DE102008017581A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors in einem Hybridantrieb - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors in einem Hybridantrieb Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors in einem Hybridantrieb. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors in einem Hybridantrieb zu schaffen, mit dem durch die Elektromaschine zu erzeugende Startdrehmoment ohne zusätzliche Batteriebelastung und mit einem geringen Aufwand erhöht wird. Bei der Verwendung der Elektromaschine eines Hybridantriebes als Startergenerator für den Verbrennungsmotor wird erfindungsgemäß beim Starten des Verbrennungsmotors das von der Elektromaschine erzeugte Drehmoment durch einen hydraulischen Wandler auf das benötigte Start-Drehmoment des Verbrennungsmotors erhöht. Dabei ist die Elektromaschine über den hydraulischen Wandler direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar. Ein im hydraulischen Wandler befindliche Überbrückungskupplung ermöglicht die verlustfreie Übertragung der mechanischen Energie außerhalb des Startvorgangs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors in einem Hybridantrieb mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen sowie eine dazugehörige Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 3 genannten Merkmalen.
  • Bei einem mit einem Hybridantrieb ausgerüsteten Fahrzeug erfolgt der Antrieb des Fahrzeuges über eine Brennkraftmaschine und/oder über eine Elektromaschine, die sowohl als Motor, als auch als Generator wirken kann. Dabei unterscheidet man bei einem Hybridantrieb zwischen einem Seriell-Hybridantrieb und einem Parallel-Hybridantrieb. Bei einem Seriell-Hybridantrieb wird die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Der Antrieb des Fahrzeuges erfolgt ausschließlich durch den Elektromotor. Beim seriellen Hybridantrieb kommen in der Regel zwei elektrische Maschinen zum Einsatz, von denen eine Maschine als Generator mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist und eine andere Maschine für den Fahrantrieb dient, wobei die als Generator eingesetzte Maschine in vorteilhafter Weise den Verbrennungsmotor startet. Es erfolgt auch teilweise nur der Einsatz einer einzelnen elektrischen Maschine, wobei diese als Generator und auch als elektrischer Motor betrieben werden kann. Bei diesem Parallel-Hybridantrieb kann der Achsantrieb des Fahrzeuges mit der Elektromaschine und/oder der Verbrennungsmaschine verbunden werden. Das Fahrzeug kann somit nach Bedarf separat durch die Elektromaschine, separat durch die Verbrennungskraftmaschine oder gemeinsam von beiden Maschinen angetrieben werden. Auch hierbei kann die Elektromaschine dabei die zusätzliche Funktion des Anlassens der Brennkraftmaschine im Hybridantriebsstrang übernehmen.
  • Die DE 199 23 315 A1 beschreibt ein Hybrid-Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer als Motor und/oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine, die eine Starterfunktion der Brennkraftmaschine übernimmt. Die elektrische Maschine ist Bestandteil einer Getriebeeinheit, in der ein hydrodynamischer Drehmomentwandler als Drehmoment übertragendes Funktionsbauteil angeordnet ist.
  • Nachteilig ist, dass die elektrische Maschine so groß ausgelegt werden muss, dass sie zum Starten der Brennkraftmaschine das dafür notwendige Drehmoment aufbringen kann. Insbesondere bei Verwendung eines Dieselmotors werden große elektrische Maschinen benötigt, um das Startdrehmoment aufbringen zu können. Durch die notwendigen großen elektrischen Maschinen werden beim Startvorgang hohe Batterieleistungen benötigt.
  • Der in der DE 10 2004 023 673 A1 beschriebene Hybridantrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor und einer als Motor-Starter-Generator ausgebildeten und mit einer Schwungmasse versehenen Elektromaschine und einem abtriebsseitigen mit einem Achsantrieb versehenen Fahrgetriebe. Die Elektromaschine ist einerseits über eine erste Kupplung mit dem Verbrennungsmotor und andererseits über eine zweite Kupplung mit dem Fahrgetriebe verbunden. Der Start des Verbrennungsmotors aus dem Elektrobetrieb erfolgt dadurch, dass die zweite Kupplung im Schlupfbetrieb betrieben wird, so dass dann die Schwungmasse mittels der Elektromaschine zum Aufbau eines Überschuss-Drehimpulses beschleunigt wird und der Verbrennungsmotor durch Schließen der ersten Kupplung gestartet wird.
  • Nachteilig hierbei ist eine zusätzliche Erhöhung der Gesamtmasse durch die Schwungmasse sowie eine Erhöhung des durch den Elektromotor aufzubringenden Drehmoments zur Beschleunigung der Schwungmasse.
  • Aus der DE 199 41 705 A1 ist ein Hybridantrieb bekannt, bei dem die elektrische Maschine auch als Anlasser für die Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Dabei ist die elektrische Maschine über ein Getriebe mit der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine verbunden. Während des Anlassens der Verbrennungskraftmaschine liegt das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Maschine zu dem Verbrennungsmotor im Bereich 3:2 und 10:1 und während des Generatorbetriebs 2:1 bis 1:2. Als Getriebe wird vorzugsweise ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad eingesetzt.
  • Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass für das Getriebe zusätzlich ein verhältnismäßig großer Bauraum benötigt wird. Außerdem ist eine aufwendige Konstruktion für die Anpassung des Getriebes notwendig.
  • Zur Einsparung des zusätzlichen Getriebes beim Startvorgang einer Verbrennungskraftmaschine durch die Elektromaschine bei einem Hybridantrieb wird gemäß der DE 10 2004 013 168 A1 das Startmoment der Brennkraftmaschine reduziert. Dieses erfolgt dadurch, dass in der Startphase durch schaltbare Ventil-Spielausgleichselemente die Gaswechselventile wenigstens eines Zylinders offen gehalten werden, so dass die Zylinder während des Startvorganges außer Kraft gesetzt sind. Nach Erreichen der Startdrehzahl und des Startmomentes wird die Verriegelung der Gaswechselventile aufgehoben, so dass alle Zylinder wieder betriebsfähig sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors in einem Hybridantrieb zu schaffen, mit dem durch die Elektromaschine das für die Brennkraftmaschine zu erzeugende Startdrehmoment ohne zusätzliche Batteriebelastung und mit einem geringen Aufwand erhöht wird.
  • Diese Aufgabe wird entsprechend dem Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und entsprechend der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst.
  • Bei der Verwendung der Elektromaschine eines Hybridantriebes als Starter für den Verbrennungsmotor wird erfindungsgemäß beim Starten des Verbrennungsmotors das von der Elektromaschine erzeugte Drehmoment durch einen hydraulischen Wandler auf das benötigte Start-Drehmoment des Verbrennungsmotors erhöht. Dabei ist die Elektromaschine über den hydraulischen Wandler direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar. Eine Überbrückungskupplung für den hydraulischen Wandler ermöglicht die verlustfreie Übertragung der mechanischen Energie außerhalb des Startvorgangs.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass zum Anlassen des Verbrennungsmotors nicht das volle Losreiß- und Start-Drehmoment durch die Elektromaschine erzeugt werden muss. Durch den hydraulischen Wandler wird das durch die Elektromaschine erzeugte Drehmoment auf das für den Verbrennungsmotor be nötigte Losreiß- und Start-Drehmoment erhöht. Dadurch kann die Elektromaschine kleiner dimensioniert werden. Durch das geringe benötigte Drehmoment wird beim Startvorgang der Verbrennungsmaschine auch ein geringerer elektrischer Strom benötigt, was eine geringere Batteriebelastung zur Folge hat.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein verschleißfreies Anlassen des Verbrennungsmotors durch den hydraulischen Wandler erfolgt, da keine zusätzliche Anlasserkupplung zwischen der Elektromaschine und dem Verbrennungsmotor benötigt wird.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Elektromaschine im Gegensatz zu einem direkten Start des Verbrennungsmotors kein Drehmoment bei Drehzahl Null bzw. nahe Null aufbringen muss, was eine Reduzierung der Anforderungen an die die Elektromaschine steuernde Leistungselektronik darstellt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
  • Anhand einer Zeichnung, die eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hybridantriebs zeigt, wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Lösung zum Starten eines Verbrennungsmotors 1 ist für einen Seriell-Hybridantrieb als auch für einen Parallel-Hybridantrieb einsetzbar. Ein Einsatz kann sowohl in einem Fahrzeug oder in einer stationären Anlage erfolgen. Dabei kann der Verbrennungsmotor 1 ein Otto- oder ein Dieselmotor sein. In dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird das Starten des Verbrennungsmotors 1 anhand eines seriellen Hybridantriebs beschrieben. Die in dem seriellen Hybridantrieb eingesetzte Elektromaschine 3 wird zum Starten des Verbrennungsmotors 1 und danach hauptsächlich als Generator zur Stromerzeugung benutzt. Auch hier ist ein Einsatz in einem Fahrzeug oder im stationären Betrieb zur Stromerzeugung denkbar. Bei einem Fahrzeug ist der Einsatz auch als „Range Extender” (Reichweitenerhöhung)-System möglich. Dabei wird ein primär elektrisches System für den Antrieb verwendet und der Verbrennungsmotor 1 wird zum Antrieb der Elektromaschine 3 als Generator zur Stromerzeugung und/oder zum Wiederaufladen der Batterien und/oder in Spitzenbelastungen als zusätzliche Antriebskraft verwendet.
  • Der serielle Hybridantrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor 1, einer im normalen Betrieb als Generator genutzten Elektromaschine 3 sowie einer nicht weiter dargestellten weiteren Elektromaschine, zum Antrieb der Räder eines Fahrzeuges, die mit der Elektromaschine 3 über eine geeignete Umrichtertechnik verbunden ist. Zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und der Elektromaschine 3 ist ein an sich bekannter hydraulischer Wandler 2 derart angeordnet, dass beim Startvorgang des Verbrennungsmotors 1 durch die Elektromaschine 3 die Momentenüberhöhung des hydraulischen Wandlers 2 in Richtung Verbrennungsmotor 1 erfolgt.
  • Das Starten des Verbrennungsmotors 1 erfolgt durch die Elektromaschine 3, wobei das durch die Elektromaschine 3 erzeugte Drehmoment mittels eines hydraulischen Wandlers 2 bei geöffneter Überbrückungskupplung des hydraulischen Wandlers 2 auf das benötigte Startdrehmoment des Verbrennungsmotors 1 erhöht wird. Nach Abschluss des Startvorgangs und Aufsynchronisierung der Drehzahlen von dem Verbrennungsmotor 1 und der Elektromaschine 3 ermöglicht das Schließen der Überbrückungskupplung im hydraulischen Wandler 2 die verlustfreie Übertragung der mechanischen Energie an die als Generator arbeitende Elektromaschine 3.
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    hydraulischer Wandler
    3
    Elektromaschine
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 102004023673 A1 [0005]
    • - DE 19941705 A1 [0007]
    • - DE 102004013168 A1 [0009]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) in einem Hybridantrieb, der einen Verbrennungsmotor (1) sowie mindestens eine Elektromaschine (3) umfasst, die als Motor und/oder Generator arbeitet und den Startbetrieb des Verbrennungsmotors (1) vornimmt, wobei zum Starten des Verbrennungsmotors (1) das Drehmoment der Elektromaschine (3) durch einen hydraulischen Wandler (2) auf das benötigte Start-Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Startvorganges des Verbrennungsmotors (1) und Synchronisierung der Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) und der Elektromaschine (3) durch Schließen einer Überbrückungskupplung des hydraulischen Wandlers (2) das von dem Verbrennungsmotor (1) erzeugte Drehmoment zur Elektromaschine (3) übertragen und die Elektromaschine (3) als Generator betrieben wird.
  3. Vorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors in einem Hybridantrieb, wobei der Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einer als Motor und/oder Generator sowie als Starter für den Verbrennungsmotor betreibbaren Elektromaschine besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten des Verbrennungsmotors (1) die Elektromaschine (3) zur Erhöhung des Drehmomentes über einen hydraulischen Wandler (2) mit dem Abtrieb des Verbrennungsmotors (1) verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Wandler (2) mit einer Überbrückungskupplung versehen ist.
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