DE102008047476B4 - Steuerungsvorrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Steuerungsvorrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Steuerungsvorrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend- eine Elektromaschine, welche indirekt über einen Zugmitteltrieb mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden ist, wobei der Zugmitteltrieb über einen Schwingungsdämpfer mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist und- eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Elektromaschine, die ausgebildet ist Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle mittels beschleunigen und/oder abbremsen der Elektromaschine auszugleichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine mittels einer elektrischen Maschine.
  • Verbrennungsmotoren erzeugen Wechselmomente, die durch die Gas- und Massenkräfte im Kurbelgehäuse bzw. Brennraum eines Verbrennungsmotors auftreten. Diese Momente lösen Schwingungen aus, welche durch verschiedene Systeme gedämpft werden müssen. Weitere Gründe für das Auftreten von Wechselmomenten kann die Variation von Zündwinkel und Einspritzmenge des Kraftstoffs sein. Diese Schwingungen sind besonders beim längs eingebauten Motor für den Kunden deutlich spürbar.
  • In der Offenlegungsschrift DE 195 32 128 A1 sowie in der Patentschrift US 6 085 723 A wird ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine beschrieben, bei dem Drehungleichförmigkeiten verringert werden.
  • Es wurde bereits versucht, diese Wechselmomente bzw. Schwingungen von Verbrennungsmotoren durch aufwendige Applikationen und kostenintensive Maßnahmen zu reduzieren bzw. zu beseitigen. Jedoch sind in heutigen Verbrennungsmotoren diese Wechselmomente und die daraus resultierenden Schwingungen noch immer für den Fahrer bzw. Kunden deutlich spürbar. Dies gilt insbesondere im Motorleerlauf.
  • Somit ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung bzw. ein Steuerungsverfahren bereitzustellen, um bei einfachem und kostengünstigem Aufbau, die Wechselmomente einer Brennkraftmaschine zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
  • Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Steuerungsvorrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine (auch Verbrennungsmotor). Diese Brennkraftmaschine umfasst eine Elektromaschine, insbesondere ausgebildet als Starter-Generator, welche, mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden ist, und eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Elektromaschine, die ausgebildet ist, Drehverschwankungen der Kurbelwelle mittels Beschleunigen und/oder Abbremsen der Elektromaschine auszugleichen. Der Begriff Elektromaschine oder auch elektrische Maschine bezeichnet sowohl einen Elektromotor als auch einen Generator sowie die Kombination aus beiden.
  • Insbesondere sind für die Elektromaschine drei vorteilhafte Ausgestaltungen vorgesehen. Erstens kann die Elektromaschine über einen Zugmitteltrieb, z.B. Riemen oder Kette, mit der Kurbelwelle verbunden sein. Zweitens kann die Elektromaschine direkt an der Kurbelwelle angeordnet werden und die Elektromaschine ist somit ohne weitere Übersetzung mit der Kurbelwelle verbunden. Drittens ist vorgesehen, dass die Elektromaschine über ein Zahnradgetriebe oder Reibradgetriebe mit der Kurbelwelle verbunden ist.
  • Somit wird eine Drehzahlstabilisierung des Verbrennungsmotors über die Elektromaschine, insbesondere im Motorleerlauf, realisiert. Im Motorleerlauf wird die Solldrehzahl von einem Steuergerät bzw. einer Steuerungseinheit oder direkt von der Elektrömaschine vorgegeben. Auf diese Solldrehzahl soll der Verbrennungsmotor geregelt werden. Liegt die Drehzahl des Verbrennungsmotors über der Solldrehzahl, so wird der Verbrennungsmotor über die Elektromaschine abgebremst. Liegt jedoch die Drehzahl des Verbrennungsmotors unterhalb der Sollwertvorgabe, so wird der Verbrennungsmotor über die Elektromaschine beschleunigt und auf die Solldrehzahl geregelt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung ausgebildet ist, zum Abbremsen der Kurbelwelle die Elektromaschine elektrogeneratorisch zu betreiben, und/oder zum Beschleunigen der Kurbelwelle die Elektromaschine elektromotorisch zu betreiben. Durch das elektrogeneratorische Betreiben kann einerseits der Verbrennungsmotor effektiv abgebremst werden, und andererseits unter Umständen Strom in das Bordnetz eingespeist werden.
  • Ferner von Vorteil ist es, den Zugmitteltrieb über einen Schwingungsdämpfer mit der Kurbelwelle zu verbinden. Solch ein Schwingungsdämpfer, insbesondere mechanischer Schwingungsdämpfer, ermöglicht einen weiteren Ausgleich von Wechselmomenten.
  • Besonders vorteilhaft ist es, den Zugmitteltrieb als Riemenantrieb und/oder Keilriemenantrieb und/oder Zahnriemenantrieb auszuführen.
  • Weiterhin von Vorteil ist es, dass die Steuerungseinheit eine Datenverbindung zu einer Brennkraftmaschinensteuerungseinheit umfasst, um zumindest eine Soll-Drehzahl und/oder eine Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine an die Steuereinheit zu übertragen. Ferner vorteilhaft ist es, eine Drehzahlsensorik direkt an die Steuerungseinheit anzuschließen, um Signallaufzeiten zu verkürzen.
  • Die Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug und/oder Automobil, welches eine soeben beschriebene erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung umfasst. Besonders im Kraftfahrzeugbau sind die Anforderungen der Kunden an vibrationsfreie Antriebsstränge besonders hoch. Deshalb ist auch hier die Erfindung vorteilhaft einsetzbar.
  • Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend die Schritte:
    • Erfassen einer Drehzahlschwankung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und Beschleunigen und/oder Abbremsen einer Elektromaschine, um die Drehzahlschwankung auszugleichen, wobei die Elektromaschine mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist.
  • Die bereits aufgezeigten Vorteile der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung sind selbstverständlich auch in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft anwendbar.
  • Über eine kontinuierliche Erfassung der Drehzahl bzw. Drehzahlschwankung der Kurbelwelle und Steuerung der Elektromaschine erfolgt nach der Erfindung vorzugsweise eine Regelung der Drehzahl der Kurbelwelle
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung genauer erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 die Motordrehzahl im Leerlauf über der Zeit ohne der erfindungsgemäßen Steuerung, und
    • 2 die Motordrehzahl im Leerlauf über der Zeit mit der erfindungsgemäßen Steuerung.
  • Die sehr effektive Methode der erfindungsgemäßen Drehzahlstabilisierung wird durch graphisch dargestellte Messungen in den 1 und 2 verdeutlicht. Dabei zeigt 1 die Motordrehzahl im Leerlauf über der Zeit ohne die erfindungsgemäße Drehzahlstabilisierung. Auf der Horizontalachse in 1 ist die Zeit in Sekunden angegeben. Demgegenüber steht die Orthogonale mit der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute. Mit dem Bezugszeichen 1 ist die Leerlaufdrehzahl bezeichnet, mit 2 die Ist-Drehzahl und mit 3 die Soll-Drehzahl.
  • Ein schraffierter Bereich 6 zeigt einen Drehzahlbereich, in welchem die Elektromaschine, ausgebildet als Starter-Generator, die Verbrennungsmaschine beschleunigen kann um die Drehzahl zu stabilisieren. Ein weiterer schraffierter Bereich 5 zeigt einen Drehzahlbereich, in welchem die Verbrennungsmaschine mittels der Elektromaschine abgebremst werden kann.
  • Demgegenüber zeigt 2 die Messung an einem Verbrennungsmotor mit erfindungsgemäßer Steuerungsvorrichtung. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 4 die gemessene Ist-Drehzahl dargestellt, welche im Wesentlichen einer geradverlaufenden Soll-Drehzahl entspricht.
  • Somit zeigt die Erfindung eine sehr effektive Methode zur Drehzahlstabilisierung eines Verbrennungsmotors bzw. einer Brennkraftmaschine über eine Elektromaschine. Durch Anwendung dieser Erfindung kann z.B. der Kundenkomfort durch den Ausgleich der Drehzahlschwankungen erheblich gesteigert werden. Des Weiteren entsteht besonders beim Einsatz der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung in einem Fahrzeug kein weiterer Kostenaufwand für neue Hardware.

Claims (8)

  1. Steuerungsvorrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend - eine Elektromaschine, welche indirekt über einen Zugmitteltrieb mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden ist, wobei der Zugmitteltrieb über einen Schwingungsdämpfer mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist und - eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Elektromaschine, die ausgebildet ist Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle mittels beschleunigen und/oder abbremsen der Elektromaschine auszugleichen.
  2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit ausgebildet ist, zum Abbremsen der Kurbelwelle die Elektromaschine elektrogeneratorisch zu betreiben, und/oder zum Beschleunigen der Kurbelwelle die Elektromaschine elektromotorisch zu betreiben.
  3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb einen Riemenantrieb umfasst.
  4. Steuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eine Datenverbindung zu einer Brennkraftmaschinensteuerungseinheit und/oder zu einer Drehzahlsensorik umfasst, um zumindest eine Soll-Drehzahl und/oder eine Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine an die Steuereinheit zu übertragen.
  5. Fahrzeug umfassend eine Steuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  6. Verfahren zum Ausgleich von Wechselmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend die Schritte - Erfassen einer Drehzahlschwankung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, und - Beschleunigen und/oder Abbremsen einer Elektromaschine um die Drehzahlschwankung auszugleichen, wobei die Elektromaschine indirekt über einen Zugmitteltrieb mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist und der Zugmitteltrieb über einen Schwingungsdämpfer mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbremsen der Kurbelwelle die Elektromaschine elektrogeneratorisch betrieben wird, und/oder zum Beschleunigen der Kurbelwelle die Elektromaschine elektromotorisch betrieben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Soll-Drehzahl und/oder eine Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine übertragen werden, um die Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle zu erfassen.
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