Kompressor und Verfahren zur Steuerung eines Kompressors zur Druckluftversorgung eines Nutzfahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein KompressorSystem zur Druck- luftversorgung eines Nutzfahrzeugs, wobei das Kompressorsystem einen Kompressor zur Drucklufterzeugung, ein Getriebe zur übertragung von Drehmoment von einem Antriebs- motor auf den Kompressor, eine Kupplung zum Trennen der Verbindung zwischen Kompressor und Antriebsmotor und ein Steuergerät zum öffnen und Schließen der Kupplung um- fasst .

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines von einem Antriebsmotor eines Nutzfahrzeugs angetriebenen Kompressorsystems zur Druckluftversorgung des Nutzfahrzeugs, wobei das Kompressorsystem einen Kompressor zur Drucklufterzeugung, ein Getriebe zur übertragung von Drehmoment von dem Antriebsmotor auf den Kompressor, eine Kupplung zum Trennen der Verbindung zwi- sehen Kompressor und Antriebsmotor und ein Steuergerät zum öffnen und Schließen der Kupplung umfasst.

Um den Druckluftbedarf von Teilsystemen moderner Nutzfahrzeuge befriedigen zu können, werden die einer Druck- luftversorgungseinrichtung zugehörigen Kompressoren mit einem sinkenden übersetzungsverhältnis ausgestattet . Das übersetzungsverhältnis i zwischen der Drehzahl der

Antriebswelle n _λntπeb , die mit der Motordrehzahl identisch ist, und der Drehzahl der Abtriebswelle n _λbtnλ , die mit der Kompressordrehzahl identisch ist, ist dabei als

,• _ ⁿ Anlneb n Abtrieb

definiert und wird möglichst klein gewählt.

Dies ist vorteilhaft, da insbesondere bei geringen Motor- drehzahlen oft ein erhöhter Luftbedarf des Nutzfahrzeugs vorliegt. Beispielsweise ist dies der Fall bei einem Containerwechselbetrieb oder bei einem Bus, der eine Haltestelle anfährt. Letzterer muss dort anhalten, die Türen öffnen, die Luftfederung zunächst entlüften, um ein komfortables Aussteigen bei niedrigem Bodenniveau des Busses zu ermöglichen, die Türen wieder schießen und anschießend die Luftfederung wieder vor dem Anfahren belüften. Alle genannten Vorgänge verbrauchen viel Luft, die bei geringer Motordrehzahl aufgebracht werden muss.

Durch das sinkende übersetzungsverhältnis wird jedoch die geförderte Luftmenge nicht nur bei niedrigen, sondern auch bei hohen Motordrehzahlen stark erhöht, wodurch extreme Belastungen des Kompressors entstehen können. Dies gilt insbesondere, da die Nenndrehzahl des Motors von ungefähr 2000 Umdrehungen pro Minute durch die Bremsdrehzahl (~ 2400 U/min) im Falle einer Motorbremsung deutlich überschritten werden kann. Problematisch hierbei ist, dass bei Durchführung einer Motorbremsung eine Abschaltung des Kompressors durch die Kupplung zur MaterialSchonung nicht erwünscht ist, da eventuell Luft

für die Betriebsbremse zum Abbremsen des Fahrzeugs benötigt wird. Dieser Luftverbrauch ist sogar anzunehmen, da das Nutzfahrzeug bereits durch die Motorbremse abgebremst werden soll .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kompressorsystem bereitzustellen, das mit einem übersetzungsverhältnis deutlich kleiner als Eins betrieben werden kann, wobei insbesondere die an dem Kompressor auftretende thermische und mechanische Belastung bei hohen Motordrehzahlen reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Kompressorsys- tem dadurch auf, dass das Steuergerät geeignet ist, die Kupplung bei überschreiten einer einstellbaren maximal erlaubten Kompressordrehzahl oder Motordrehzahl des Antriebsmotors zu öffnen und die geöffnete Kupplung zeitweise zu schließen, während die Motordrehzahl größer als die maximal erlaubte Motordrehzahl ist. Durch das öffnen der Kupplung wird die mechanische und thermische Belastung des Kompressors bei überschreiten einer einstellbaren maximal erlaubten Drehzahl zunächst auf Null reduziert. Durch das anschließende zeitweise Schließen der Kupplung, während die Motordrehzahl größer als die maximal erlaubte Motordrehzahl ist, wird zum einen die benötigte Drucklufterzeugung aufrechterhalten und zum anderen die mittlere thermische und mechanische Belastung des

Kompressors gegenüber dem Dauerbetrieb reduziert. Typische übersetzungsverhältnisse, bei der der Einsatz eines erfindungsgemäßen Kompressorsystems besonders bevorzugt ist, liegen zwischen 0,4 und 0,7, wobei der erfindungsge- mäße Kompressor jedoch allgemein einsetzbar ist, wenn kleine übersetzungsverhältnisse beziehungsweise hohe Nenndrehzahlen des Antriebsmotors in hohen Kompressordrehzahlen resultieren.

Nützlicherweise kann auch vorgesehen sein, dass das Steuergerät geeignet ist, die Kupplung zu öffnen, wenn ein in dem Druckluftversorgungssystem des Nutzfahrzeugs vorhandener Druck einen einstellbaren Abschaltdruck übersteigt . Sind die Vorratsbehältnisse für Druckluft des Nutzfahr- zeugs ausreichend befüllt, so ist eine weitere Erzeugung von Druckluft durch den Kompressor überflüssig. Der in dem Druckluftversorgungssystem des Nutzfahrzeugs herrschende Druck kann als einfacher Indikator für den Befül- lungsgrad herangezogen werden.

Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass das Streuergerät geeignet ist, die Kupplung zu öffnen, während der Antriebsmotor gestartet wird. Durch das öffnen der Kupplung, während der Antriebsmotor gestartet wird, ist das durch einen Anlasser aufzubringende Drehmoment zum Starten des Antriebsmotors reduzierbar.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, der die Temperatur des Kompressors er- fasst. Die Temperatur des Kompressors kann als Maß für die thermische Belastung des Kompressors herangezogen werden.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Getriebe eine übersetzung kleiner als Eins aufweist. Durch die Verwendung einer übersetzung kleiner als Eins erhöht sich die Kompressordrehzahl im Verhältnis zur Motordrehzahl und in folge dessen das Volumen der erzeugten Druckluft bei einer bestimmten Drehzahl des Antriebsmotors. Auf diese Weise kann insbesondere bei kleinen Motordrehzahlen die benötigte Druckluftmenge schnell beschafft werden.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Nutzfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kompressorsystem.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass die Kupplung bei überschreiten einer einstellbaren maximal erlaubten Kompressordrehzahl oder Motordrehzahl des Antriebsmotors geöffnet wird und dass die geöffnete Kupplung zeitweise geschlossen wird, während die Motordrehzahl größer als die maximal erlaubte Motordrehzahl ist .

Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Kompressorsystems auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsfor- men des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Dieses wird in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Kupplung geöffnet wird, wenn ein in dem Druckluftversorgungssystem des Nutzfahrzeugs vorhandener Druck einen einstellbaren Abschaltdruck übersteigt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kupplung geöffnet wird, während der Antriebsmotor gestartet wird.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kupplung geöffnet wird, wenn eine gemessene Temperatur des Kompressors eine einstellbare maximal erlaubte Temperatur übersteigt.

In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kupplung zeitweise geschlossen wird, während eine gemessene Temperatur des Kompressors eine einstellbare maximal erlaubte Temperatur übersteigt .

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Getriebe die Motordrehzahl mit einer übersetzung kleiner als Eins auf den Kompressor überträgt .

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert .

Es zeigen:

Figur 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Kompressorsystem;

Figur 2 zwei Schaltstrategien zum Betreiben eines Kom- pressorSystems;

Figur 3 eine erfindungsgemäße Schaltstrategie zum Betreiben eines Kompressorsystems und

Figur 4 ein Flussdiagramm an dem die einzelnen Verfahrensschritte erläutert werden.

In den nachfolgenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Teile.

Figur l zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Kompressorsystem 16. Das Nutzfahrzeug 14 wird von einem Antriebsmotor 12 angetrieben. Der Antriebsmotor 12 treibt über ein Getriebe 20 weiterhin einen Kompressor 18 an, der Luft in komprimierter Form einem Druckluftversorgungssystem 24 zur Verfügung stellt. Das Getriebe 20 besitzt ein übersetzungsverhältnis i kleiner als Eins, das heißt die Antriebsdrehzahl n _Anlneb , die mit der Motordrehzahl identisch ist, ist größer als die Abtriebsdrehzahl n _Ablneb , die mit der Kompressordrehzahl identisch ist. Die Kompressor- drehzahl ist also immer um den festen Faktor i größer als die Motordrehzahl. Zwischen dem Getriebe 20 und dem Antriebsmotor 12 ist eine Kupplung 22 angeordnet, über die der Kompressor 18 von dem Antriebsmotor 12 getrennt werden kann. Die Reihenfolge von Getriebe 20 und Kupplung 22 kann auch umgekehrt sein, was sogar die gängigere Anordnungsweise ist, da das Getriebe 20 üblicherweise als ein Bestandteil des Antriebsmotors 12 ausgebildet ist, wobei dann ein Zahnrad auf der Kompressorkurbelwelle befestigt ist. Der Kompressor 18 bildet zusammen mit dem Getriebe 20, der Kupplung 22 und einem weiterhin in dem Nutzfahrzeug 14 angeordneten Steuergerät 10 ein Kompressorsystem 16. In dem Kompressorsystem 16 sind weiterhin Drehzahlsensoren 28, 30 und ein Temperatursensor 26 vorgesehen, wobei die Drehzahlsensoren 28, 30 die Motordrehzahl be- ziehungsweise die Kompressordrehzahl erfassen, während der Temperatursensor 26 die Kompressortemperatur erfasst. Das Steuergerät 10 ist mit den DrehzahlSensoren 28, 30

und dem Temperatursensor 26 gekoppelt und ist in der Lage die Kupplung 22 zu öffnen und zu schließen. Die Drehzahl- überwachung des Kompressors kann auch ohne die Drehzahl- sensoren 28, 30 erfolgen, wobei dann über einen Fahrzeug- bus, zum Beispiel der CAN-Bus, die üblicherweise bekannte Motordrehzahl an das Steuergerät 10 übermittel wird, welches dann im Zusammenhang mit der übersetzung des Getriebes 20 die Kompressordrehzahl bestimmt. Die Bestimmung über die Motordrehzahl ist sogar bevorzugt, da dann auf separate Drehzahlsensoren 28, 30 zur direkten Bestimmung der Kompressordrehzahl verzichtet werden kann. Typische übersetzungsverhältnisse, bei der der Einsatz eines erfindungsgemäßen KompressorSystems besonders bevorzugt ist, liegen zwischen 0,4 und 0,7, wobei das erfindungsge- mäße Kompressorsystem auch bei anderen übersetzungsverhältnissen einsetzbar ist.

Figur 2 zeigt zwei Schaltstrategien zum Betreiben eines Kompressorsystems. Aufgetragen sind auf der x-Achse die Motordrehzahl und auf der y-Achse die Kompressordrehzahl. Parallel zur x-Achse sind weiterhin eine permanent erlaubte Kompressordrehzahl 40 und eine kurzfristig erlaubte Kompressordrehzahl 42 eingezeichnet. Eine erste Kompressordrehzahlkurve 44 verbleibt aufgrund des gewählten übersetzungsverhältnisses unabhängig von der Motordrehzahl unterhalb der permanent erlaubten Kompressordrehzahl 40. Das Schalten des Kompressors über die Kupplung ist daher nicht notwendig. Eine zweite Kompressordrehzahlkurve 46 würde bei einer Motordrehzahl von circa 1900 Umdre- hungen pro Minute die permanent erlaubte Kompressordrehzahl 40 überschreiten. An diesem Punkt wird die Kupplung geöffnet, woraufhin die Kompressordrehzahl auf Null abfällt und bei weiter steigender Motordrehzahl auch bei

Null verbleibt. Diese Schaltstrategie ist nachteilig, da die Luftförderung durch das öffnen der Kupplung bei einer hohen Motordrehzahl vollständig gestoppt wird.

Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltstrategie zum Betreiben eines Kompressorsystems. Aufgetragen sind auf der x-Achse die Zeit und auf der y-Achse die Motordrehzahl beziehungsweise die Kompressordrehzahl. Parallel zur x-Achse sind wieder die permanent erlaubte Kompressor- drehzahl 40 und die kurzfristig erlaubte Kompressordrehzahl 42 eingezeichnet. Eine eingezeichnete Motordrehzahl- kurve 48 wächst ausgehend von der Leerlaufdrehzahl von circa 600 Umdrehungen pro Minute bis zur Nenndrehzahl des Antriebsmotors von circa 2000 Umdrehungen pro Minute an, um über die Bremsdrehzahl des Antriebsmotors von circa 2400 Umdrehungen pro Minute wieder bis zur Leerlaufdrehzahl abzufallen. Eine erfindungsgemäße Kompressordrehzahlkurve 50 kennzeichnet die der Motordrehzahlkurve 48 zugehörige Kompressordrehzahl . Während einer ersten Phase I, die von Null bis circa 36 Sekunden reicht, ist die Kupplung 22 des Kompressors 18 geschlossen und der Kompressor 18 befindet sich in permanentem Betrieb. Bei Erreichen der Nenndrehzahl des Antriebsmotors 12 erreicht die erfindungsgemäße Kompressordrehzahlkurve 50 die per- manent erlaubte Kompressordrehzahl 40. Durch das Einleiten einer Motorbremsung erreicht der Antriebsmotor 12 in einer Phase II die Bremsdrehzahl. Die der Bremsdrehzahl zugehörige Kompressordrehzahl bei geschlossener Kupplung entspricht der kurzfristig erlaubten Kompressordrehzahl 42, die größer als die permanent erlaubte Kompressordrehzahl 40 ist. Deshalb wird zunächst am Beginn der Phase II die Kupplung 22 durch das Steuergerät 10 geöffnet, weshalb die Kompressordrehzahlkurve 50 auf Null abfällt und

während eines Abschaltintervalls 52 bei diesem Wert verharrt . Um die Erzeugung von Druckluft wieder aufnehmen zu können, wird am Ende des AbschaltintervalIs 52 die Kupplung 22 wieder geschlossen, weshalb der Kompressor 18 nach kurzer Zeit die kurzfristig erlaubte Kompressordrehzahl 42 erreicht und während eines Lastintervalls 58 diesen Wert beibehält. Mit Ende des Lastintervalls 58 wird die Kupplung 22 wieder geöffnet und ein weiteres Abschaltintervall 54 eingeleitet. Weitere Lastintervalle 60, 62 und ein Abschaltintervall 56 folgen. Am Ende des LastintervalIs 62 beginnt auch der dritte Bereich III, der durch ein langes Abschaltintervall 64 gekennzeichnet ist . Am Ende des Lastintervalls 62 erreicht das Druckluftversorgungssystem 24 in diesem Beispiel seinen Ab- schaltdruck, da die Vorratsbehältnisse des Druckluftversorgungssystems 24 gefüllt sind. Um Energie einzusparen, wird die Kupplung 22 des Kompressors 18 dauerhaft geöffnet. Am Ende der dritten Phase III unterschreitet die in dem Druckluftversorgungssystem gespeicherte Luftmenge ein vorgegebenes Minimum, das heißt ein gemessener Einschaltdruck wird unterschritten. Infolge dessen wird die Kupplung 22 wieder geschlossen. Da gleichzeitig die Motorbremsung beendet ist und die Motordrehzahl des Antriebs- motors 12 unterhalb der Nenndrehzahl des Antriebsmotors 12 liegt, bleibt die Kupplung 22 geschlossen und der Kompressor 18 wird wieder permanent betrieben.

Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm an dem die einzelnen Verfahrensschritte erläutert werden. Ausgehend von Schritt 100 wird überprüft, ob die Motordrehzahl des Antriebsmotors 12 beziehungsweise die Kompressordrehzahl des Kompressors 18 größer als eine maximal erlaubte Drehzahl ist. Dies kann entweder durch überwachung der Motor-

drehzahl des Antriebsmotors 12, der Kompressordrehzahl oder der GaspedalStellung im Zusammenhang mit der Gang- wahl erfolgen. Eine direkte überwachung der Temperatur des Kompressors 18 ist ebenfalls denkbar, da die thermi- sehe Belastung des Kompressors 18 mit der Kompressordrehzahl zusammenhängt . Weiterhin kann die Motorlast des Antriebsmotors 12 berücksichtigt werden, insbesondere falls eine zusätzliche Aufladung des Kompressors 18 durch einen Turbolader vorgesehen ist. Ist die von dem Kompres- sor 18 erreichte Kompressordrehzahl größer als die erlaubte Drehzahl, 100-Ja, wird bei 110 die Kupplung 22 von dem Steuergerät 10 geöffnet. Anschließend wird bei 120 das öffnen der Kupplung 22 zur späteren Diagnose oder statistischen Auswertung gespeichert. Im Folgenden wird wieder bei 100 fortgefahren. Ist die Kompressordrehzahl geringer als die maximal erlaubte Drehzahl, 100-Nein, wird bei 130 fortgefahren. Das Steuergerät 10 schließt die Kupplung 22, um die Luftfδrderung des Kompressors 18 wieder aufzunehmen. Anschließend wird bei 100 fortgefah- ren. Zu beachten ist, dass bei 100 nicht die aktuelle Kompressordrehzahl des Kompressors 18 zu berücksichtigen ist, sondern vielmehr die Drehzahl, die der Kompressor 18 hätte, wenn die Kupplung 22 geschlossen wäre. Weiterhin ist anzumerken, dass das Einschalten des Kompressors 18 auch bei einem niedrigeren als dem üblichen Einschaltdruck erfolgen kann. Der Einschaltdruck muss jedoch immer oberhalb des gesetzlich vorgeschriebenen Mindestdrucks liegen. Dadurch wird der Schutz des Kompressors 18 gegenüber mechanischer überbeanspruchung bei hohen Drehzahlen weiter verbessert, weil es weniger oft zur Betätigung des Kompressors 18 bei hohen Drehzahlen kommt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10 Steuergerät

12 Antriebsmotor 14 Nutzfahrzeug

16 Kompressorsystem

18 Kompressor

20 Getriebe

22 Kupplung 24 Druckluftversorgungssystem

26 Temperatursensor

28 Motordrehzahlsensor

30 Kompressordrehzahlsensor

40 permanent erlaubte Kompressordrehzahl 42 kurzfristig erlaubte Kompressordrehzahl

44 erste Kompressordrehzahlkurve

46 zweite Kompressordrehzahlkurve

48 Motordrehzahlkurve

50 erfindungsgemäße Kompressordrehzahlkurve 52 Abschaltintervall

54 Abschaltintervall

56 Abschaltintervall

58 Lastintervall

60 Lastintervall 62 Lastintervall

64 Abschaltintervall

100 Drehzahl größer erlaubte Drehzahl?

110 Kupplung öffnen 120 Daten speichern 130 Kupplung schließen

I permanenter Betrieb

II Intervallbetrieb

111 Kompressor deaktiviert