Kurbelwelle, welche mittels einer ersten Kupplung miteinander koppelbar sind, sowie einer zweiten Kupplung, mittels der eine der Kurbelwellen und eine Getriebeeingangswelle eines nachfolgenden Getriebes koppelbar sind.
Aus dem Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen, beispielsweise als Verbrennungsmotoren mit V-förmig angeordneten Zylinderblöcken bekannt, die einzeln betreibbar und zur Einsparung von Kraftstoff im Teillastbetrieb abschaltbar sind. Ein Wiederankoppeln des abgeschalteten Zylinderblocks erfordert ein aufwendiges Motormanagement, um den Vorgang komfortabel auszugestalten. Weiterhin ist aus der DE 30 05 368 A1 eine Antriebseinheit mit zwei unabhängig voneinander funktionsfähigen Brennkraftmaschinen bekannt, deren Kurbelwellen parallel zueinander angeordnet sind und mittels einer Kupplung miteinander koppelbar sind. Hierbei wird zur Einsparung von Kraftstoff im Teillastbetrieb der Antriebseinheit eine komplette Brennkraftmaschine abgeschaltet und im Volllastbetrieb zugeschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung derartiger Antriebseinheiten mit dem Ziel, einen komfortablen Betrieb in allen Betriebszuständen, insbesondere Lastwechselzuständen während eines Ankoppelns einer abgeschalteten Brennkraftmaschine zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit mit zwei Brennkraftmaschinen mit jeweils einer Kurbelwelle, welche mittels einer ersten Kupplung miteinander koppelbar sind, sowie einer zweiten Kupplung, mittels der eine der Kurbelwellen und eine Getriebeeingangswelle eines nachfolgenden Getriebes koppelbar sind, gelöst, wobei die Kurbelwellen in Linie zueinander angeordnet sind und die erste Kupplung koaxial um eine Drehachse der Kurbelwellen angeordnet ist. Durch einen derartigen Aufbau können zwei separat voneinander funktionsfähige Brennkraftmaschinen schwingungstechnisch so aneinander angekoppelt werden, ohne dass radial auf die Kurbelwellen einwirkende Kräfte und Momente erzeugt werden, die insbesondere bezüglich von Vibrationen und Momentenschlägen bei Verwendung der Antriebseinheit in einem Kraftfahrzeug kritisch sind. Durch die Anordnung in Linie (inline-Anordnung) werden gegebenenfalls auftretende Ruckmomente infolge unterschiedlicher Drehzahlen der beiden Brennkraftmaschinen insbesondere während des Starts einer abgestellten Brennkraftmaschine gegenüber der Fahrzeugkarosserie besser isoliert, so dass diese weniger stark auf die Fahrzeugkarosserie durchschlagen und ein höherer Fahrkomfort erzielt wird.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird dabei eine der Brennkraftmaschinen elektrisch und die andere Brennkraftmaschine mittels eines Impulsstartverfahrens mittels eines über die erste Kupplung übertragenen Moments gestartet. Dabei kann auf einen zusätzlichen Elektrostarter und dessen Steuerung verzichtetet werden, indem beispielsweise die erste Kupplung schlupfend geschlossen und daher die nicht mit einem Elektrostarter ausgerüstete Brennkraftmaschine durch das über die erste Kupplung übertragene Moment gestartet wird. Dabei hat es sich zur Erhöhung des Fahrkomforts als vorteilhaft erwiesen, wenn einem dabei infolge der unterschiedlichen Differenzdrehzahlen der Brennkraftmaschinen beim Start erzeugten Momentenruck begegnet wird, indem einer der beiden Brennkraftmaschinen mittels einer dritten Kupplung eine Schwungmasse zuschaltbar ist. Dabei kann über eine geeignete Zu- und Abschaltung der Schwungmasse während eines Anreißvorgangs der stehenden Brennkraftmaschine das Gesamtmoment an der zweiten Kupplung gleichmäßiger ausgelegt werden.
Die elektrisch gestartete Brennkraftmaschine, die bevorzugt während eines Teillastbetriebs der Antriebseinheit alleine betrieben wird, wird beispielsweise von einem separaten Elektrostarter oder einer Elektromaschine betrieben, die beispielsweise neben einem Start der Brennkraftmaschine bei geöffneter zweiter Reibungskupplung als Generator betrieben werden kann und bei geschlossener zweiter Kupplung im Schubbetrieb rekuperierend oder im Zugbetrieb als Booster eingesetzt werden kann. Die Elektromaschine kann beispielsweise mit der dritten Kupplung gekoppelt sein, so dass diese bei geschlossener Kupplung einer der Brennkraftmaschinen, vorzugsweise der dauerhaft betriebenen Brennkraftmaschine zugeordnet ist, so dass deren Rotor mit der Schwungmasse rotiert. In speziellen Fällen kann der Rotor die Schwungmasse bilden, wobei deren Trägheitsmoment durch unterstützende oder bremsende Bestromung steuerbar ausgestaltet werden kann.
Zwischen der der dritten Kupplung und der Schwungmasse kann ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen sein, das in Richtung der Schwungmasse eine Übersetzung ins Schnelle bewirkt, so dass die Schwungmasse mit einer höheren Drehzahl als die mit der Kupplung verbundene Kurbelwelle betrieben werden kann. Das Übersetzungsgetriebe wird bevorzugt mit einer festen Übersetzung ausgebildet und kann beispielsweise als Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad sowie mehreren, über den Umfang verteilten, an einem Planetenträger aufgenommenen Planetenrädern gebildet sein. Es hat sich dabei als vorteilhaft gezeigt, wenn das Hohlrad mit der dritten Kupplung, das Sonnenrad mit der Schwungmasse und der Planetenträger mit einem feststehenden Gehäuse verbunden sind. Sollte die Antriebseinheit mit einer Elektromaschine ausgestattet sein, kann der Planetenträger mit dem Rotor verbunden sein, so dass dieser gegebenenfalls gebremst oder beschleunigt werden kann und damit die Drehzahl des Schwungrads effektiv steuerbar ist und/oder der Rotor mittels des Planetenträgers angetrieben werden und dabei elektrische Energie erzeugen kann.
Zur Optimierung des Bauraums der Antriebseinheit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine an der Antriebseinheit vorgesehene Elektromaschine radial außerhalb und axial auf gleicher Höhe mit der ersten Kupplung angeordnet ist. Zur weiteren Optimierung des Bauraums der Antriebseinheit kann ein an der elektrisch gestarteten Brennkraftmaschine angeordneter Nebenaggregatetrieb mittels einer Nockenwelle dieser angetrieben werden. Auf diese Weise kann axialer Bauraum gespart werden und der Nebenaggregatetrieb im Bereich der ersten und zweiten Kupplungen untergebracht werden.
Die Ausführung der ersten Kupplung erfolgt vorzugsweise als zugedrückte Reibungskupplung, die beispielsweise mittels eines elektrischen Kupplungsaktors zugedrückt wird und in nicht im Betrieb befindlichen Kupplungsaktor offen ist. Sollten in einem Fahrzeugtyp die Volllastzustände und damit der Betrieb beider Brennkraftmaschinen überwiegen, kann die dritte Kupplung auch als aufgedrückte Reibungskupplung vorgesehen werden. Durch die entsprechende Wahl des Kupplungstyps kann der Kraftstoffbedarf durch entsprechende Anpassung weiter verbessert werden. In derselben Weise wird die dritte Kupplung als aufgedrückte Reibungskupplung ausgelegt, so dass lediglich bei einer im Verhältnis zur Koppelung des Schwungrads mit der Kurbelwelle seltenen Abkoppelung des Schwungrads und gegebenenfalls einer Elektromaschine Energie für die Betätigung des Kupplungsaktors bereitgestellt werden muss.
Die Zu- und Abkoppelung des Schwungrads von der Kurbelwelle einer der Brennkraftmaschinen, bevorzugt der dauerhaft betriebenen Brennkraftmaschine, ist insbesondere während eines Impulsstarts der abgeschalteten Brennkraftmaschine vorteilhaft. Hierbei wird bei einer über einen vorgegebenen Wert hinausgehenden Leistungsanforderung an die elektrisch gestartete Brennkraftmaschine die andere Brennkraftmaschine gestartet, indem die dritte Kupplung geöffnet, also die Schwungmasse abgekoppelt, die erste Kupplung geschlossen, also Moment auf die Kurbelwelle der abgeschalteten Kurbelwelle übertragen und diese damit drehangetrieben wird. Die erste und dritte Kupplung werden dabei bevorzugt überschneidend betätigt, so dass die zum Antrieb des Schwungrads benötigte Energie bei sich öffnender dritter Kupplung bei sich schließender erster Kupplung auf die Kurbelwelle der abgeschalteten Brennkraftmaschine ohne Ruck übertragen wird. Ein Abfallen der Drehzahl des Schwungrads im abgekoppelten Zustand des Schwungrads wird insbesondere dadurch kompensiert, dass vor dem Schließen der dritten Kupplung die andere, neu gestartete Brennkraftmaschine bei noch offener dritter Kupplung auf eine aktuelle Drehzahl der elektrisch gestarteten Brennkraftmaschine oder darüber hinaus beschleunigt wird und die dritte Kupplung danach geschlossen und das Schwungrad wieder auf die Drehzahl der Brennkraftmaschinen beschleunigt wird. Bei einer abfallenden Leistungsanforderung unter einen vorgegebenen Wert wird die erste Kupplung geöffnet und die nicht für den Dauerbetrieb vorgesehene Brennkraftmaschine wieder abgestellt.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die elektrisch gestartete Brennkraftmaschine mittels eines Elektrostarters 11 gestartet wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die elektrisch gestartete Brennkraftmaschine mittels der Elektromaschine gestartet wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Schwungmasse bei geschlossener dritter Kupplung mit der Kurbelwelle der elektrisch gestarteten Brennkraftmaschine verbunden ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die dritte Kupplung eine aufgedrückte Reibungskupplung ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die erste Kupplung eine zugedrückte Reibungskupplung ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einer über einen vorgegebenen Wert hinausgehenden Leistungsanforderung an die elektrisch gestartete Brennkraftmaschine die andere Brennkraftmaschine gestartet wird, indem die dritte Kupplung geöffnet, die erste Kupplung geschlossen wird und nach einem Start der anderen Brennkraftmaschine die dritte Kupplung geschlossen wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn vor dem Schließen der dritten Kupplung die andere Brennkraftmaschine auf eine aktuelle Drehzahl der elektrisch gestarteten Brennkraftmaschine beschleunigt wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Nebenaggregatbetrieb der elektrisch gestarteten Brennkraftmaschine mittels einer Nockenwelle dieser angetrieben wird.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit im Schnitt und
2 eine schematische Schnittdarstellung einer der Antriebseinheit der 1 ähnlichen Antriebseinheit mit einer Elektromaschine.
1 zeigt die Antriebseinheit 1 in schematischer Darstellung mit den beiden Brennkraftmaschinen 2, 3, deren Kurbelwellen 4, 5 in Linie zueinander angeordnet sind. Die Kurbelwellen 4, 5 sind gegeneinander mittels der ersten, um die Drehachse 13 der Kurbelwellen 4, 5 angeordneten Kupplung 6, die eine trockene oder nasse Reibungskupplung sein kann und vorzugsweise eine von einem Kupplungsaktor zugedrückte Kupplung ist, ab- und ankoppelbar, so dass abhängig von einer Leistungsanforderung eines Fahrers die Getriebeeingangswelle 7 des Getriebes 8 mittels der für den Dauerbetrieb vorgesehenen Brennkraftmaschine 2 bei offener erster Kupplung 6 alleine oder bei geschlossener erster Kupplung 6 mittels beider Brennkraftmaschinen 2, 3 angetrieben werden kann. Dabei ist die Getriebeeingangswelle 7 von der Kurbelwelle 4 mittels der zweiten Kupplung 9 abkoppelbar. Zur Dämpfung von Drehschwingungen der Brennkraftmaschinen 2, 3 kann die Kupplungsscheibe der zweiten Kupplung 9 einen Drehschwingungsdämpfer aufweisen und/oder die zweite Kupplung 9 auf einem Zweimassenschwungrad 10 aufgenommen sein.
Die Schwungmasse 12 der Antriebseinheit 1 ist mittels der dritten, um die Drehachse 13 der Kurbelwellen 4, 5 und axial beabstandet von der ersten Kupplung 6 zwischen den Brennkraftmaschinen 2, 3 angeordneten Kupplung 14 von der Kurbelwelle 4 der Brennkraftmaschine 2 abkoppelbar angeordnet. Dabei erfolgt ein Antrieb der Schwungmasse 12 mittels des Übersetzungsgetriebes 15 in Form des Planetengetriebes 16 ins Schnelle. Hierzu ist an der radial außen um die erste Kupplung 6 angeordnete Schwungmasse 12 das Sonnenrad 17 und an dem Ausgangsteil 18 der dritten Kupplung 14 das Hohlrad des Planetengetriebes 16 angeordnet. Der die mit diesen kämmenden Planetenräder 21 aufnehmende Planetenträger 20 ist fest mit dem Gehäuse 22, beispielsweise einem den beiden Brennkraftmaschinen 2, 3, gemeinsamen oder einem separaten Gehäuse dieser aufgenommen. Die Schwungmasse 12 ist beispielsweise über den Planetenträger 20 am Gehäuse 22 oder mittels der verdrehbar auf einer zwischen den Kurbelwellen 4, 5 angeordneten Zwischenwelle 23 zentriert. Alternativ können die Kupplungen 6, 14 mit der Zwischenwelle 23 eine Baueinheit bilden, die mittels des Planetenträgers 20 an dem Gehäuse zentriert ist. Alternativ kann die Baueinheit auf einer der beiden Kurbelwellen 4, 5 aufgenommen sein.
Die Brennkraftmaschine 2 wird mittels des Elektrostarters 11, der beispielsweise während des Starts in einen Anlasserzahnkranz des Zweimassenschwungrads 10 einspurt, gestartet. Die Brennkraftmaschine 3 wird dann gestartet, wenn eine Leistungserforderung des Fahrers einen vorgegebenen Wert übersteigt. Hierbei wird die dritte Kupplung 14 geöffnet und die erste Kupplung 6 geschlossen, so dass das an dem Eingangsteil der ersten Kupplung 6 anliegende Moment auf die Kurbelwelle 5 übertragen und diese drehangetrieben wird und die Brennkraftmaschine 3 dadurch gestartet wird. Um die dritte Kupplung 14 schließen zu können, ohne dass ein Momentenruck beziehungsweise Drehzahlabfall an der Brennkraftmaschine 2 auftritt, wird zunächst die Drehzahl der Kurbelwelle 5 durch die Brennkraftmaschine 2 auf die Drehzahl deren Kurbelwelle 4 beschleunigt und bei Drehzahlgleichheit die dritte Kupplung 14 geschlossen.
Zur Optimierung des axialen Bauraums wird die sogenannte Riemenscheibenebene 24 mit dem Nebenaggregatetrieb 25, von dem lediglich ein Nebenaggregat 26 dargestellt ist, zwischen die beiden Brennkraftmaschinen 2, 3 verlegt und von der Nockenwelle 27 angetrieben.
Die 2 zeigt die schematische Schnittdarstellung der Antriebseinheit 1a, die im Unterschied zur Antriebseinheit 1 der 1 mit einer Elektromaschine 28 anstatt des Elektrostarters 11 (1) ausgestattet ist. Die Elektromaschine 28 ist mittels des Stators 29 in derselben Weise mit dem Gehäuse 22 verbunden wie die Schwungmasse 12 der 1 und nimmt in ihrem Bauraum radial innen die erste Kupplung 6 auf. Der Rotor 30 bildet die Schwungmasse 12a und ist mit dem Planetenträger 20 des Planetengetriebes 16 verbunden.
Daraus ergeben sich für die einzelnen Betriebszustände der Elektromaschine 28 folgende Möglichkeiten:
Bei geschlossener dritter Kupplung 14 und geöffneten Kupplungen 6, 9 wird die Brennkraftmaschine 2 von der Elektromaschine 28 gestartet.
Bei geschlossener dritter Kupplung 14 kann die Elektromaschine 28 je nach Bestromung als Generator oder bei zusätzlich geschlossener zweiter Kupplung 9 als Booster für den Antrieb des Kraftfahrzeugs mit einem derartigen Antriebsstrang dienen. Die gegebenenfalls geschlossene dritte Kupplung 14 kann hierzu ein zusätzliches Moment der Brennkraftmaschine 3 beitragen.
Im Schubbetrieb kann die Elektromaschine 28 bei geschlossenen Kupplungen 9, 14 rekuperierend betrieben werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
1a: Antriebseinheit
2: Brennkraftmaschine
3: Brennkraftmaschine
4: Kurbelwelle
5: Kurbelwelle
6: erste Kupplung
7: Getriebeeingangswelle
8: Getriebe
9: zweite Kupplung
10: Zweimassenschwungrad
11: Elektrostarter
12: Schwungmasse
12a: Schwungmasse
13: Drehachse
14: dritte Kupplung
15: Übersetzungsgetriebe
16: Planetengetriebe
17: Sonnenrad
18: Ausgangsteil
19: Hohlrad
20: Planetenträger
21: Planetenrad
22: Gehäuse
23: Zwischenwelle
24: Riemenscheibenebene
25: Nebenaggregatetrieb
26: Nebenaggregat
27: Nockenwelle
28: Elektromaschine
29: Stator
30: Rotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3005368 A1 [0002]

Claims

Antriebseinheit (1, 1a) mit zwei Brennkraftmaschinen (2, 3) mit jeweils einer Kurbelwelle (4, 5), welche mittels einer ersten Kupplung (6) miteinander koppelbar sind, sowie einer zweiten Kupplung (9), mittels der eine der Kurbelwellen (4) und eine Getriebeeingangswelle (7) eines nachfolgenden Getriebes (8) koppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellen (4, 5) in Linie zueinander angeordnet sind und die erste Kupplung (6) koaxial um eine Drehachse (13) der Kurbelwellen (4, 5) angeordnet ist.
Antriebseinheit (1, 1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Brennkraftmaschinen (2) elekrisch und die andere Brennkraftmaschine (3) mittels eines Impulsstartverfahrens mittels eines über die erste Kupplung (6) übertragenen Moments gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Brennkraftmaschinen (2) mittels einer dritten Kupplung (14) eine Schwungmasse (12, 12a) zuschaltbar ist.
Antriebseinheit (1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Kurbelwellen (4) eine Elektromaschine (28) mit einem Stator (29) und einem Rotor (30) zuschaltbar ist.
Antriebseinheit (1a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (28) der entsprechenden Kurbelwelle (4) mittels der dritten Kupplung (14) zugeschaltet wird.
Antriebseinheit (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Kupplung (14) und der Schwungmasse (12, 12a) ein Übersetzungsgetriebe (15) angeordnet ist.
Antriebseinheit (1, 1a) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (15) ein Planetengetriebe (16) mit einem Sonnenrad (17), einem Hohlrad (19) sowie mehreren, über den Umfang verteilten, an einem Planetenträger (20) aufgenommenen Planetenrädern (21) gebildet ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (19) mit der dritten Kupplung (14), das Sonnenrad (17) mit der Schwungmasse (12) und der Planetenträger (20) mit einem feststehenden Gehäuse (22) verbunden ist.