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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion
von Vibrationen beim Abstellen oder Starten von Motoren, insbesondere
von Verbrennungskraftmaschinen mit Direktstarteinrichtungen für
Kraftfahrzeuge.
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Stand der Technik
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Zu
den wesentlichen Komfortanforderungen, die an moderne Kraftfahrzeuge
gestellt werden, gehört eine möglichst umfassende
Geräusch- und Vibrationsdämpfung, was die Verringerung,
Dämpfung oder Verhinderung der Einleitung von Vibrationen, die
von einer als Triebwerk z. B. verwendeten Verbrennungskraftmaschine
ausgehen, einschließt. Zu diesem Zweck sind Motorlager
mit bestimmten Dämpfungseigenschaften ausgelegt, um zumindest Vibrationen,
die mit bestimmten Frequenzen und Amplituden während des
regulären Motorbetriebes auftreten, optimal zu dämpfen.
Derart ausgelegte Motorlager sind jedoch in der Regel nicht in der
Lage, Vibrationen zu dämpfen, die mit deutlich abweichenden Frequenzen
und Amplituden auftreten, wie das beispielsweise während
des Startens und/oder Abstellens einer Verbrennungskraftmaschine
der Fall sein kann. Besonders starke Abweichungen gegenüber dem
Normalbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine ergeben sich bei Vibrationen
während des Startens oder Abstellens von Verbrennungskraftmaschinen,
die über Direktstarteinrichtungen verfügen, was im
Folgenden kurz erläutert wird.
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Es
sind verschiedene Verfahren bekannt, wie eine Verbrennungskraftmaschine
ohne Anlasser bzw. nur mit geringer Anlasserunterstützung
gestartet werden kann. Diese Verfahren werden gewöhnlich
als Direktstart bzw. starterunterstützter Direktstart bezeichnet.
Eines dieser Verfahren umfasst einen herkömmlichen Direktstart
mit einer vorgeschalteten Rückdrehphase, der so genannte
erweiterte Direktstart (
DE
19955857 A1 ). Alle Varianten des Direktstarts haben gemeinsam,
dass bei hohen Motortemperaturen die Füllung in den Zylindern
eine geringe Luftmasse mit zum Teil hohem Restgasgehalt aufweist.
Dies wird durch ein aktives Schließen der Motordrosselklappe
beim Auslauf der Verbrennungskraftmaschine zur Vermeidung von zu
starken Motorvibrationen zusätzlich unterstützt,
da in der Ventilüberschneidungsphase ein negatives Druckverhältnis von
den Auslass- zu den Einlassventilen vorherrscht, wodurch vermehrt
Restgas aus den Abgaskrümmern beispielsweise in das Saugrohr
einströmt. Dem kann entgegengewirkt werden, indem ein Verfahren
zur gezielten Auslaufsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine verwendet
wird, in dem durch ein aktives Öffnen der Drosselklappe
beim Motorauslauf der Restgaseinfluss minimiert wird. Zusätzlich
kann ein elektrischer Verdichter eingesetzt werden, um das Restgas
mittels Überdruck gezielt aus den Zylindern auszuspülen.
Durch das Öffnen der Drosselklappe bzw. das Ausspülen
mit Überdruck werden jedoch Motorvibrationen durch die
erhöhte Kolbenverdichtung in der Auslaufphase der Verbrennungskraftmaschine
wieder deutlich verstärkt. Diese werden über herkömmliche
Motorlager auf die Fahrgastkabine übertragen, was weder
seitens der Hersteller noch der Endkunden akzeptiert wird. Auch
bei einem auf ein derart gesteuertes Abstellen der Verbrennungskraftmaschine
folgendes Starten der Verbrennungskraftmaschine, z. B. im Start-Stopp
Betrieb, durch eine der angesprochenen Direktstartvarianten wird die
Verbrennungskraftmaschine z. T. sehr stark in Schwingungen versetzt,
da die Verbrennungen in den beiden zuerst gezündeten Zylindern
im Gegensatz zu einem herkömmlichen anlassergeführten Start
jeweils eine Volllastverbrennung darstellen, welche die Kolben in
der Verbrennungskraftmaschine sehr stark beschleunigen. Gerade beim
erweiterten Direktstart mit vorgeschalteter Rückdrehphase, sind
diese Vibrationen sehr stark ausgeprägt.
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Es
wurde versucht, diese Schwingungen durch eine Spätverstellung
des Zündwinkels teilweise abzuschwächen. Nachteil
dieses Verfahrens ist jedoch, dass dadurch eine geforderte Startzeit
häufig nicht erreicht werden kann, da die Schwerpunktlage der
Verbrennungen gezielt verschlechtert wird. Es besteht also ein Zielkonflikt
zwischen einem mög fichst schnell erfolgenden Direktstart
und einem möglichst schwingungsarm erfolgenden Direktstart,
der bei der Auswahl des bevorzugten Direktstartverfahrens zu berücksichtigen
ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Obwohl
die Erfindung grundsätzlich auf alle Betriebszustände
von Motoren anwendbar ist, die sich durch ein gegenüber
dem Normalbetrieb stark abweichendes Schwingungsverhalten auszeichnen, wird
die Erfindung fortan im Hinblick auf direkt startbare Verbrennungskraftmaschinen
während des Starten bzw. Abstellens erläutert.
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Der
Zielkonflikt zwischen einem möglichst schnell durchführbaren
Direktstart und einem möglichst schwingungsarm erfolgenden
Direktstart wird erfindungsgemäß dadurch entschärft,
dass eine aktive Motorlagerung eingesetzt wird, deren Dämpfungseigenschaften
während des Startens und/oder Abstellens vorzugsweise direktstartbarer
Verbrennungskraftmaschinen auf eine optimale Dämpfung der
während des Startens oder Abstellens auftretenden Vibrationen
abgestimmt wird. Zu diesem Zwecke muss mindestens ein aktives Motorlager
in die Lagerung der Verbrennungskraftmaschine einbezogen werden,
dessen Schwingungseigenschaften zumindest während des Startens
oder Abstellens der Verbrennungskraftmaschine gesteuert werden können.
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Somit
kann beim Starten oder Abstellen einer erfindungsgemäß gelagerten
Verbrennungskraftmaschine auch mit geöffneter Drosselklappe
und besonders höher Schwingungsneigung der Verbrennungskraftmaschine
die Dämpfung der Motorlagerung derart verändert
werden, dass sich die Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine
auch während des Startens oder Abstellens nicht auf die
Fahrgastkabine übertragen. Dadurch kann das Startverhalten bei
allen Direktstartverfahren unter Beibehaltung des bisherigen Komforts
bezüglich der Startgeschwindigkeit, der Startreproduzierbarkeit
und -zuverlässigkeit und der Geräuschentwicklung
optimiert werden, ohne die in der Verbrennungskraftmaschine selbst auftretende
Vibrationsneigung als limitierenden Faktor berücksichtigen
zu müssen.
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Die
Erfindung besteht in einem Verfahren zur Reduktion der Vibrationen
beim Abstellen oder Starten von Motoren, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen,
bei dem zu mindest während des Abstellens und/oder Startens
das Schwingungsverhalten der Verbrennungskraftmaschine bestimmt
wird, ein Steuersignal an mindestens ein Motorlager, dessen Dämpfungseigenschaften über
das Steuersignal eingestellt werden können, angelegt wird
und das Steuersignal so berechnet wird, dass sich ein Schwingungsverhalten
der Verbrennungskraftmaschine gemäß einem Sollschwingungsverhalten
einstellt, bei dem eine Einkopplung von Schwingungen z. B. in einen
Fahrgastraum erfolgt, die unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes
liegt.
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Zur
Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
eine Vorrichtung zur Reduktion der Vibrationen beim Abstellen oder
Starten von Motoren, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen
geeignet, die mindestens ein aktives Motorlager umfasst, dessen
Dämpfungseigenschaften so eingestellt werden können,
dass sich während des Abstellens und/oder Startens ein
Schwingungsverhalten der Verbrennungskraftmaschine gemäß einem
Sollschwingungsverhalten einstellt, bei dem eine Einkopplung von
Schwingungen z. B. in einen Fahrgastraum erfolgt, die unterhalb
eines vorgegebenen Schwellwertes liegt, die weiterhin mindestens
einen Sensor zur Erfassung eines das Schwingungsverhalten der Verbrennungskraftmaschine
beschreibenden Parameters, einen Aktor zur Einstellung der Dämpfungseigenschaften
des aktiven Motorlagers und mindestens ein Steuergerät
zur Auswertung des Ausgangssignals des Sensors und der Berechnung eines
Steuersignals zur Ansteuerung des Aktors umfasst.
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Der
Schwellwert, der als Obergrenze der zulässigerweise einzukoppelnden
Vibrationen festgelegt wird, kann vorteilhafterweise so gewählt
werden, dass sich für den Fahrer eines erfindungsgemäß ausgestatteten
Fahrzeuges keine spürbare Änderung des Vibrationsverhaltens
ergibt, wenn der Motor gestartet oder abgestellt wird.
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Vorteilhafterweise
kann die Bestimmung des Schwingungsverhaltens des Motors durch Auswertung
des Ausgangssignals mindestens eines Beschleunigungssensors und/oder
Drehratesensors, im Folgenden kurz Beschleunigungssensor genannt,
erfolgen. Derartige Beschleunigungssensoren sind ohnehin in vielen
Fahrzeugen mit elektronischen Stabilitätsprogrammen oder
zur Crash-Detektion enthalten. Werden die Ausgangssignale dieser
Beschleunigungssensoren während des Startens oder Abstellens
des in derartigen Fahrzeugen enthaltenen Motors entsprechend ausgewertet,
lässt sich das Schwingungsver halten des Motors beispielsweise
in Form eines Vibrationsmusters aufzeichnen, ohne separate Beschleunigungssensoren
zur Durchführung der Erfindung installieren zu müssen.
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Das
Steuersignal kann vorteilhafterweise unter Nutzung eines Vergleichsverfahrens
zwischen einem das Soll-Schwingungsverhalten beschreibenden Parameter
und einem das Ist-Schwingungsverhalten beschreibenden Parameter,
im Fall der Verwendung von Beschleunigungssensoren also beispielsweise
unter Nutzung eines Vergleichsverfahrens zwischen einem Soll-Vibrationsmuster
und einem Ist-Vibrationsmuster, berechnet werden.
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Werden
verwendete Sensoren zur Erfassung eines das Schwingungsverhalten
des Motors beschreibenden Parameters für mehrere Anwendungen
vorgesehen, kann es von Vorteil sein, den Auslesemodus an die jeweilige
Anwendung anzupassen, für die die Ausgangssignale der Sensoren
eine Eingangsgröße bilden sollen. Aus diesem Grund
ist es in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft,
wenn ein Signalbereitgestellt und verarbeitet wird, welches den
Beginn des Startens oder Abstellens des Motors anzeigt.
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Die
erfindungsgemäße Motorlagerung kann mehrere aktive
Motorlager umfassen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Dämpfungseigenschaften der
aktiven Motorlager sehr schnell verändert werden können,
beispielsweise mit Frequenzen, die im Bereich der zu dämpfenden
Schwingungen liegen. Dazu ist es vorteilhaft, aktive Motorlager
als fluidbasierte Dämpfungselemente aufzubauen, beispielsweise
auf der Basis rheologischer Flüssigkeiten. Diese enthalten
ausrichtbare Partikel, die in Abhängigkeit von ihrer Ausrichtung
die Viskosität der rheologischen Flüssigkeit beeinflussen.
In einem mit einer rheologischen Flüssigkeit gefüllten
Dämpfungselement kann dazu beispielsweise durch ein angelegtes veränderliches
Magnetfeld oder elektrisches Feld der Strömungwiderstand
des Fluids in dem Dämpfungselement gesteuert werden. Dabei
gehen in Abhängigkeit von der Feldstärke des Magnetfeldes
oder elektrischen Feldes in der rheologischen Flüssigkeit enthaltene
magnetische oder elektrisch polarisierbare Partikel von einer ungeordneten
in eine geordnete Anordnung über, was mit einer Änderung
der Viskosität und damit der Dämpfungseigenschaften
eines derartigen Dämpfungselementes einher geht. Mit einer
geeigneten Steuerung des Auf- und Abbaus des Magnetfeldes bzw. elektrischen
Fel des können die Dämpfungseigenschaften auch
in sehr kurzer Zeit variiert werden, was die Eignung derartiger
Dämpfungselemente als Motorlager für eine Umsetzung der
vorliegenden Erfindung begründet.
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Vorteilhafterweise
ist mindestens ein aktives Motorlager auf der Basis rheologischer
Flüssigkeiten umfasst. Über dieses können
die Dämpfungseigenschaften der gesamten Motorlagerung beeinflusst werden,
auch wenn andere aktive und/oder passive Motorlager umfasst sind.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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An
einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher
erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Reduzierung von Vibrationen; und
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2 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform der
Erfindung
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1 zeigt
einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Reduzierung von Vibrationen während des Startens oder
Abstellens eines Motors am Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine. In
einem ersten Schritt 1 wird der Beginn der Start- oder
Abstellphase detektiert. Das kann durch Auswertung eines entsprechenden
Signals, welches den Beginn dieser Phase anzeigt, oder durch eine
direkte Auswertung verschiedener Parameter, welche ebenfalls eindeutig
auf den Eintritt einer Start- oder Abstellphase hinweisen, erfolgen.
Danach wird in einem Schritt 2 mindestens ein Parameter,
welcher das Ist-Schwingungsverhalten der Verbrennungskraftmaschine
beschreibt, erfasst. Um Rückschlüsse auf das Ist-Schwingungsverhalten
ziehen zu können, werden zumindest während des
Abstellens und Startens der Verbrennungskraftmaschine die Werte
des erfassten Parameters in einem speziellen Algorithmus ausgewertet.
Beispielsweise werden aus dem Ausgangssignal eines Beschleunigungssensors
Vibrationsmuster abgeleitet, die das Schwingungsverhalten der Verbrennungskraftmaschine
in für die erfindungsgemäße Vibrationsdämpfung
ausreichender Weise repräsentieren.
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In
einem weiteren Schritt 3 wird die Abweichung des Ist-Schwingungsverhaltens
der Verbrennungskraftmaschine von einem Soll-Schwingungsverhalten,
bei dem sich eine Einkopplung von Schwingungen in den Fahrgastraum
ergäbe, die unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes
liegt, bestimmt. Aus dieser Abweichung wird in einem weiteren Schritt 4 ein
Steuersignal berechnet und in einem weiteren Schritt 5 generiert, über
welches die Dämpfungseigenschaften mindestens eines aktiven
Motorlagers so eingestellt werden können, dass sich an
der Verbrennungskraftmaschine das genannte Soll-Schwingungsverhalten
einstellt. Dieser Zustand kann gegebenenfalls durch mehrmaliges
Durchlaufen der Schritte 2 bis 5 erreicht werden,
indem nach einem ersten Anliegendes Steuersignals erneut das Ist-Schwingungsverhalten
der Verbrennungskraftmaschine bestimmt und das Steuersignal gegebenenfalls
angepasst wird. Ein zyklisches Durchlaufen der Schritte 2 bis 5 sichert
und ermöglicht gleichzeitig eine Überwachung und
gegebenenfalls eine Korrektur des effektiven Schwingungsverhaltens
während des Startens bzw. Abstellens der Verbrennungskraftmaschine.
Die Generierung des Steuersignals umfasst dessen Anlegen an einen
Aktor, mit dessen Hilfe die Dämpfungseigenschaften mindestens
eines aktiven Motorlagers tatsächlich eingestellt werden.
In einem letzten Schritt 6 wird das Ende der Start- oder Abstellphase
detektiert.
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Während
des Abstellens oder Startens der Verbrennungskraftmaschine, werden
die Aktoren der rheologischen Motorlager so angesteuert, dass vom Fahrer
keine merklich wahrnehmbaren Vibrationen in der Fahrerkabine wahrgenommen
werden können. Der Regelalgorithmus kann darüber
hinaus vorteilhafterweise äußere Einflüsse,
wie z. B. Temperaturänderungen oder elektromagnetische
Störfelder, kompensieren bzw. adaptiv berücksichtigen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umsetzung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt ist
eine Verbrennungskraftmaschine 7, die über ein
aktives Motorlager 8, welches als rheologisches Motorlager
ausgebildet ist, mit der Karosserie 9 eines Fahrzeuges
in Verbindung steht. Das aktive Motorlager 8 steht an dieser
Stelle stellvertretend für jede Anordnung zur Motorlagerung,
deren Dämpfungseigen schalten steuerbar sind, wobei Mehrfachanordnungen
von Motorlagern ausdrücklich umfasst sind.
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Des
Weiteren ist ein Sensor 10 umfasst, welcher für
die Erfassung eines Parameters, der das Schwingungsverhalten der
Verbrennungskraftmaschine 7 beschreibt, geeignet ist. Dieser
im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Beschleunigungssensor ausgelegte
Sensor 10 liefert seine Ausgangssignale an ein Steuergerät 11,
das zumindest Mittel, beispielsweise in Form eines speziellen Controllers,
umfasst, um aus dem Ausgangssignal des Sensors 10 ein Steuersignal
zu berechnen und zu generieren, das einem Aktor 12 zugeleitet
werden kann, über den sich die Dämpfungseigenschaften
des aktiven Motorlagers 8 einstellen lassen. Die erfassten
Werte werden zu diesem Zweck in Speichereinheiten des Steuergerätes 11 abgelegt.
Das Steuergerät 11 kann eine speziell ausgelegtes
Motorsteuergerät sein oder in einem separaten Steuergerät
zur Regelung der Vibrationsdämpfung bestehen. Die Datenstruktur
in den Speichereinheiten des Steuergerätes 11 kann
entsprechend der weiteren Verarbeitung der Daten, beispielsweise
in Form von Kennfeldern oder Kennlinien, organisiert sein. Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit bildet die Datenablage
in Speichereinheiten eines neuronalen Netzes, das ebenfalls im Steuergerät 11 realisiert
sein kann. In diesem Fall kann durch adaptives Lernen die Erfassungsgeschwindigkeit
zusätzlich gesteigert werden. Die vom Sensor 10 erfassten
Werte bilden in jedem Fall Eingangsgrößen der
erfindungsgemäßen Regelungs- und Steuerstrecke,
die für eine Ansteuerung der aktiven Motorlager 8 sorgt.
Vorteilhafterweise verfügt das Steuergerät 11 über
weitere Speichereinheiten, deren Datenstruktur ähnlich
der Datenstruktur der Speichereinheiten für die Ablage
der vom Sensor 10 erfassten Werte organisiert ist. In diesen
Speichereinheiten werden zu den erfassten Werten korrespondierende
Werte abgelegt, die das Soll-Schwingungsverhalten der Verbrennungskraftmaschine
beschreiben. Beispielsweise kann die Speicherung der Sollwerte ebenfalls
in Form von Kennfeldern, Kennlinien oder in Speichereinheiten eines
neuronalen Netzes organisiert sein. Durch eine ähnliche
Datenstruktur der Soll- und Istwerte werden Vergleichsoperationen,
die in Schritt 3 des Verfahrens in 1 ausgeführt
werden, rechentechnisch begünstigt. Das ist insbesondere
von Vorteil, wenn während des Abstellens oder während
des Startvorgangs der Verbrennungskraftmaschine das Schwingungsverhalten
permanent geregelt werden soll, also beispielsweise ein in kurzen
Zyklen aktualisiertes Vibrationsmuster mit einem Soll-Vibrationsmuster
verglichen werden muss. Als diesbezüglich geeignete Vergleichsverfahren
haben sich Subtraktions-, Addition-, Division-, Multiplikation-, Differenziation-
und Integrationsverfahren, außerdem Pegel- oder Mustervergleichsverfahren
erwiesen. Auch das Soll-Dämpfungsverhalten des aktiven,
insbesondere rheologischen Motorlagers 8 kann adaptiv erlernt bzw.
stets aktualisiert werden, wenn das Steuergerät 11 eine
neuronale Netzstruktur aufweist.
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Des
Weiteren ist ein Signalgeber 13 umfasst, welcher ein Signal
generieren kann, das den Beginn des Startens oder Abstellens der
Verbrennungskraftmaschine 7 anzeigt. Als derartiger Signalgeber 13 kann
eine einfache Statusanzeige der Zündung dienen. Der Signalgeber
kann jedoch auch Bestandteil des Steuergerätes 11 sein.
Die Verbrennungskraftmaschine 7 im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist für Direktstarts ausgelegt. Zwischen dem Sensor 10 und
der Verbrennungskraftmaschine 7 besteht eine Verbindung 14,
die für eine für die Messaufgabe ausreichende
Kopplung zwischen Sensor 10 und Verbrennungskraftmaschine 7 sorgt.
Das ist im Fall eines Beschleunigungssensors eine mechanische Verbindung,
welche direkt oder über die Karosserie vermittelt werden
kann. Als Aktoren 12 können unterschiedliche felderzeugende
Einrichtungen dienen. Es können auch hydraulisch oder auch
elektromagnetisch betätigbare Aktoren umfasst sein, um
die Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine definiert abzuschwächen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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