DE102007005241A1

DE102007005241A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vorhersage einer Startfähigkeit eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102007005241A1
Application number: DE102007005241A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Keilhofer; Ralf Dipl.-Ing. Ziesenis
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage einer Startfähigkeit eines mittels einer elektrischen Maschine (2) startbaren Verbrennungsmotors (1), bei dem mindestens ein Kennwert (K) ermittelt, aus mindestens einem der Kennwerte (K) und/oder einem ersten gespeicherten Kennfeld ein maximales durch die elektrische Maschine (2) über eine vorgegebene Zeitspanne ausübbares Drehmoment (M_max) und aus mindestens einem der Kennwerte (K) und/oder einem zweiten gespeicherten Kennfeld ein zu erwartendes minimales Startschleppmoment (M_start) des Verbrennungsmotors (2) bestimmt und durch Vergleich des ausübbaren Drehmoments (M_max) mit dem Startschleppmoment (M_start) ein Start des Verbrennungsmotors (1) als möglich oder nicht möglich klassifiziert und/oder die Startdrehzahl (N) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorhersage einer Startfähigkeit eines Verbrennungsmotors.
Beim Starten von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen mittels elektrischer Maschinen finden, insbesondere bei Hybridantrieben, zur Emissionsreduzierung zunehmend so genannte Hochdrehzahlstarts Anwendung. Ein Hochdrehzahlstart ist durch eine höhere Startdrehzahl, beispielsweise im Bereich zwischen 750 min^–1 und 800 min^–1, gekennzeichnet, die gewöhnlich leicht über einer Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors liegt.
Bei einem herkömmlichen Start, beispielsweise mittels eines Anlassers, werden vor dem Zünden des Verbrennungsmotors gewöhnlich Drehzahlen im Bereich von 100 min^–1 bis 150 min^–1 erreicht, bei kaltem Verbrennungsmotor gegebenenfalls auch noch geringere Drehzahlen von z. B. 50 min^–1. Ein solcher Hochdrehzahlstart stellt erhöhte Anforderungen an die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine, die von einem Ladezustand der Batterie abhängen kann.
Aus der DE 103 17 524 A1 ist ein Verfahren zur Vorhersage der Startfähigkeit eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und einem Starter, der von einer Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgt wird, bekannt, bei dem ein aktueller Ladezustand der Fahrzeugbatterie und eine während einer vorgegebenen Zeitdauer aus der Fahrzeugbatterie entnommenen Ladung ermittelt und zur Berechnung eines Ladezustands nach der vorgegebenen Zeitdauer verwendet und daraus eine Startfähigkeit des Verbrennungsmotors nach der vorgegebenen Zeitdauer prognostiziert wird. Mit diesem Verfahren ist zwar für einen künftigen Zeitpunkt eine Startfähigkeit generell abschätzbar, es erlaubt jedoch keine Prognose über die Möglichkeit eines Starts bei verschiedenen Startdrehzahlen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Vorhersage einer Startfähigkeit eines Verbrennungsmotors anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vorhersage einer Startfähigkeit eines mittels einer elektrischen Maschine startbaren Verbrennungsmotors wird mindestens ein Kennwert ermittelt. Aus mindestens einem der Kennwerte und/oder einem ersten gespeicherten Kennfeld wird dann ein maximales durch die elektrische Maschine über eine vorgegebene Zeitspanne ausübbares Drehmoment und aus mindestens einem der Kennwerte und/oder einem zweiten gespeicherten Kennfeld ein zu erwartendes minimales Startschleppmoment des Verbrennungsmotors bestimmt. Durch Vergleich des ausübbaren Drehmoments mit dem Startschleppmoment wird ein Start des Verbrennungsmotors als möglich oder nicht möglich klassifiziert und/oder die mögliche Startdrehzahl bestimmt. Ist das ausübbare Drehmoment bei jeder Startdrehzahl kleiner als das entsprechende Startschleppmoment, ist ein Start des Verbrennungsmotors nicht möglich. Andernfalls ist der Start möglich, jedoch gegebenenfalls nur bis zu einer bestimmten Startdrehzahl. Die vorgegebene Zeitspanne ist die Zeit, über die die elektrische Maschine die maximale Leistung und/oder das maximale Drehmoment erbringen kann. Mit dieser Vorgehensweise ist es möglich, im Vorfeld des Starts des Verbrennungsmotors zu entscheiden, ob ein Start möglich ist und/oder welche mögliche Startdrehzahl dabei zur Verfügung steht.
Vorzugsweise beschreibt mindestens einer der Kennwerte einen Ladezustand einer die elektrische Maschine speisenden Batterie. Darüber hinaus können eine elektrische Spannung der Batterie und/oder ein elektrischer Strom ermittelt werden. Ist der Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug angeordnet, sind auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor elektrische Verbraucher aktiv, die der Batterie einen elektrischen Strom entnehmen. Aus dem elektrischen Strom und der elektrischen Spannung kann, insbesondere unter Zuhilfenahme einer Batterietemperatur als weiterem Kennwert, der Ladezustand der Batterie abgeleitet werden. Aus dem Ladezustand ist eine maximale Leistung und bei Vorgabe einer Startdrehzahl ein maximales Drehmoment ableitbar, das die elektrische Maschine abgeben kann. Hierzu kann ein erstes Kennfeld zu Hilfe genommen werden, in dem ein maximaler Strom der Batterie und/oder deren maximale Leistung in Abhängigkeit vom Ladezustand und gegebenenfalls weiteren Kennwerten, wie der Batterietemperatur, nachgebildet und gespeichert sind. Das Kennfeld ist vorzugsweise spezifisch für den verwendeten Batterietyp.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine sowie die Drehmoment- und/oder Leistungskennlinie der elektrischen Maschine gespeichert sein und bei der Berechnung der maximalen, von der elektrischen Maschine erbringbaren Leistung bei einer vorgegebenen Drehzahl und dem ermittelten Ladezustand berücksichtigt werden.
Das Startschleppmoment des Verbrennungsmotors ist das Drehmoment, das der Verbrennungsmotor einem Startversuch an seiner Kurbelwelle bei einer bestimmten Drehzahl infolge Kompression, Reibung und Antrieb von Nebenaggregaten wie Ölpumpe, Wasserpumpe etc. bis zum Anspringen entgegensetzt. Das Startschleppmoment kann von einer Motortemperatur abhängen, die daher bevorzugt als ein weiterer Kennwert ermittelt wird. Ebenso kann ein zweites Kennfeld gespeichert sein, das zur Ermittlung des Startschleppmoments in Abhängigkeit von der Startdrehzahl und/oder anderer Kennwerte, wie der Motortemperatur, berücksichtigt werden kann.
Als Kennwert wird bevorzugt auch eine Außentemperatur ermittelt. Anhand der Außentemperatur lässt sich beispielsweise eine Aussage über eine Tendenz der Motortemperatur oder der Batterietemperatur bestimmen, um eine Prognose über die Startfähigkeit zu einem späteren Zeitpunkt erstellen zu können. Anhand des aus der Batterie entnommenen Stroms kann auch ein künftiger Ladezustand prognostiziert werden. Batterietemperatur, Außentemperatur und/oder Motortemperatur werden bevorzugt mit jeweiligen Temperatursensoren ermittelt.
Eine Bestimmung des ausübbaren Drehmoments und/oder des Startschleppmoments erfolgt vorzugsweise für mindestens zwei verschiedene Startdrehzahlen, insbesondere für je eine Startdrehzahl eines Normalstarts und eines Hochdrehzahlstarts. Ein Hochdrehzahlstart führt zu einer schnellen Evakuierung eines dem Verbrennungsmotor vorgelagerten Saugrohrs und somit zu einer besseren Gemischbildung und infolgedessen einer Reduktion der Emissionen. Der Hochdrehzahlstart ist daher die bevorzugte Startart.
Das Verfahren ist bevorzugt in einer Vorrichtung zur Steuerung eines Starts eines Verbrennungsmotors implementiert. Diese umfasst mindestens eine Einrichtung zur Erfassung mindestens eines Kennwerts und eine Vorhersageeinheit. Die Vorhersageeinheit kann in eine vorhandene Motorsteuerung oder ein anderes Steuergerät integriert sein. Sie hat Zugriff auf von der oder den Einrichtungen erfasste Kennwerte und die gegebenenfalls gespeicherten ersten und/oder zweiten Kennfelder, anhand derer sie das maximale Drehmoment der elektrischen Maschine und das Startschleppmoment des Verbrennungsmotors ermittelt und durch Vergleich eine mögliche Startart und/oder die Startbarkeit des Verbrennungsmotors und/oder die Startdrehzahl bestimmt. Die elektrische Maschine kann ebenfalls beim Start durch die Vorhersageeinheit steuerbar sein.
Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um einen Kurbelwellen-Starter-Generator, insbesondere Hochvolt-Starter-Generator bzw. die elektrische Maschine eines Hybridantriebs. Jedoch kann auch eine andere elektrische Maschine verwendet werden, die den Verbrennungsmotor auf die gewünschten Drehzahlen beschleunigen kann. Ebenso ist eine Anbindung an die Kurbelwelle über beispielsweise einen Riemen möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Antriebsanordnung mit einem Verbrennungsmotor, einer elektrischen Maschine und einer Vorrichtung zur Steuerung des Starts des Verbrennungsmotors.
In 1 ist eine schematische Ansicht einer Antriebsanordnung mit einem Verbrennungsmotor 1, einer elektrischen Maschine 2 und einer Vorrichtung 4 zur Steuerung des Starts des Verbrennungsmotors 1 und zur Bestimmung einer Startdrehzahl N des Verbrennungsmotors 1 gezeigt. Der Verbrennungsmotor 1 kann mittels einer elektrischen Maschine 2 gestartet werden, die drehmomentübertragend mit einer Kurbelwelle 3 des Verbrennungsmotors 1 verbunden ist. Eine Vorrichtung 4 zur Steuerung des Starts des Verbrennungsmotors 1 umfasst Einrichtungen 5.1 bis 5.n zur Erfassung von Kennwerten K und eine Vorhersageeinheit 6.
Als Einrichtungen 5.1 bis 5.n sind beispielsweise folgende Messwerterfassungseinrichtungen vorgesehen:

– Temperatursensoren zur Erfassung von Kennwerten K, wie z. B. Motortemperatur, Batterietemperatur und/oder Außentemperatur, und/oder
– Spannungs- und/oder Strommesser zur Erfassung weiterer Kennwerte K, wie beispielsweise Spannung und/oder Strom an einer Batterie 7, die die elektrische Maschine 2 mit elektrischer Energie versorgt.

Die Vorhersageeinheit 6 hat Zugriff auf diese Kennwerte K und prognostiziert daraus ein maximales ausübbares Drehmoment M_max, das die elektrische Maschine 2 bei einer bestimmten Startdrehzahl N über einen vorgegebenen Zeitraum von beispielsweise einer Sekunde erbringen kann. Hierzu kann ein erstes Kennfeld in der Vorhersageeinheit 6 gespeichert sein, aus dem sich für bestimmte Kennwerte K, wie die Spannung an der Batterie 7, den aus der Batterie 7 entnommenen Strom und die Batterietemperatur, ein Ladezustand der Batterie 7 ermitteln lässt, aus dem ein maximaler Strom I_max, eine Spannung U_Imax der Batterie 7 bei diesem maximalen Strom I_max und so eine maximale Leistung P_max bestimmbar ist, die die elektrische Maschine 2 beim Start aufnimmt bzw. abgibt.
Vorteilhafterweise werden bzw. wird ein beispielsweise in der Vorhersageeinheit 6 gespeicherter Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 2 und/oder deren Drehmoment- und/oder Leistungskennlinie berücksichtigt, die eine Beziehung zwischen aufgenommener und abgegebener Leistung der elektrischen Maschine 2 beschreiben.
Die maximale Leistung P_max der elektrischen Maschine 2 ergibt sich aus dem maximalen Drehmoment M_max und der Startdrehzahl N. Das maximale Drehmoment M_max wird mit einem minimalen Startschleppmoment M_start verglichen, das der Verbrennungsmotor 1 einem Anlassversuch an der Kurbelwelle 3 bei der Startdrehzahl N entgegensetzt. Hierzu kann als Kennwert K beispielsweise die Motortemperatur berücksichtigt werden. Desgleichen kann ein zweites Kennfeld in der Vorhersageeinheit 6 gespeichert sein, das beispielsweise einen Zusammenhang zwischen der Motortemperatur, der Startdrehzahl N und dem Startschleppmoment M_start beschreibt.
Der Vergleich des maximalen ausübbaren Drehmoments M_max mit dem Startschleppmoment M_start für verschiedene Startdrehzahlen N führt zu einer von der Vorhersageeinheit 6 ermittelten Entscheidung, ob und bei welcher Startdrehzahl N ein Start möglich ist. Insbesondere wird mittels der Vorhersageeinheit 6 ein möglicher Start des Verbrennungsmotors 1 zwischen einer Normaldrehzahl N_N, bei der die Kurbelwelle 3 mit etwa 100 min^–1 bis 150 min^–1 gedreht wird, und einer Hochdrehzahl N_H, bei der die Kurbelwelle 3 mit einer gegenüber der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors 1 leicht erhöhten Drehzahl von beispielsweise 750 min^–1 bis 850 min^–1 gedreht wird, klassifiziert. Die Normaldrehzahl N_N oder die Hochdrehzahl N_H wird mittels der Vorhersageeinheit 6 entsprechend vorgegeben. Die Vorhersageeinheit 6 übernimmt die Steuerung der so bestimmten Startart Normalstart bzw. Hochdrehzahlstart für den Verbrennungsmotor 2. Alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung, ob ein Start möglich ist und in welcher Startart, kann mittels der Vorhersageeinheit 6 bestimmt werden, welche Startdrehzahl zur Verfügung steht.
Die Vorhersageeinheit 6 kann in ein Steuergerät eines Fahrzeugs, z. B. einem Motorsteuergerät, integriert sein.
Die Startdrehzahlen N für Normalstart und Hochdrehzahlstart können in von der Beschreibung des Ausführungsbeispiels abweichenden Bereichen liegen.
Mithilfe von aktuellen und/oder gespeicherten Kennwerten K, z. B. Spannung, Strom, Batterietemperatur, Motortemperatur und/oder Außentemperatur, kann eine Prognose der Startfähigkeit und/oder der Startart für einen späteren Zeitpunkt gestellt werden. Auch kann eine Analyse von durchgeführten Starts ausgeführt werden.

1: Verbrennungsmotor
2: elektrische Maschine
3: Kurbelwelle
4: Vorrichtung zur Steuerung des Starts des Verbrennungsmotors
5.1 bis 5.n: Einrichtung zur Erfassung von Kennwerten
6: Vorhersageeinheit
7: Batterie
I_max: maximaler Strom
K: Kennwert
M_max: maximales Drehmoment
M_start: minimales Startschleppmoment
N: Startdrehzahl
N_H: Hochdrehzahl
N_N: Normaldrehzahl
P_max: maximale Leistung
U_Imax: Spannung bei I_max

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 10317524 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Vorhersage einer Startfähigkeit eines mittels einer elektrischen Maschine (2) startbaren Verbrennungsmotors (1), bei dem mindestens ein Kennwert (K) ermittelt, aus mindestens einem der Kennwerte (K) und/oder einem ersten gespeicherten Kennfeld ein maximales durch die elektrische Maschine (2) über eine vorgegebene Zeitspanne ausübbares Drehmoment (M_max) und aus mindestens einem der Kennwerte (K) und/oder einem zweiten gespeicherten Kennfeld ein zu erwartendes minimales Startschleppmoment (M_start) des Verbrennungsmotors (1) bestimmt und durch Vergleich des ausübbaren Drehmoments (M_max) mit dem Startschleppmoment (M_start) ein Start des Verbrennungsmotors (1) als möglich oder nicht möglich klassifiziert und/oder die Startdrehzahl (N) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Kennwert (K) ein Ladezustand einer die elektrische Maschine (2) speisenden Batterie (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Kennwert (K) eine elektrische Spannung der Batterie (7) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Kennwert (K) ein der Batterie (7) entnommener elektrischer Strom ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennwert (K) eine Außentemperatur und/oder eine Motortemperatur und/oder eine Batterietemperatur ermittelt werden bzw. wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung des ausübbaren Drehmoments (M_max) und/oder des Startschleppmoments (M_start) für mindestens zwei verschiedene Startdrehzahlen (N) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung des ausübbaren Drehmoments (M_max) und/oder des Startschleppmoments (M_start) für je eine Startdrehzahl eines Normalstarts (N_N) und eines Hochdrehzahlstarts (N_H) erfolgt.
Vorrichtung (4) zur Steuerung eines Starts eines Verbrennungsmotors (1) mittels einer elektrischen Maschine (2), umfassend mindestens eine Einrichtung (5.1 bis 5.n) zur Erfassung mindestens eines Kennwerts (K) und eine Vorhersageeinheit (6), wobei mittels der Vorhersageeinheit (6) anhand mindestens einem der Kennwerte (K) und/oder eines in der Vorhersageeinheit (6) gespeicherten ersten Kennfeldes ein maximales durch die elektrische Maschine (2) über eine vorgegebene Zeitspanne ausübbares Drehmoment (M_max) und anhand mindestens einem der Kennwerte (K) und/oder eines gespeicherten zweiten Kennfeldes ein zu erwartendes minimales Startschleppmoment (M_start) des Verbrennungsmotors (1) bestimmbar sind, wobei mittels der Vorhersageeinheit (6) das Startschleppmoment (Mstart) mit dem ausübbaren Drehmoment (M_max) vergleichbar ist, aus diesem Vergleich ein Start des Verbrennungsmotors (1) als möglich oder nicht möglich klassifizierbar und/oder eine Startdrehzahl (N, N_N, N_H) vorgebbar und/oder die elektrische Maschine (2) dementsprechend steuerbar ist.
Vorrichtung (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie (7) zur Speisung der elektrischen Maschine (2) vorgesehen ist und durch mindestens einen der Kennwerte (K) ein Ladezustand der Batterie (7) beschreibbar ist.
Vorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (5.1 bis 5.n) zur Erfassung eines Kennwerts (K) mindestens ein Temperatursensor zur Ermittlung einer Außentemperatur und/oder einer Motortemperatur und/oder einer Batterietemperatur vorgesehen ist.
Vorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (5.1 bis 5.n) zur Erfassung eines Kennwerts (K) mindestens ein Spannungsmesser und/oder ein Strommesser, vorzugsweise zur Messung der Spannung und/oder des Stroms einer Batterie (7), vorgesehen sind bzw. ist.