DE102007001424A1 - Verfahren zum Starten eines Kolbenmotors - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Kolbenmotors (2) eines Hybrid-Antriebes (1) in einem Elektrofahrzustand, wobei der Hybrid-Antrieb (1) zumindest den Kolbenmotor (2), einen Elektromotor (3), ein Getriebe (4) sowie eine zwischen dem Kolbenmotor (2) und dem Elektromotor (3) angeordnete Kupplung (6) umfasst. Desweiteren ist eine Wandlerüberbrückungskupplung (7) vorgesehen, welche in einen Schlupfzustand schaltbar ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird an der Wandlerüberbrückungskupplung (7) ein Schlupf eingestellt und danach eine Drehzahl des Elektromotors (3) erhöht, wobei sich ausgangsseitig der Wandlerüberbrückungskupplung (7) die Drehzahl und das Drehmoment nicht oder nur in einem vordefinierten Bereich ändert. Zum Übertragen eines Drehmomentenimpulses wird die Kupplung (6) geschlossen, so dass ein erster oberer Totpunkt der Kolben des Kolbenmotors (2) überwunden werden kann. An der Kupplung (6) wird sodann ein vordefinierter Schlupf eingestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Kolbenmotors eines Hybrid-Antriebs in einem Elektrofahrzustand. Die Erfindung betrifft außerdem einen Hybrid-Antrieb für ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens sowie ein, mit einem derartigen Hybrid-Antrieb ausgestattetes Kraftfahrzeug.
  • Hybrid-Antriebe sind eine moderne Form der Antriebstechnik in Kraftfahrzeugen und ermöglichen ein emissionsreduziertes Fahren. Bei einem Hybrid-Fahrzeug mit der Möglichkeit zum rein elektrischen Fahren, also bei einem sogenannten Full-Hybrid-Fahrzeug, muss der Kolbenmotor während des elektrischen Fahrens gestartet werden können, sofern eine, den Elektromotor übersteigende Leistungsanforderung abgedeckt werden muss. Bei einem Parallel-Hybrid-Antrieb mit einer Kupplung zwischen dem Kolbenmotor und dem Elektromotor erfolgt das Starten des Kolbenmotors durch Anschleppen desselben durch Schließen der Kupplung. Zum Start des Kolbenmotors wird dabei ein konstantes Kupplungsmoment eingestellt, welches zur Überwindung des ersten oberen Totpunktes der Kolben des Kolbenmotors mit Sicherheit ausreicht. Dabei muss der Elektromotor das anliegende Kupplungsmoment vorhalten, um ein Einbrechen der Abtriebsdrehzahl und damit ein Rucken im Fahrverhalten vermeiden zu können. Insbesondere zum Vermeiden eines derartigen Ruckens und zum Abfangen von Momentenspitzen beim Startvorgang, wird an einer Wandlerüberbrückungskupplung, welche zwischen dem Elektromotor und dem Abtriebsstrang angeordnet ist, ein geringfügiger Schlupf zugelassen. Problematisch ist dabei jedoch, dass das zum Anschleppen des Kolbenmotors notwendige Startmoment vom Elektromotor vorgehalten werden muss und daher nicht für den Antrieb des Kraftfahrzeuges zur Verfügung steht. Ein idealer Startvorgang des Kolbenmotors sollte allerdings ohne Änderung des aktuell herrschenden Fahrzustandes im Hinblick auf Geräusch-, Vibrations- und Beschleunigungsniveau erfolgen.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Verfahren zum Starten eines Kolbenmotors eines Hybrid-Antriebs in einem Elektrofahrzustand anzugeben, welches insbesondere ein weiches Starten des Kolbenmotors erlaubt.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Überwindung eines ersten oberen Verdichtungs-Totpunktes eines Kolbens eines Kolbenmotors lediglich einen kurzen Drehmomentenimpuls an der Kupplung auf und ab zu steuern. Dieser Impuls wird durch die Bauteilträgheit, d. h. die Massenträgheit, der abtriebsseitigen Komponenten einer Reibfläche der (Trenn-)Kupplung abtriebsseitig und der Reibfläche der Wandlerüberbrückungskupplung antriebsseitig inklusive eines Rotors eines Elektromotors gespeist wobei der Elektromotor vor dem Startereignis bei gleichbleibendem Abtriebsmoment auf eine höhere Drehzahl beschleunigt wird. Die Drehzahldifferenz zwischen Elektromotor einerseits und Getriebe andererseits wird durch ein Einstellen eines Schlupfes an einer zwischen dem Elektromotor und dem Getriebe angeordneten Wandlerüberbrückungskupplung erreicht, so dass abtriebsseitig des Wandlers das geforderte Abtriebsmoment zur Verfügung steht, während antriebsseitig des Wandlers der Elektromotor ein geringes Zusatzmoment zum Beschleunigen der oben genanten trägen Massen erzeugt. Dadurch ist es möglich, dass nur ein Teil des zum Starten des Kolbenmotors notwendigen Drehmomentes vom Elektromotor vorgehalten werden muss und insbesondere der Drehmomentenimpuls zum Starten des Kolbenmotors genutzt wird. Von besonderem Vorteil beim erfindungsgemäßen Verfahren ist daher, dass das zum Überwinden des ersten oberen Totpunktes erforderliche Drehmoment hauptsächlich von einer Massenträgheit des sich drehenden Rotors des Elektromotors aufgebracht wird und dass das später vom Elektromotor aufzubringende Moment nach der ersten Zündung des Kolbenmotors deutlich geringer ist und daher weniger Momentenvorhalt erfordert.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Startvorgang dadurch ausgelöst, dass ein Drehmomentenbedarf des Hybrid-Antriebes einen Schwellwert übersteigt, bei welchem ein vom Elektromotor aufbringbares Drehmoment nicht mehr dem Drehmomentenbedarf entspricht. Ein Zuschalten des Verbrennungsmotors kann notwendig sein, wenn eine Leistung des Elektromotors nicht mehr einem geforderten Leistungsniveau entspricht, was beispielsweise bei einer schwachen Batterie oder bei zu hohen geforderten Drehzahlen des Elektromotors auftreten kann. Tritt ein derartiger Betriebszustand ein, so ist zur Unterstützung des Elektromotors ein Starten des Kolbenmotors erforderlich, der dann nach dem Hochlaufen ebenfalls Drehmoment in den Antriebsstrang einspeisen und dadurch den Elektromotor unterstützen bzw. entlasten kann. Ein unkontrolliertes Starten des Elektromotors hingegen sollte jedoch ausgeschlossen sein, da dies sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht unerwünscht ist. Die Einführung des oben genannten Schwellwertes ist deshalb eine einfache und effektive Möglichkeit, den Startzeitpunkt des Kolbenmotors genau festzulegen. Dabei kann der Schwellwert je nach Auslegung des Kolben- bzw. Elektromotors auf unterschiedlichen Niveaus festgelegt werden.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebs.
  • Entsprechend 1 weist ein erfindungsgemäßer Hybrid-Antrieb 1 für ein im übrigen nicht dargestelltes Kraftfahrzeug, einen Kolbenmotor 2, welcher im weiteren auch Verbrennungsmotor 2 genannt werden kann, einen Elektromotor 3 sowie ein Getriebe 4 und einen Wandler 5 auf. Zwischen dem Kolbenmotor 2 und dem Elektromotor 3 ist dabei eine Kupplung 6, insbesondere eine Trennkupplung, angeordnet, welche im geschlossenen Zustand den Verbrennungsmotor 2 mit dem Elektromotor 3 antriebsverbindet und im geöffneten Zustand einen abtriebsseitig des Verbrennungsmotors 2 gelegenen Teil des Antriebsstranges vom Verbrennungsmotor 2 entkoppelt. Zwischen dem Elektromotor 3 und dem Getriebe 4 ist oben erwähnter Wandler 5 angeordnet, wobei der Wandler 5 antriebsseitig eine Wandlerüberbrückungskupplung 7 aufweist. Zwischen der Wandlerüberbrückungskupplung 7 und einem Rotor 9 des Elektromotors 3 kann dabei noch ein Axialdehnungselement 8 angeordnet sein, beispielsweise in Form einer Blechscheibe, welches Axialdehnungen insbesondere des Wandlers 5 aufnehmen kann und dadurch eine Spannungsbelastung des Antriebsstranges reduziert. Ein abtriebsseitiger Teil der Kupplung 6, der Elektromotor 3 sowie die Wandlerüberbrückungskupplung 7 können dabei zusammengefasst auch als Hybrid-Modul 10 bezeichnet werden.
  • Der gemäß 1 gezeigte Hybrid-Antrieb 1 ist dabei als sogenannter Parallel-Hybrid-Antrieb 1 ausgebildet, so dass der Kolbenmotor 2 und der Elektromotor 3 nicht nur alternativ, sondern auch kummulativ Drehmoment in das Getriebe 4 einleiten können. Eine kummulative Einleitung von Drehmoment ist dabei insbesondere in einem Boost-Betriebszustand erwünscht, in welchem eine separate Leistung des Verbrennungsmotors 2 bzw. des Elektromotors 3 einem geforderten Leistungsbedarf nicht gerecht wird. Desweiteren handelt es sich bei dem Hybrid-Antrieb 1 gemäß der 1 vorzugsweise um einen sogenannten Full-Hybrid-Antrieb, bei welchem neben einem rein verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb auch ein rein elektrischer Fahrbetrieb möglich ist. Beim rein elektrischen Fahren ist dabei der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet und wird lediglich bei einer erhöhten Leistung, bzw. bei einem Erreichen eines unteren Grenzwertes der Leistungsfähigkeit einer Batterie, ab welchem das rein elektrische Fahren nicht mehr möglich ist, zugeschaltet. Um dieses Zuschalten des Verbrennungsmotors 2 möglichst weich, d. h. vorzugsweise ruck-, geräusch- und vibrationsfrei ausführen zu können, ist eine Steuereinrichtung 11 vorgesehen, welche zumindest mit dem Verbrennungsmotor 2, der Kupplung 6 und dem Elektromotor 3 bzw. dem Wandler 5 und insbesondere der Wandlerüberbrückungskupplung 7 verbunden ist.
  • Sowohl die Kupplung 6 als auch die Wandlerüberbrückungskupplung 7 sind dabei in einen Schlupfzustand schaltbar, in welchem sie ein reduziertes oder gar kein Drehmoment übertragen.
  • Im folgenden soll ein von der Steuereinrichtung 11 steuerbares bzw. initiierbares Verfahren zum Starten des Kolbenmotors 2 des Hybrid-Antriebs 1 in einem Elektrofahrzustand erläutert werden:
    Das Auslösen des Startvorganges des Verbrennungsmotors 2 erfolgt dabei dadurch, dass ein Drehmomentenbedarf des Fahrers einen definierten Schwellwert übersteigt, bei welchem ein vom Elektromotor 3 allein aufbringbares Drehmoment nicht mehr dem geforderten Drehmomentenbedarf entspricht. Tritt dieser Zustand ein, so wird ein Schlupf an der Wandlerüberbrückungskupplung 7 eingestellt, und die Drehzahl des Elektromotors 3 von einer Ausgangsdrehzahl auf eine Starterdrehzahl erhöht und zwar derart, dass sich ausgangsseitig der Wandlerüberbrückungskupplung 7 die Drehzahl und das übertragene Moment nicht oder nur in einem vordefinierten Bereich ändert. Dies bewirkt, dass ausgangsseitig des Wandlers 5 an dem Getriebe 4 eine auch während des Startvorgangs des Verbrennungsmotors 2 konstante Drehzahl bzw. ein konstantes Antriebsmoment zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Hat der Elektromotor 3 seine Starterdrehzahl erreicht, so wird an der zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 3 angeordneten Kupplung 6 schnell auf- und abgesteuert, wobei ein zum Überwinden eines ersten oberen Zünd-Totpunktes eines Kolbens des Kolbenmotors 2 ausreichender Drehmomentenimpuls an den Kolbenmotor 2 übertragen wird. Dieser Drehmomentenimpuls wird dabei von der Massenträgheit des sich drehenden Rotors 9 des Elektromotors 3 erzeugt. Damit wird ein Hauptziel der Erfindung, nämlich einen notwendigen Momentenvorhalt des Elektromotors 3 zum Starten des Verbrennungsmotors 2 zu reduzieren und einen größeren elektrischen Fahrbereich zur Verfügung zu stellen erreicht. Der Kolbenmotor 2 wird somit beim oder nahe dem Überwinden des ersten oberen Zünd-Totpunktes gestartet. Nach Überwinden des vorgenannten Totpunktes wird ein vordefinierter Schlupf und damit ein niedriges vordefiniertes Drehmoment an der Kupplung 6 eingestellt, und zwar derart, dass der Elektromotor 3 bei Erreichen seiner Ausgangsdrehzahl einerseits das Hochlaufen des Kolbenmotors 2 unterstützt und andererseits ein positives Drehmoment an die Wandlerüberbrückungskupplung 7 überträgt. Dabei wird der Schlupf der Wandlerüberbrückungskupplung 7 soweit reduziert, dass sich ausgangsseitig derselben die Drehzahl und das Drehmoment nicht oder nur in einem vordefinierten Bereich ändert.
  • Aufgrund der nach dem Überwinden des ersten oberen Totpunktes gestarteten Zündvorgänge im Verbrennungsmotor 2 bedarf dieser zum weiteren Hochlaufen lediglich eines im Vergleich zum Startmoment geringeren weiteren Anschleppmomentes, welches problemlos vom Elektromotor 3 zur Verfügung gestellt werden kann. Haben der Kolbenmotor 2 und der Elektromotor 3 eine synchrone Drehzahl erreicht, so kann die Kupplung 6 vollständig geschlossen werden. Dabei ist denkbar, dass vor dem vollständigen Schließen der Kupplung 6 eine Drehzahl des Elektromotors 3 reduziert und dadurch ein Überschwingen verhindert wird. Nach dem vollständigen Schließen der Kupplung 6 kann auch der Schlupf in der Wandlerüberbrückungskupplung 7 aufgehoben werden und damit das vom Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 3 kummulativ erzeugte Drehmoment in den Antriebsstrang eingespeist werden.
  • Vor dem Auslösen des Startvorganges, d. h. vor dem Einstellen des Schlupfes an der Wandlerüberbrückungskupplung 7 wird dabei eine nicht näher bezeichnete Gangwechselsperre aktiviert, welche insbesondere bei einem als automatischen Getriebe ausgebildeten Getriebe 4 einen Schaltvorgang verhindern soll, was einen Startvorgang des Verbrennungsmotors 2 stören würde. Ist der Verbrennungsmotor 2 gestartet und hochgelaufen und sind sowohl die Kupplung 6 als auch die Wandlerüberbrückungskupplung 7 geschlossen, so kann auch die Gangwechselsperre wieder deaktiviert werden.
  • Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor dem eigentlichen Übertragen des Drehmomentenimpulses der Kolben des Kolbenmotors 2 an den ersten oberen Totpunkt herangedreht. Ein derartiges Herandrehen kann beispielsweise von der Steuereinrichtung 11 kurz vor Beginn des Startvorganges durch Vorgabe eines geringen Kupplungsmomentes veranlasst werden.
  • Da die Abläufe während der Startphase des Kolbenmotors 2 sehr zeitkritisch sind, sollten Totzeiten bei der Übermittlung von Signalen unbedingt vermieden werden. Derartige Totzeiten können beispielsweise durch CAN-Laufzeiten, Rechenzeiten sowie Abtastfrequenzen von Sensoren etc. verursacht werden. Idealerweise sind deshalb die Steuerung aller beteiligten Komponenten sowie eine direkte Schnittstelle für alle Sensorsignale in der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 11 zusammengefasst.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Starten eines Kolbenmotors (2) eines Hybrid-Antriebs (1) in einem Elektrofahrzustand, wobei der Hybrid-Antrieb (1) zumindest den Kolbenmotor (2), einen Elektromotor (3), ein Getriebe (4), eine zwischen dem Kolbenmotor (2) und dem Elektromotor (3) angeordnete Kupplung (6) und eine Wandlerüberbrückungskupplung (7) umfasst, wobei die Wandlerüberbrückungskupplung (7) zwischen dem Elektromotor (3) und dem Getriebe (4) angeordnet ist und in einen Schlupfzustand schaltbar ist, in welchem sie ein reduziertes oder kein Drehmoment vom Elektromotor (3) an das Getriebe (4) überträgt, – bei dem ein Schlupf an der Wandlerüberbrückungskupplung (7) eingestellt wird, – bei dem die Drehzahl des Elektromotors (3) von einer Ausgangsdrehzahl auf eine Starterdrehzahl erhöht und eingestellt wird, derart, dass sich ausgangsseitig der Wandlerüberbrückungskupplung (7) die Drehzahl und das Drehmoment nicht oder nur in einem vordefinierten Bereich ändert, – bei dem an der zwischen dem Kolbenmotor (2) und dem Elektromotor (3) angeordneten Kupplung (6) ein Moment schnell auf- und abgesteuert wird, derart, dass ein zum Überwinden eines ersten oberen Totpunktes der Kolben des Kolbenmotors (2) ausreichender Drehmomentenimpuls an den Kolbenmotor (2) übertragen wird, – bei dem der Start des Kolbenmotors (2) beim oder nah dem Überwinden des ersten oberen Totpunktes eingeleitet wird, – bei dem ein vordefinierter Schlupf und damit ein vordefiniertes Drehmoment an der Kupplung (6) eingestellt wird, derart, dass der Elektromotor (3) bei Erreichen seiner Ausgangsdrehzahl einerseits das Hochlaufen des Kolbenmotors (2) unterstützt und andererseits ein positives Drehmoment an die Wandlerüberbrückungskupplung (7) überträgt, wobei der Schlupf der Wandlerüberbrückungskupplung (7) soweit reduziert wird, dass sich ausgangsseitig der Wandlerüberbrückungskupplung (7) die Drehzahl und das Drehmoment nicht oder nur in einem vordefinierten Bereich ändert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang dadurch ausgelöst wird, dass ein Drehmomentenbedarf des Hybrid-Antriebs (1) einen Schwellwert übersteigt, bei welchem ein vom Elektromotor (3) allein aufbringbares Drehmoment nicht mehr dem Drehmomentenbedarf entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einstellen des Schlupfes an der Wandlerüberbrückungskupplung (7) eine Gangwechselsperre aktiviert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (6) beim Erreichen einer synchronen Drehzahl des Kolbenmotors (2) und des Elektromotors (3) vollständig geschlossen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem vollständig Schließen der Kupplung (6) eine Drehzahl des Elektromotors (3) reduziert und dadurch ein Überschwingen der Drehzahl des Kolbenmotors (2) verhindert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass nach dem vollständig Schließen der Kupplung (6) der Schlupf in der Wandlerüberbrückungskupplung (7) aufgehoben wird, und/oder – dass nach dem vollständig Schließen der Kupplung (6) die Gangwechselsperre deaktiviert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen eines Boost-Betriebszustandes nach dem vollständig Schließen der Kupplung (6) der Elektromotor (3) ebenfalls ein Drehmoment erzeugen kann.
  8. Hybrid-Antrieb (1) für ein Kraftfahrzeug, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, welche zumindest mit dem Kolbenmotor (2), dem Elektromotor (3), der Kupplung (6) und der Wandlerüberbrückungskupplung (7) verbunden ist, – dass die Steuereinrichtung (11) so ausgebildet ist, dass sie – einen Schlupf an der Wandlerüberbrückungskupplung (7) einstellt, – die Drehzahl des Elektromotors (3) von einer Ausgangsdrehzahl auf eine Starterdrehzahl erhöht und einstellt, derart, dass sich ausgangsseitig der Wandlerüberbrückungskupplung (7) die Drehzahl und das Drehmoment nicht oder nur in einem vordefinierten Bereich ändert, – an der zwischen dem Kolbenmotor (2) und dem Elektromotor (3) angeordneten Kupplung (6) ein Moment schnell auf- und abgesteuert wird, derart, dass ein zum Überwinden eines ersten oberen Totpunktes der Kolben des Kolbenmotors (2) ausreichender Drehmomentenimpuls an den Kolbenmotor (2) übertragen wird, – den Startvorgang des Kolbenmotors (2) beim oder nah dem Überwinden des ersten oberen Totpunktes einleitet, – einen vordefinierter Schlupf und damit ein vordefiniertes Drehmoment an der Kupplung (6) einstellt, derart, dass der Elektromotor (3) bei Erreichen seiner Ausgangsdrehzahl einerseits das Hochlaufen des Kolbenmotors (2) unterstützt und andererseits ein positives Drehmoment an die Wandlerüberbrückungskupplung (7) überträgt, wobei der Schlupf der Wandlerüberbrückungskupplung (7) soweit reduziert wird, dass sich ausgangsseitig der Wandlerüberbrückungskupplung (7) die Drehzahl und das Drehmoment nicht oder nur in einem vordefinierten Bereich ändert.
  9. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) so ausgebildet ist, dass sie die Kolben des Kolbenmotors (2) vor der Übertragung des Drehmomentenimpulses an den ersten oberen Totpunkt herandreht.
  10. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine antriebsseitige Drehzahl der Wandlerüberbrückungskupplung (7) beim Startvorgang des Kolbenmotors (2) stets größer ist als eine abtriebsseitige Drehzahl der Wandlerüberbrückungskupplung (7).
  11. Kraftfahrzeug mit einem Hybrid-Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
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