Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der maximalen Drehzahl einer Arbeitsmaschine, wobei die Arbeitsmaschine von einem Motor über eine hydrodynamische Kupplung angetrieben wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Regeln der Drehzahl eines Luftverdichters in einem Fahrzeug, der über eine hydrodynamische Kupplung von dem Antriebsmotor des Fahrzeugs, insbesondere von einem Verbrennungsmotor, angetrieben wird und beispielsweise als Hubkolben-Luftverdichter zum Versorgen des Fahrzeugdruckluftsystems ausgebildet ist.

Die Regelung der Drehzahl einer Arbeitsmaschine durch Einstellen des Füllungsgrades einer zwischen die Arbeitsmaschine und einen die

Arbeitsmaschine antreibenden Motor geschalteten hydrodynamischen Kupplung ist bekannt, siehe beispielsweise die Offenlegungsschrift WO 98/32987. Die Füllungssteuerung erfolgt dabei im wesentlichen dadurch, dass bei Erreichen eines maximalen Füllungsgrades des Arbeitsraums die Arbeitsmediumzufuhr unterbrochen wird.

Die bekannte Füllungsmengenregelung ist hinsichtlich des apparativen Aufbaus kompliziert und erfordert verschiedene Regelungskomponenten, wie Drucksensoren, Ventile und/oder Schöpfrohre. Insbesondere bei einem Einsatz einer hydrodynamischen Kupplung in einem Fahrzeug, vorteilhaft in dem

Antriebsstrang zwischen einem Luftverdichter und dem Antriebsmotor, um den Luftverdichter ein- und ausschalten zu können und um gleichzeitig Schwingungen zu dämpfen und eine Übertragung von Drehmoment von dem Luftverdichter auf den Antriebsmotor beziehungsweise das Getriebe des Antriebsmotors zu vermeiden, ist der bekannte Aufbau von füllungsgeregelten hydrodynamischen Schaltkupplungen zu kompliziert und für eine Drehzahlüberwachung der Arbeitsmaschine, insbesondere des Luftverdichters, nicht optimal geeignet.

Eine weitere Möglichkeit, die maximale Drehzahl eines Fahrzeugluftverdichters zu begrenzen, wäre ein Zugriff über die Motorsteuerung auf die Motordrehzahl, um diese zu begrenzen oder abzusenken. Da jedoch der Fahrzeugmotor in erster Linie dem Antrieb des Fahrzeuges dient, wobei der Motor möglichst energieeinsparend arbeiten soll, ist ein solcher durch die Randbedingungen des Fahrzeugdruckluftsystems vorgegebener Eingriff auf die Motordrehzahl unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln der maximalen Drehzahl einer Arbeitsmaschine anzugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und insbesondere zuverlässig arbeitet und den apparativen Aufwand gegenüber bekannten Lösungen vermindert. Ferner soll eine hydrodynamische Kupplung angegeben werden, welche zur Verwendung in einem solchen Verfahren geeignet ist. Insbesondere soll das erfindungsgemäße

Verfahren dem Regeln der maximalen Drehzahl eines Luftverdichters in einem Fahrzeug dienen, wobei der Luftverdichter insbesondere als Hubkolben- Luftverdichter ausgebildet ist und vorteilhaft durch den Antriebsmotor des Fahrzeugs, insbesondere eine Brennkraftmaschine, angetrieben wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine hydrodynamische Kupplung mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung findet insbesondere bei einem durch eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angetriebenen Luftverdichter, welcher das Kraftfahrzeugdruckluftsystem versorgt, Anwendung. Aufgrund des breiten Drehzahlfeldes des Motors und der Notwendigkeit, dass der Luftverdichter auch bei niedrigen Motordrehzahlen mit einer ausreichend hohen Drehgeschwindigkeit angetrieben wird, wird regelmäßig die Übersetzung eines Getriebes, welches im Antriebsstrang zwischen dem Motor und dem Pumpenrad der hydrodynamischen

Kupplung angeordnet ist, derart groß gewählt, dass auch bei kleinen Drehzahlen des Antriebsmotors und damit der das Pumpenrad antreibenden Abtriebswelle des Getriebes die Arbeitsmaschine, das heißt der Luftverdichter, mit einer ausreichend hohen Drehzahl angetrieben wird. Dabei ist zu beachten, dass bei geringen Drehzahlen des Pumpenrads der hydrodynamischen Kupplung sich ein großer Schlupf zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad der hydrodynamischen Kupplung einstellt, das heißt, dass das Pumpenrad mit einer deutlich größeren Geschwindigkeit umläuft als das Turbinenrad. Beispielsweise läuft das Pumpenrad mit wenigstens der doppelten Geschwindigkeit um wie das Turbinenrad. Wenn nun die Motordrehzahl aufgrund der Fahrsituation des Fahrzeugs ansteigt und sich unter Umständen vervielfacht, wird entsprechend auch die Drehzahl des Pumpenrads der hydrodynamischen Kupplung erhöht. Mit dieser Drehzahlerhöhung des Pumpenrads reduziert sich der Schlupf der hydrodynamischen Kupplung deutlich. Gleichzeitig liegt in etwa oder genau dieselbe Last am Turbinenrad an, da die Leistungsaufnahme des Luftverdichters vollständig oder im wesentlichen konstant ist. Somit besteht insbesondere in diesem Anwendungsfall die Gefahr, dass es zu einem Überdrehen der Arbeitsmaschine kommt.

Hier greift das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Kupplung derart regelnd ein, dass ein Überdrehen der Arbeitsmaschine, insbesondere des Luftverdichters, der beispielsweise als Hubkolben-Luftverdichter ausgebildet ist, mit Sicherheit vermieden wird. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine geeignete Drehzahl im

Antriebsstrang zwischen dem Antriebsmotor und der Arbeitsmaschine erfasst. Dies kann beispielsweise die Drehzahl der Arbeitsmaschine, der Abtriebsseite der hydrodynamischen Kupplung, der Antriebsseite der hydrodynamischen Kupplung und/oder die Drehzahl des Motors sein. Unter Drehzahl des Motors ist dabei die Drehzahl einer geeigneten Welle des Antriebsmotors beziehungsweise des durch den Antriebsmotor angetriebenen Getriebes, insbesondere die Abtriebswelle des Getriebes, welche das Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung unmittelbar

oder mittelbar antreibt, zu verstehen. In Abhängigkeit der baulich bedingten zulässigen maximalen Drehzahl der Arbeitsmaschine wird ein maximal zulässiger Wert festgelegt und als Obergrenze für den Betriebsdrehzahlbereich der Arbeitsmaschine vorgegeben. Die anliegende Drehzahl der Arbeitsmaschine wird ständig oder in Intervallen erfasst und mit dem vorgegebenen Maxiamalwert verglichen. Sobald die erfasste Drehzahl den vorgegebenen Maximalwert überschreitet, wird automatisch die Arbeitsmediummenge im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung dadurch vermindert, dass ein Auslass aktiv geöffnet oder geeignet angeströmt wird, der mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht.

Die hydrodynamische Kupplung ist vorteilhaft als Schaltkupplung ausgebildet, das heißt gezielt mit Arbeitsmedium befüll- und entleerbar. Unter Befüllung ist dabei eine vollständige oder zumindest teilweise Befüllung zu verstehen. Die Entleerung umfasst im Sinne der Erfindung eine vollständige Entleerung oder eine Entleerung bis auf eine vorgegebene Restarbeitsmediummenge im Arbeitsraum. Somit wird erreicht, dass in einem ersten Zustand Drehmoment vom Pumpenrad auf das Turbinenrad übertragen wird, nämlich dann, wenn der Arbeitsraum teilweise oder vollständig gefüllt ist, und in einem zweiten Zustand kein oder im wesentlichen kein Drehmoment vom Pumpenrad auf das Turbinenrad übertragen wird, wenn der Arbeitsraum vollständig oder bis auf eine vorgegebene Restarbeitsmediummenge entleert ist. Gemäß eines besonderen Zustandes wird auch im nicht angetriebenen Zustand der Arbeitsmaschine ein vorbestimmter (geringer) Arbeitsmediumstrom durch die hydrodynamische Kupplung geleitet, um die hydrodynamische Kupplung dadurch zu kühlen. In der Regel wird jedoch die hydrodynamische Kupplung vollständig entleert, weil eine solche Kühlung häufig nicht erforderlich ist.

Gemäß einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Arbeitsmediummenge im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung beim

Erfassen und Feststellen einer Überdrehzahl dadurch automatisch verringert, dass ein Fliehkraftventil, welches zumindest in einer strömungsleitenden Verbindung

mit dem Arbeitsraum steht oder in den Arbeitsraum mündend eingebracht ist, automatisch geöffnet wird. Dieses Fliehkraftventil kann beispielsweise mit der

Drehzahl des Pumpenrads umlaufen und wird durch die auf es wirkende Fliehkraft bei Erreichen einer vorbestimmten maximalen Drehzahl automatisch geöffnet, so dass Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum ausströmt. Da somit die Drehzahl des Turbinenrades stets unterhalb der Ansprechdrehzahl des Fliehkraftventils im Pumpenrad verbleibt, kann eine sichere Drehzahlüberwachung der Arbeitsmaschine, die in einer mechanischen Verbindung mit dem Turbinenrad steht, erreicht werden.

Eine erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung, welche in einem solchen erfindungsgemäß ausgeführten Verfahren verwendet werden kann, weist dementsprechend ein Fliehkraftventil auf, welches vorteilhaft im Pumpenrad eingebracht ist, das oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl öffnet und Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum ablässt.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Drehzahlüberwachung ohne Schalten eines Ventils erfolgen. Diese Ausführungsform der Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, dass sich die Meridianströmung im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung in Abhängigkeit der Drehzahl der hydrodynamischen Kupplung, insbesondere des Pumpenrads der hydrodynamischen Kupplung, verschiebt. Entsprechend wird im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung an der nach innen gerichteten Umfangsoberfläche wenigstens eine Mündung wenigstens einer Auslassöffnung derart angeordnet, dass bei niedrigen Drehzahlen des Pumpenrads die Kreislaufströmung weitgehend oder vollständig über diese Mündung hinwegstreicht, und zwar in der Regel in radialer Umfangsrichtung, so dass kein oder allenfalls wenig Arbeitsmedium in die Mündung hinein eintritt und somit aus dem Arbeitsraum austritt. Bei hohen Drehzahlen hingegen verschiebt sich die Kreislaufströmung derart im Arbeitsraum, dass jetzt die Mündung mit einer Tangentialrichtung der Kreislaufströmung fluchtet, so dass Arbeitsmedium durch

die Kreislaufströmung in die Mündung hineingepresst wird und durch die Auslassöffnung aus dem Arbeitsraum heraus austritt. Insbesondere dadurch, dass

bei niedrigem Schlupf die Meridianströmung weiter außen im Schaufelprofil von Pumpenrad und Turbinenrad liegt, das heißt, dass sich die Tangentialrichtung am radial inneren Umfang der Kreislaufströmung im Arbeitsraum radial nach außen verschiebt, findet bei der erfindungsgemäßen Positionierung der wenigstens einen Auslassöffnung auf dem Umfang des Arbeitsraums eine unmittelbare Strömung von Arbeitsmedium in die Mündung dieser Auslassöffnung hinein statt, die bei niedrigeren Drehzahlen dadurch verhindert wird, dass sich kein oder im wesentlichen kein dynamischer Druck des Arbeitsmediums in die Mündung hinein ausbildet.

Eine erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung, die zur Verwendung in der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, weist in ihrem Arbeitsraum auf der inneren Umfangsfläche die Mündung einer Auslassöffnung auf, die im zweiten aufsteigenden Quadranten des Pumpenrades positioniert ist. Diese Ortsangabe beruht dabei auf der theoretischen Einteilung des Umfangs des Arbeitsraums in einem Axialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung in vier Quadranten, beginnend radial innen im Pumpenrad mit dem ersten Quadranten; dann folgt in Richtung der sich einstellenden Kreislaufströmung beim Antrieb des Pumpenrades radial außen im Pumpenrad der zweite Quadrant. Anschließend strömt das Arbeitsmedium aus dem zweiten Quadranten in den dritten Quadranten, welcher radial außen im Turbinenrad ausgebildet ist und wird schließlich in den vierten Quadranten radial nach innen verzögert, der radial innen im Turbinenrad ausgebildet ist.

Um ein Überstreichen der Mündungsfläche durch Arbeitsmedium bei niedrigen Drehzahlen des Pumpenrads sicherzustellen, im Hinblick darauf, dass kein oder im wesentlichen kein Arbeitsmedium in die Mündung hineintritt und somit den Arbeitsraum verlässt, kann in Strömungsrichtung gesehen vor der Mündung ein radial nach innen herausragender Vorsprung an der inneren Oberfläche des

Pumpenrads vorgesehen sein. Insbesondere wenn dieser Vorsprung in Form einer Schanze ausgebildet ist, wie nachfolgend anhand der Figuren noch

deutlicher beschrieben wird, kann ein Ausströmen von Arbeitsmedium durch die Mündung hindurch vermieden werden.

Vorteilhafte Positionen der wenigstens einen Mündung im zweiten Quadranten des Pumpenrads sind Positionen zwischen 120 Grad und 150 Grad, insbesondere zwischen 130 und 140 Grad, vorzugsweise bei genau oder etwa 135 Grad. Die Gradangaben beziehen sich dabei auf das Bogenmaß, gesehen von radial innen im Pumpenrad, sozusagen beginnend am Fuße des Arbeitsraums im Pumpenrad, in Umfangsrichtung radial nach außen bis zum radial äußeren Ende des Pumpenrades, bei welchem 180 Grad erreicht werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 schematisch drei verschiedene Betriebszustände einer erfindungsgemäß ausgebildeten hydrodynamischen Kupplung, beginnend bei einer niedrigen Drehzahl über eine mittlere Drehzahl bis hin zu einer hohen Drehzahl;

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Figur 1 , in welchem die erfindungsgemäß ausgeführte Mündung im Pumpenrad zu erkennen ist;

Figur 3 die Drehzahl eines Luftverdichters (Kompressors) über der Drehzahl des Motors in einem Fahrzeug;

Figur 4 das zugehörige Kennliniendiagramm der erfindungsgemäß ausgebildeten hydrodynamischen Kupplung.

In der Figur 1 ist schematisch eine hydrodynamische Kupplung 11 dargestellt, welche in die Triebverbindung zwischen einem Motor 10 und einer Arbeitsmaschine 12 geschaltet ist. Der Motor 10 umfasst dabei einen Verbrennungsmotor 10.1 mit einem daran angeschlossenen Getriebe 10.2. Eine Abtriebswelle des Getriebes 10.2 ist mit der Antriebsseite 11.1 , umfassend das Pumpenrad 1 der hydrodynamischen Kupplung 11 , verbunden. Die Abtriebsseite 11.2 der hydrodynamischen Kupplung, umfassend das Turbinenrad 2, ist mit der Arbeitsmaschine 12 verbunden, welche ein Luftverdichter ist. Selbstverständlich kann in die Verbindung zwischen dem Motor 10 beziehungsweise dem Getriebe 10.2 und dem Pumpenrad 1 und in die Verbindung zwischen dem Turbinenrad 3 und der Arbeitsmaschine 12 jeweils ein weiteres Getriebe beziehungsweise eine Übersetzung angeordnet sein, um die gewünschten Drehzahlverhältnisse einzustellen. Auch ein zusätzliches Getriebe bzw. eine Übersetzung auf nur einer Seite der Kupplung 11 ist möglich.

In der Figur 1a ist schematisch der Zustand der hydrodynamischen Kupplung 11 dargestellt, bei welchem das Pumpenrad 1 mit einer verhältnismäßig kleinen Drehzahl durch den Motor 10 angetrieben wird. Dementsprechend wird sich ein großer Schlupf zwischen dem Pumpenrad 1 und dem Turbinenrad 2 einstellen, und beispielsweise ein solches Drehzahlverhältnis zwischen dem Motor 10 und der Arbeitsmaschine 12 (Kompressor), wie es dem linksseitigen Bereich des in der Figur 3 dargestellten Graphen entspricht.

Bei solchen niedrigen Drehzahlen der hydrodynamischen Kupplung 11 stellt sich ein verhältnismäßig großer Schlupf zwischen dem Pumpenrad 1 und dem Turbinenrad 2 ein, wie er beispielsweise im rechtsseitigen Bereich des Graphen in der Figur 4 dargestellt ist. Dabei steht in der Figur 4 der Buchstabe „n" für die

Drehzahl des Pumpenrads, wobei der Schlupf entsprechend des dicken Pfeils in der Figur 4 mit zunehmender Drehzahl n absinkt.

In der Figur 1 b ist schematisch der Zustand derselben hydrodynamischen Kupplung 11 , wie sie in der Figur 1a dargestellt ist, gezeigt, jedoch bei einer

größeren Drehzahl. Es bildet sich deutlich eine Ringströmung innerhalb des Arbeitsraums 3 aus, wobei jedoch diese Ringströmung noch im wesentlichen die gesamte innere Umfangsfläche des Arbeitsraums 3, in einem Axialschnitt gesehen, überstreicht.

In der Figur 1c ist dieselbe Kupplung 11 bei einer hohen Drehzahl gezeigt, das heißt bei einer Drehzahl, welche größer ist als dem in der Figur 1 b gezeigten Zustand. Wie man sieht, hat sich bei dieser Drehzahl die Ringströmung im Arbeitsraum 3 im Verhältnis zu dem Zustand in der Figur 1 b radial nach außen verschoben, das heißt, der innere Umfangsbereich der Ringströmung ist radial nach außen im Arbeitsraum 3 gewandert. Die sich somit ergebende Kreislaufströmung 5 weist im Bereich ihres inneren Umfangs im Axialschnitt durch den Arbeitsraum 3 gesehen eine Tangentialrichtung auf, die direkt in die Mündung der Auslassöffnung 6 gerichtet ist, so dass Arbeitsmedium aus der Auslassöffnung 6 durch den sich einstellenden dynamischen Druck in die Mündung der Auslassöffnung 6 hinein herausgedrückt wird.

In der Figur 2 ist der in dem Pumpenrad 1 ausgebildete Bereich des Arbeitsraums 3 nochmals vergrößert herausgestellt. Wie man sieht, ist auf dem inneren Umfang des Arbeitsraums 3 im Pumpenrad 1 in der Radialrichtung gesehen vor der Mündung 6.1 des Auslasses 6 ein Vorsprung angeordnet, der radial nach innen in den Arbeitsraum 3 hineinragt. Dieser Vorsprung 7, welcher in Form einer Schanze ausgebildet ist, stellt sicher, dass bei Drehzahlen unterhalb der maximal zulässigen Drehzahl des Pumpenrads kein oder im wesentlichen kein

Arbeitsmedium durch den Auslass 6 heraustritt, sondern die Kreislaufströmung 5 über die Mündung 6.1 in der radialen Umfangsrichtung hinwegströmt.

Wie man in der Figur 3 sieht, kann man in dem gezeigten axialen Querschnitt durch den Arbeitsraum 3 den Arbeitsraum 3 in Quadranten unterteilen, von denen der erste Quadrant I und der zweite Quadrant Il den Bereich des Arbeitsraumes 3, welcher im Pumpenrad 1 ausgebildet ist, in zwei gleich große Teile unterteilen.

Der erste Quadrant I liegt dabei radial innerhalb des zweiten Quadranten II, wobei die beiden Quadranten I, Il spiegelbildlich zueinander über eine achsparallele Spiegelachse sind.

Die Mündung 6.1 des Auslasses 6 liegt, wie man sieht, in etwa oder genau in der Mitte des Umfangsbogens, welcher die innere Oberfläche des Außenumfangs des Arbeitsraumes 3 in dem zweiten Quadranten Il darstellt. In Grad ausgedrückt bedeutet dies, die Mündung 6.1 liegt auf etwa 135 Grad, nämlich in der Mitte zwischen dem radial inneren Beginn des zweiten Quadranten Il bei 90 Grad und dem radial äußeren Ende des Quadranten Il bei 180 Grad.

In der Figur 4 ist herausgestellt, wie mit zunehmender Drehzahl des Pumpenrads beziehungsweise des Turbinenrads, wobei sich die Drehzahl des Turbinenrads in Abhängigkeit der Drehzahl des Pumpenrads und des Schlupfes in der hydrodynamischen Kupplung einstellt, der Lambda-Wert, welcher auch als Leistungszahl von hydrodynamischen Kupplungen bekannt ist, verkleinert. Bei einem Schlupf von etwas unterhalb von 10 Prozent, das heißt, das Turbinenrad läuft mit einer Zehntel-Drehzahl der Drehzahl des Pumpenrads um, bricht die Kennlinie zusammen, es findet keine weitere Schlupfreduzierung statt.