DE10059038A1 - Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors und Anordnung dafür - Google Patents

Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors und Anordnung dafür

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs beschrieben, wobei ein integrierter Startergenerator (ISG) und ein Bordnetz mit einem ersten elektrischen Energiespeicher mit niedriger Ausgangsspannung und ein zweiter elektrischer Energiespeicher mit einer höheren Ausgangsspannung verwendet wird. Auch die dazu erforderliche Anordnung ist Gegenstand der Erfindung. Schließlich ist noch ein Antriebskonzept für die Nebenaggregate Teil der Erfindung. DOLLAR A Normalerweise erfolgt der Start durch den ISG mittels des zweiten Energiespeichers. Ist dieser leer, so wird mittels des ersten Energiespeichers gestartet, wobei zum Hochlauf des ISG der Verbrennungsmotor abgekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung umfasst auch eine ent­ sprechende Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 4 und An­ triebskonzept für Nebenaggregate gemäß Anspruch 5.
Derartige Verfahren, bzw. Anordnungen sind unter dem Begriff ISG (integrierter Startergenerator) bekannt geworden. Sie setzen ein Bordnetz voraus, das zwei Spei­ cher mit unterschiedlicher Ausgangsspannung, z. B. 12 und 36 V beinhaltet, die von dem Startergenerator geladen werden.
ISG sind elektrische Maschinen nach dem Prinzip der Asynchron- oder Synchronma­ schine, die an der Verbindungsstelle zwischen Motor und Getriebe untergebracht sind. Es werden hierbei eine oder zwei Kupplungen eingesetzt, um diese elektri­ schen Maschinen an den Motor und das Getriebe anzukoppeln. Im ersteren Fall ist der Läufer der elektrischen Maschine mit dem Schwungrad des Motors kombiniert. Im zweiten Fall kann die elektrische Maschine frei betrieben werden und dessen Schwungenergie kann zum Starten des Motors mitgenutzt werden. Der ISG weist eine starke elektrische Generatorleistung (bis 10-20 kW) mit Spannung größer 42 V auf und hat eine starke elektromotorische Leistung in der selben Größe. Hierdurch ist es möglich starke Verbraucher wie z. B. die elektromagnetische Ventilsteuerung (3-5 kW), einen elektrisch betriebenen Klimakompressor (3-5 kW), eine Frontschei­ benheizung (1 kW) zu betreiben.
Man kann weiterhin die Startdrehzahl auf über 600 U/min anheben, anstelle von heute 200 U/min. Damit hat der Motor bessere Verbrennungsbedingungen und auch höhere Kompression, so dass nahezu normal und nicht mit Überfettung des Gemi­ sches eingespritzt werden kann. Damit sind, z. B. bei Ampelstop und Kaltstart weni­ ger Emissionen vorhanden.
Man kann außerdem den Generator zur Rückgewinnung der Bremsenergie (Rekupe­ ration) einsetzen.
Bei der bisherigen Konzeption des ISG erfolgt das Starten im neu definierten 12/36 V Bordnetz mit der höheren Spannung, da das mit 12 V unwirtschaftlich hohe Ströme zur Folge hat. Dies erfordert aber einen geladenen ersten Energiespeicher. Ist dieser leer, so wird nach einer bekannten Konzeption über einen DC/DC Konverter von der 12 V Batterie die 36 V Batterie geladen. Dieser Konverter ist teuer und der Fahrer muss ca. 10 s warten bis ausreichend Ladung vorhanden ist. Sind beide Batterien leer, so wird ein Jump-Start-Kabel verwendet. Dieses ist bei einem Spannungsbord­ netz mit zwei Spannungen problematisch. Wenn bei 12 V eingespeist wird, muss die Ladung der 36 V Batterie über den beschriebenen DC/DC Konverter erfolgen. Wenn aber 36 V angelegt werden, muss das 12 V Bordnetz über verschiedene teure Trenn­ relais abgeschaltet werden.
Zukünftig ist geplant, Öl, Wasserpumpe und Klimakompressor elektrisch anzutreiben (über getrennte E-Motoren), um unabhängig vom Verbrennungsmotor die Aggregate betreiben zu können. Dies hat aber im Vergleich zum Riemenantrieb einen erheblich schlechteren (95%) Gesamtwirkungsgrad, weil der Generator und der Elektromotor je 80% Wirkungsgrad aufweisen, was einen Gesamtwirkungsgrad von 64% zur Folge hat. Außerdem ist das Gewicht und die Kosten dieser E-Motoren beträchtlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das geplante ISG-System, bzw. das Star­ ten mit diesem System hinsichtlich der oben erwähnten Nachteile umzugestalten, das heißt zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1, 4, 5 gelöst.
In den Unteransprüche sind Weiterbildungen der Erfindung enthalten.
Anhand der Fig. 1 der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aufbau des Systems mit dem Verbrennungsmotor 1, mit einem Ge­ triebe 2 und, in einen Rahmen 3 gezeichnet, einen ISG, der aus den Hauptkompo­ nenten elektrische Maschine 4 und Steuerelektronik 5 besteht. Diese Steuerelektro­ nik 5 hat die Aufgabe die Generatorspannung über z. B. Pulswechselrichter zu er­ zeugen und in eine Starterspannung umzusetzen und zum Starten die Leistungs­ schalter entsprechend umzuschalten. Dieser ISG ist über eine Kupplung KM vom Motor und KG vom Getriebe getrennt. Diese Kupplungen KG und KM werden über elektrische oder hydraulische Stellglieder 6 von einer Elektronik 7 gesteuert, welche das gesamte Antriebsmanagement übernimmt und welche über eine Busleitung 8, z. B. CAN mit der restlichen Fahrzeugelektronik kommuniziert. Über die Ausgänge 9 werden z. B. die Zündspulen und über die Ausgänge 10 die Einspritzventile aktiviert. Das Bordnetz hat zwei Energiespeicher, z. B. eine 12 V Batterie 11 und einen großen Kondensator 12 (z. B. Ultra Cap) oder eine konventionelle Batterie 13. Dieser Kon­ densator 12 hat große Vorteile bei der Rekuperation wegen der schnellen Ladung, des guten Wirkungsgrades und der Zyklenfestigkeit. Der ISG liefert 42 V in das Netz 14. Über einen DC/DC Konverter 15 wird diese Spannung auf 12 V heruntergesetzt und lädt die Batterie 11. Das 12 V Netz ist mit einem Fremdstartstützpunkt 17 ver­ bunden.
Die Elektronik 7 ist mit beiden Netzen verbunden. Bei der Startauslösung erkennt diese Elektronik 7, ob der Energiespeicher 12 ausreichend geladen ist. Ist dies der Fall, so erfolgt das Starten des ISG mit 36 V und damit mit hoher Drehzahl und der vorteilhafteren Einspritzung und Zündung. Hierbei wird die Kupplung KM gleich beim Starten eingekuppelt.
Ist dieser Energiespeicher 12 leer, so wird mit Hilfe der 12 V Batterie gestartet. In diesem Fall kann z. B. über einen Schalter 19 abhängig vom Aufbau der Steuerelekt­ ronik 5 das 12 V Netz angeschlossen werden. Es wird hierbei nur die elektrische Ma­ schine 4 mit 12 V auf entsprechender Drehzahl gefahren und anschließend über die Kupplung KM der Motor eingekuppelt. Hierbei wird zugleich eine Einspritz- und Zündstrategie für niedrige Startdrehzahlen eingestellt. Sobald der Verbrennungsmo­ tor läuft wird das 12 V Netz wieder abgetrennt.
Ist auch der 12 V Energiespeicher leer, so ist das Fremdstartkabel 18 mit der Verbin­ dung zu einem externen Energiespeicher notwendig. Auch hier erfolgt der Start über 12 V. Der bewährte Stützpunkt 17 bleibt bestehen und es sind keine spezifischen Trennschalter notwendig. Damit sind die eingangs geschilderten Probleme gut ge­ löst.
Von der elektrischen Maschine 4 wird über Riemen oder Zahnräder eine Nebenwelle 20 angetrieben, die wiederum über schaltbare z. B. elektromagnetische Kupplungen K21 und K22/23 mit einem Klimakompressor 21, der Ölpumpe 22 und der Wasser­ pumpe 23 angekoppelt werden kann. Es kann auch jede Pumpe eine getrennte Kupplung haben. Die Aggregate sind mit den üblichen Zufuhr- und Rücklaufleitungen verbunden.
Mit dieser Anordnung können diese Aggregate 21 bis 23 beim Stillstand des Verbrennungsmotors 1 durch die elektrische Maschine 4 bei Batteriespeisung ange­ trieben werden. Hier gilt der oben erwähnte schlechtere Wirkungsgrad. Die Betriebs­ zeit ist jedoch relativ kurz. Wichtig ist, dass im Normalbetrieb diese Aggregate nahe­ zu verlustfrei über die Kupplungen KM und K21-K23 angetrieben werden. Somit ist auch das letzte oben erwähnte Problem gelöst. Mit dem Schalten der Kupplungen kann jede Kopplung von Motor, Getriebe und Nebenaggregaten erreicht werden.
Der ISG kann im Bremsfall zur Energierückgewinnung eingesetzt werden und er­ zeugt dabei ein zusätzliches Bremsmoment (rekuperatives Bremsen).
Zur Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades der Rekuperation kann der Verbrennungsmotor stillgelegt oder im Leerlauf betrieben werden. Dies ist allerdings nur sinnvoll bei warmem Motor.
Insbesondere ist es sinnvoll den Verbrennungsmotor gegen Ende des rekuperativen Bremsens im Leerlauf zu betreiben, weil anschließend beim Wiederbeschleunigen kein Zeitverzug entsteht.
Diese Anordnung erlaubt auch bei Einsatz der elektromagnetischen Ventilsteuerung ein völlig neuartiges Motorenkonzept ohne Nockenwelle und Antrieb und auch ohne Keilriemen für die Nebenantriebe. Damit ist unter anderem eine große Baulängen­ verkürzung möglich.

Claims (12)

1. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung einer elektrischen Maschine (4), die an den Verbrennungs­ motor (1) ankoppelbar (Kupplung KM) ist, wobei das Bordnetz (14) zwei elektri­ sche Speicher (11, 12) aufweist, die von der elektrischen Maschine (1) geladen werden, von denen der erste (12) eine höhere Ausgangsspannung als der zweite Speicher (11) abgibt und wobei der erste Speicher (12) bei ausreichen­ dem Speicherinhalt direkt, und der zweite Speicher (11) bei nicht ausreichen­ dem Speicherinhalt des ersten Speichers (12) zum Starten herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht ausreichendem Speicherinhalt des ersten Speichers (12) der zweite Speicher (11) direkt zum Antrieb der elektri­ schen Maschine (4) benutzt wird, wobei in der Anlaufphase der elektrischen Maschine der Verbrennungsmotor (1) abgekoppelt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten mit dem ersten Speicher (12) der Verbrennungsmotor (1) von Anfang an angekop­ pelt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Start­ phasen unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Speicher (1, 12) unterschiedliche Einspritz- und/oder Zündstrategien eingesetzt werden.
4. Anordnung zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung einer elektrischen Maschine (4), die an den Verbrennungs­ motor (1) ankoppelbar (Kupplung KM) ist, wobei das Bordnetz (14) zwei elektri­ sche Speicher (11, 12) aufweist, die von der elektrischen Maschine (1) geladen werden, von denen der erste (12) eine höhere Ausgangsspannung als der zweite Speicher (11) abgibt und wobei der erste Speicher (12) bei ausreichen­ dem Speicherinhalt direkt, und der zweite Speicher (11) bei nicht ausreichen­ dem Speicherinhalt des ersten Speichers (12) zum Starten herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel vorgesehen sind, die bei nicht aus­ reichendem Speicherinhalt des ersten Speichers (11) den zweiten Speicher di­ rekt mit der elektrischen Maschine verbinden, wobei in der Anlaufphase der elektrischen Maschine der Verbrennungsmotor (4, 1) abgekoppelt ist.
5. Anordnung zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung einer elektrischen Maschine (4), die an den Verbrennungs­ motor (1) ankoppelbar (Kupplung KM) ist, wobei das Bordnetz (14) zwei elektri­ sche Speicher (11, 12) aufweist, die von der elektrischen Maschine (1) geladen werden, von denen der erste (12) eine höhere Ausgangsspannung als der zweite Speicher (11) abgibt und wobei der erste Speicher (12) bei ausreichen­ dem Speicherinhalt direkt, und der zweite Speicher (11) bei nicht ausreichen­ dem Speicherinhalt des ersten Speichers (12) zum Starten herangezogen wird, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) mit einem zusätzlichen Antriebsstrang (20) verbindbar ist, über den Nebenaggregate (21 bis 23) antreibbar sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Motoraggre­ gate über elektrische Kupplungen getrennt an- oder abkoppelbar sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher (1) eine Bleibatterie ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicher (12) ein Kondensator, z. B. Ultra Cap ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Fremdstartstützpunkt entsprechend der Spannung des zweiten Spei­ chers vorgesehen ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) im Bremsfall zur Erzeugung eines zusätzlichen Bremsmoments und zur Energiegewinnung (rekuperatives Bremsen) eingesetzt wird.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bremsen der Verbrennungsmotor (1) angeschaltet oder abgekuppelt wird.
12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor gegen Ende des rekuperativen Bremsen abgekuppelt wird.
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